III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

СРАВНЕНИЕ ДВУХ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ЦВЕТА НЕБА. СОЗДАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТИ НЕБА
Волкова О.Н.
Автор работы награжден дипломом победителя первой степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение.

Состав атмосферы земли не постоянен, существует большое количество разнообразных частиц, аэрозолей, пыли которые постоянно присутствуют в атмосфере. В течение некоторого времени состав атмосферы меняется и для того чтобы решить экологические проблемы нахождение частиц должно выполняться хотя бы раз в день. Для этого используются разные методы. Мы будем использовать разработанный и апробированный нами метод,который лёг в основу изготовленной нами установки.

Цели и задачи.

Летом 2016 года я проводила сравнение двух способов измерения показателя сумеречного сегмента неба. Которые позволяли определить наличие в атмосфере аэрозолей и различного рода примесей. Из проведённой работы мы сделали вывод, что для получения информации о распределение примесей в атмосфере необходимо изготовить установку, которая сможет сканировать за не очень продолжительное время весь небосвод. Поэтому главной целью моей работы было изготовление и

проведение испытаний установкой для измерения яркости неба.

Для достижения этой цели мне необходимо было решить следующие задачи.

-изготовить прибор;

-провести испытания установки;

-произвести обработку полученного материала;

-сделать выводы из результатов обработки.

Автоматическая установка для определения яркости неба.

В состав установки входят:

- блок сканирования неба;

- блок реле управления;

- блок питания установки;

- усилитель постоянного тока;

- аналого-цифровой преобразователь;

- компьютер.

Блок сканирования представляет собой металлическую платформу с закреплённой на ней червячной передачей, в червячное колесо которой вставлена вертикальная ось. На торце этой оси крепится ещё одна червячная передача на оси её червячного колеса крепится трубка с объективом (D=15 мм.F= 130 мм.), в фокусе которого установлен принимающий свет фотодиод.

Вращение червяков обоих редукторов производится шаговыми двигателями. Время работы шагового двигателя осуществляющем вращение по азимуту задаётся реле времени. С помощью реле времени мы определяем, на какой градус будет происходить движение по азимуту. Работой второго шагового двигателя управляют фотодатчики (фотодиод – светодиод). Фотодатчики расположены так, что вращение трубки с принимающим фотодиодом происходит от горизонта до горизонта через зенит. На трубке с объективом размещён флажок он нужен для того чтобы сменить направление когда тот дойдёт до фотодиода. Блок реле управления включает в себя схемы управления шаговыми двигателями и релейные схемы автоматики. Блок питания обеспечивает установку необходимыми стабилизированными напряжениями ( 5В, 12В, 24В).Усилитель постоянного тока (многоступенчатый) собран на операционных усилителях (Схему усилителя). Коэффициент усиления меняется от 1 до 100000 раз. В качестве АЦП использован датчик напряжения постоянного тока (0 – 10В) от школьной «Цифровой лаборатории». АЦП – аналого-цифровой преобразователь, преобразует аналоговый сигнал в цифровой. В «Цифровой лаборатории» мы проводили измерение сигнала и сохраняли файлы в формате txt.(Рис.11).

(Рис.11) Фрагмент записи 3 сканов сумеречного сегмента неба

Работа с установкой

Установка устанавливается на открытой площадке. Блоки соединяются между собой с помощью кабелей с разъёмами. Включается блок питания, начинает работу шаговый двигатель по высоте. Когда трубка с принимающим фотодиодом займёт горизонтальное положение, сработает фотодатчик и шаговый двигатель сменит своё вращение на противоположное, этот же фотодатчик включит вращение шагового двигателя по азимуту, время работы которого контролирует реле времени (поворот по азимуту на 2-3 градуса). Когда трубка с фотодиодом повернётся на 180 градусов, сработает второй фотодатчик и двигатель по высоте опять сменит направление своего вращения. Этот цикл работы установки будет продолжаться до отключения установки.

Работа с установкой

Информация с измерительного фотодиода усиливается усилителем постоянного тока и через АЦП передаётся в компьютер, где принимается и записывается в общий файл программой школьной «Цифровой лабораторией».

Для выделения единичных сканирований, контакты реле по сигнала фотодатчиков меняющих направления вращения двигателя по высоте, отключают и включают прохождение сигнала от измерительного фотодатчика, в результате, сигнал записывается только при прямом направление, а при обратном записывается нулевой уровень сигнала.

Дальнейшая обработка файла производится в программе EPW.

Наблюдения.

Испытание установки я проводила в августе этого года во время крымской экспедиции АШ «Вега» в КРАО. 4, 8 11, 13 августа. 13 августа полученные данные нельзя обработать, так как было пасмурно.

Обработка результатов.

Первые результаты обработки полученных материалов подтвердили работоспособность установки.

С помощью программы EPW мы открыли каждый файл и отобрали сканы, в которых наибольший перепад высот относительно начала и конца скана. Они получены, когда сканирование проводилось ближе всего к солнцу и если мы построим из этих сканов индикатрисы, то увидим, что они имеют более точную форму.

Далее в EPW мы получали индикатрисы из формы, которых мы не только определили наличие загрязнений, в атмосфере земли, но и оценили размер частиц этих загрязнений и их химический состав.

Всего было получено 3 индикатрисы за 4, 8, 11 августа. Индикатрисы представлены на рисунках. На рисунке 12 индикатриса имеет симметричный вид: левый (передний) лепесток почти такой же, как правый. На рисунке 13передний лепесток более вытянут, чем задний в отношении 3:1, а отношение толщин лепестков 2:1. На рисунке 14 передний лепесток ещё более вытянут, чем задний в отношении 5:1 и отношение толщины 5:1, обратите внимание, что лепестки (особенно задний) в этот день не такие гладкие как на предыдущих рисунках.

Чтобы определить размер и состав загрязняющих частиц мы построили теоретические индикатрисы с помощью программы на языке Паскаль, использующую теорию Ми. Для этого я задавала в приложении длину волны, показатель преломления вещества и размер частицы. И с помощью программы EPW (Easy Plotfor Windows)мы построили графики. Мы получили индикатрисы для разных размеров частиц кремния, льда, воды и графита. После этого подобрали теоретические индикатрисы наиболее похожие на полученные во время наблюдений.

В ходе вычислений мы заметили, что форма всех индикатрис для частиц размером меньше 0.03 мкм почти одинаковая. И она похожа на индикатрису Релеевского рассеяния, т.е.рассеяния в чистой атмосфере. Значит, выделить только по форме индикатрисы присутствие мелких частиц невозможно.

Далее мы провели сравнение полученных во время наблюдений индикатрис с теоретическими. Наиболее похожая теоретическая индикатриса для 8 августа была получена для льда размером 0.09мкм. (Рис.16) 4 августа – для кремния размером 0.3мкм, так же можно заметить неровности на заднем лепестке, т.е. возможно в атмосфере образовалась смесь разных частиц и на теоретической индикатрисе мы видим неровности.(Рис.17). 11 августа индикатриса похожа на Релеевскую, т.е. скорее всего атмосфера в этот день была чистая (либо размер примесей был меньше 0.03 мкм).(Рис.15).

(Рис.12) Индикатриса, полученная 11августа. (Рис.15)Теоретическая индикатриса для графита размером 0.02мкм

(Рис.13) Индикатриса, полученная 8 августа. (Рис.16) Теоретическая индикатриса для льда размером 0.09мкм

(Рис.14) Индикатриса, полученная 4 августа.(Рис.17) Теоретическая индикатриса, для кремния размером 0.3мкм

Заключение.

В настоящее время я участвую в разработке установок по измерению яркости неба с автоматической сменной светофильтров и определению степени поляризации сумеречного сегмента неба.

Список литературы

  1. Атмосферная оптика. Труды совещания по атмосферной оптике. Москва. 1970 г.

  2. П. В. Щеглов «Проблемы оптической астрономии», 1980

  3. Курс практической астрофизики. Д.Я.Мартынов. 1977 год.