1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 3, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 3, стр. 452-456

Астроклимат равнинных высокогорных зон Большого Алтая по данным спутникового дистанционного зондирования: потенциал для размещения полномасштабного гамма-астрономического эксперимента

Е. Ю. Мордвин 1, *, Н. В. Волков 1, А. И. Ревякин 1, Р. Тогоо 2, И. И. Астапов 3, П. А. Безъязыков 4, М. Бланк 5, Е. А. Бонвеч 6, А. Н. Бородин 7, М. Брюкнер 8, Н. М. Буднев 4, А. Булан 6, А. Вайдянатан 9, Р. Вишневский 8, П. А. Волчугов 6, Д. М. Воронин 10, А. Ю. Гармаш 9, 11, А. Р. Гафаров 4, В. М. Гребенюк 7, 12, О. А. Гресс 4, Т. И. Гресс 4, А. А. Гринюк 7, О. Г. Гришин 6, А. Н. Дячок 4, Д. П. Журов 4, А. В. Загородников 4, А. Л. Иванова 9, 4, Н. Н. Калмыков 6, В. В. Киндин 3, С. Н. Кирюхин 4, Р. П. Кокоулин 3, К. Г. Компаниец 3, Е. Е. Коростелева 6, В. А. Кожин 6, Е. А. Кравченко 9, 11, А. П. Крюков 6, Л. А. Кузьмичев 6, А. Кьявасса 13, А. А. Лагутин 1, Ю. Е. Лемешев 4, Б. К. Лубсандоржиев 10, Н. Б. Лубсандоржиев 6, Р. Р. Миргазов 4, Р. Мирзоян 14, 6, Р. Д. Монхоев 4, Е. А. Осипова 6, А. Л. Пахоруков 4, А. Пан 7, М. И. Панасюк 6, Л. В. Паньков 4, А. А. Петрухин 3, Д. А. Подгрудков 6, В. А. Полещук 4, М. Попеску 15, Е. Г. Попова 6, А. Порелли 8, 7, Е. Б. Постников 6, В. В. Просин 6, В. С. Птускин 16, А. А. Пушнин 4, Р. И. Райкин 1, Г. И. Рубцов 10, Е. В. Рябов 4, Я. И. Сагань 7, 12, В. С. Самолига 4, Л. Г. Свешникова 6, А. А. Силаев 6, А. А. Силаев (мл.) 6, А. Ю. Сидоренков 10, А. В. Скурихин 6, М. Слунечка 7, А. В. Соколов 9, 11, Я. В. Суворкин 4, В. А. Таболенко 4, А. Б. Танаев 4, Б. А. Таращанский 4, М. Ю. Терновой 4, Л. Г. Ткачев 7, 12, М. Тлучиконт 5, Н. А. Ушаков 10, Д. Хорнс 5, Д. В. Чернов 6, И. И. Яшин 3, (коллаборация TAIGA)

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Алтайский государственный университет”
Барнаул, Россия

10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Москва, Россия

11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук
Новосибирск, Россия

12 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области “Университет “Дубна”
Дубна, Россия

13 Физический факультет Университета Турина и Национальный институт ядерной физики
Турин, Италия

14 Институт Макса Планка
Мюнхен, Германия

15 Институт космических наук
Бухарест, Румыния

16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской академии наук
Москва, Россия

2 Институт физики и технологий Монгольской академии наук
Улан-Батор, Монголия

3 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
Москва, Россия

4 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Иркутский государственный университет”, Научно-исследовательский институт прикладной физики
Иркутск, Россия

5 Университет Гамбурга, Институт экспериментальной физики
Гамбург, Германия

6 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
Москва, Россия

7 Международная межправительственная организация Объединенный институт ядерных исследований
Дубна, Россия

8 Немецкий электронный синхротрон
Гамбург, Германия

9 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Новосибирский национальный исследовательский государственный университет”
Новосибирск, Россия

* E-mail: zion0210@gmail.com

Поступила в редакцию 15.10.2021
После доработки 05.11.2021
Принята к публикации 22.11.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

С использованием ночных данных радиометра VIIRS спутниковой платформы Suomi NPP и данных гиперспектрометра AIRS спутника Aqua проведено исследование астроклиматических условий для выполнения ночных астрофизических наблюдений на территории региона Большой Алтай. Установлено, что по топографическим и астроклиматическим критериям для размещения полномасштабного гамма-астрономического эксперимента наиболее подходят район Чуйской степи (Республика Алтай, Россия) и плато озера Хубсугул (аймак Хувсгел, Монголия). Учет особенностей инфраструктуры делает предпочтительным полигон в западной части Чуйской степи.

ВВЕДЕНИЕ

В последние двадцать лет гамма-астрономия стала самым динамично развивающимся направлением астрофизики элементарных частиц и физики высоких энергий, в рамках которого получены принципиально важные результаты о процессах с гигантским выделением энергии (см., например, [1]). Активно расширяется экспериментальная база по регистрации гамма-излучения сверхвысоких энергий. Наряду с крупнейшими мировыми наземными гамма-обсерваториями HAWC, MAGIC, HESS, VERITAS, на территории Российской Федерации в стадии завершения находится строительство первой очереди гамма-обсерватории TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy), занимающей площадь 1 км2 [2, 3]. Уникальная гибридная система детекторов и методика регистрации гамма-квантов сверхвысоких энергий, реализованная в рамках проекта TAIGA, по завершении пилотного этапа позволят достичь наивысшей на данный момент чувствительности для регистрации гамма-излучения с энергией выше 100 ТэВ. Вместе с тем дальнейшее увеличение чувствительности требует проектирования и ввода в эксплуатацию полномасштабной гамма-обсерватории с гибридной системой детекторов площадью не менее 10 км2.

Использование оптических черенковских телескопов в системе детекторов, размещенных на большой площади, подразумевает, что территория расположения гамма-обсерватории должна удовлетворять ряду критериев. Необходимыми условиями являются низкое содержание атмосферного водяного пара и малая аэрозольная оптическая толщина, высокая доля безоблачных событий в году, минимальный уровень светового загрязнения и др. Снижения влияния указанных факторов на качество оптических наблюдений можно достичь выбором оптимальной по географическим (высота полигона над уровнем моря, рельеф местности) и астроклиматическим условиям территории для размещения полномасштабной гамма-обсерватории. Перспективным подходом при решении комплексной проблемы проектирования полномасштабной гамма-обсерватории является использование для первичного анализа географических и астроклиматических характеристик территории данных современных спутниковых систем. Так полный перечень продуктов по основным характеристикам атмосферы региона предоставляют пакеты обработки данных радиометра VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) [4, 5] спутников Suomi NPP и NOAA-20, а также гиперспектрометра AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder) [6, 7] спутниковой платформы Aqua [8].

Целью настоящей работы является анализ астроклиматических условий региона Большого Алтая (трансграничная территория в пределах Алтайских гор) и установление конкретных зон, оптимальных для проведения гибридных гамма-астрономических наблюдений, с использованием данных космического дистанционного зондирования.

ТЕХНИЧЕСКАЯ И ИНФОРМАЦИОННАЯ БАЗА

Основными источниками информации, используемыми в настоящей работе, являются данные радиометра VIIRS, расположенного на борту спутников Suomi NPP и NOAA-20, а также гиперспектрального комплекса AIRS спутниковой платформы Aqua, принимаемые станциями УниСкан-24 и ЕОСкан центра космического мониторинга Алтайского государственного университета в режиме прямого вещания. Анализ астроклиматических условий проводится по результатам наблюдений за период 2002–2020 гг. (AIRS) и 2012–2020 гг. (VIIRS).

Топографические условия определялись с использованием данных радиолокационной топографической миссии шаттла SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission), имеющих пространственное разрешение 90 × 90 м [9].

В качестве возможных зон территории Большого Алтая для выполнения астрофизических наблюдений выбирались те участки, для которых по данным спутниковых наблюдений установлена минимальная доля облачных событий и относительно низкое содержание водяного пара в атмосфере в периоды активных фаз ночных наблюдений, проводимых с октября по март. Полигоны с высотой местности над уровнем моря ниже 1500 м и углом уклона поверхности в пределах полигона более 5° исключались из исследования.

Радиометр VIIRS/SNPP/NOAA-20

Прибор VIIRS был разработан в рамках исследовательской программы NASA JPSS (Joint Polar Satellite System) [10]. В настоящее время в эксплуатации находятся два прибора, расположенные на спутниках Suomi NPP и NOAA-20. Данный прибор является 22-канальным сканирующим радиометром, производящим съемку Земли в видимом и ИК-диапазонах.

Для получения информации о наличии в атмосфере облачных структур использовался продукт VIIRS CloudMask (маска облачности) [11], создаваемый в алгоритме обработки данных VIIRS версии 1.5.08.04.

Гиперспектрометр AIRS/Aqua

ИК-зондировщик AIRS расположен на спутниковой платформе Aqua, выведенной на орбиту Земли в 2002 г. в рамках научно-исследовательской программы NASA/EOS (Earth Observing System). Регистрация уходящего из атмосферы Земли длинноволнового ИК-излучения в диапазоне длин волн от 3.74 до 15.4 мкм осуществляется 2378 каналами прибора.

Для восстановления содержания водяного пара в вертикальном столбе атмосферы использовался продукт RetStd (AIRS only), получаемый в версии 6.2.2.0 алгоритма обработки данных AIRS с разрешением 1° × 1°.

РЕЗУЛЬТАТЫ

С использованием ночных данных радиометра VIIRS/SNPP установлена доля безоблачных событий для территории региона Большого Алтая для восьми сезонов гамма-астрономических наблюдений с октября 2012 г. по март 2020 г. Результат анализа измерений VIIRS и данных цифровой модели местности, представленный на рис. 1, позволил выделить районы с максимальной долей безоблачных событий при выполнении критериев высоты над уровнем моря (свыше 1500 м) и угла уклона местности (не более 5°).

Рис. 1.

Средняя доля событий (в процентах) с безоблачной атмосферой для территории Республики Алтай (а) и района плато озера Хубсугул (б) по данным ночных измерений VIIRS/SNPP для восьми сезонов наблюдений с октября 2012 г. по март 2020 г. на высотах свыше 1500 м над уровнем моря и уклоном местности не более 5°.

Также по данным ночных измерений гиперспектрометра AIRS/Aqua получены средние оценки содержания водяного пара в атмосфере исследуемых зон. На рис. 2 показаны результаты этих расчетов, полученные в результате обработки архива спутниковых данных для 18 сезонов (с 2002 по 2020 г.). Анализировались данные для периодов активных фаз ночных наблюдений с октября по март.

Рис. 2.

Усредненное содержание водяного пара (кг ∙ м–2) в атмосфере ночью по данным AIRS/Aqua для территории Республики Алтай (а) и района плато озера Хубсугул (б) для 18 сезонов наблюдений с октября 2002 г. по март 2020 г.

Совместный анализ всей совокупности данных показывает, что наиболее подходящими для размещения полномасштабной гамма-обсерватории районами являются участки в западной части Чуйской степи (Республика Алтай, Россия) вблизи населенного пункта Кош-Агач (49.89° с. ш., 88.22° в. д.) и плато озера Хубсугул (аймак Хувсгел, Монголия) (51.6° с. ш., 99.3° в. д.). Здесь доля безоблачных событий равна соответственно 73 и 67%, содержание водяного пара незначительно и составляет 1.5–3 кг · м–2.

При этом следует отметить, что Чуйская степь является более предпочтительным регионом для размещения эксперимента в связи с лучшей транспортной доступностью и наличием необходимых объектов инфраструктуры.

Данные результаты подтверждают предварительные выводы, сделанные в нашей работе [12] с использованием данных VIIRS за два сезона (2019–2020 гг.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование астроклиматических условий региона Большого Алтая с целью первичного определения зон, наиболее подходящих для размещения полномасштабной гамма-астрономической обсерватории. По ночным данным радиометра VIIRS/Suomi NPP получено пространственное распределение доли безоблачных событий для восьми сезонов гамма-астрономических наблюдений с октября 2012 г. по март 2020 г. Дополнительно анализировалось пространственное распределение среднего содержания водяного пара в атмосфере исследуемых зон для 18 сезонов наблюдений с октября 2002 г. по март 2020 гг. Отбирались полигоны с высотой местности над уровнем моря не менее 1500 м и углом уклона поверхности в пределах 5° на площади свыше 10 км2.

Установлено, что в качестве возможных зон для размещения полномасштабной гамма-обсерватории по топографическим и астроклиматическим критериям наиболее подходят зоны в западной части Чуйской степи, а также плато озера Хубсугул. Удаленное расположение данных территорий от крупных агломераций и промышленных центров приводит к низкому уровню аэрозольного и светового загрязнения атмосферы. Средняя оценка содержания водяного пара в атмосфере рассматриваемых зон по данным AIRS/Aqua низкая и для периода с октября по март составляет 1.5–3 кг ∙ м–2. При этом доля безоблачных событий в районах Чуйской степи и плато озера Хубсугул согласно ночным измерениям VIIRS/SNPP за период с октября 2012 г. по март 2020 г. составляет 73 и 67% соответственно. Учет инфраструктурных особенностей (транспортная доступность, возможности по организации энергоснабжения, близость сельского поселения Кош-Агач и др.) делает более предпочтительным полигон в западной части Чуйской степи.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-52-44002).

Список литературы

  1. Di Sciascio G. // J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1263. Art. No. 012003.

  2. Кузьмичев Л.А., Астапов И.И., Безъязыков П.А. и др. // Ядерн. физ. 2018. Т. 81. № 4. С. 469; Kuzmichev L.A., Astapov I.I., Bezyazeekov P.A. et al. // Phys. Atom. Nucl. V. 81. P. 497.

  3. Буднев Н.М., Астапов И.И., Безъязыков П.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 81. № 8. С. 1049; Budnev N.M., Astapov I.I., Bezyazeekov P.A. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. P. 951.

  4. Hillger D., Kopp T., Lee T. et al. // BAMS. 2013. V. 94. P. 1019.

  5. Zhou L., Divakarla M., Liu X. et al. // Remote Sens. 2019. V. 11. Art. No. 698.

  6. Aumann H.H., Chahine M.T., Gautier C. et al. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2003. V. 41. P. 253.

  7. Лагутин А.А., Никулин Ю.А., Лагутин Ал. А. и др. // Выч. технол. 2007. Т. 12. № 5. С. 78.

  8. Parkinson C.L. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2003. V. 41. P. 173.

  9. Reuter H.I., Nelson A., Jarvis A. // IJGIS. 2007. V. 21. P. 983.

  10. Goldberg M.D., Kilcoyne H., Cikanek H., Mehta A. // J. Geophys. Res. Atm. 2013. V. 118. Art. No. 13463.

  11. Kopp T.J., Thomas W., Heidinger A.K. et al. // J. Geophys. Res. Atm. 2014. V. 119. P. 2441.

  12. Буднев Н.М., Волков Н.В., Лагутин А.А. и др. // Изв. Алтайск. гос. ун-та. 2020. № 4(114). С. 27.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал