Почему звезды мерцают? ;-)

[Максим Гераськин]

Мерцание звезд объясняется тем, что в воздухе постоянно существуют небольшие потоки и завихрения с разными плотностями и температурами (хотя эти различия невелики). Преломляющая способность такой воздушной среды различна в разных местах и изменяется со временем. Поэтому действие на свет можно уподобить суммарному действию большого числа очень слабых и подвижных линз, попавших на луч зрения. Быстрые, сильные мерцания вызываются сравнительно мелкими неоднородностями.

Такое объяснение мне кажется неудовлетворительным.
Что может сделать линза/призма с изображением звезды на сетчатке:
1)Расфокусировать. Однако, "размазывание" более одной минуты дуги - это как-то фантастично. Да и непонятно, почему расфокусировка должна восприниматься как мерцание?
2) Сместить.  Допустим. Ну и при чем тут мерцание ?

Ну так почему звезды мерцают? 

[zov]

Искажение волнового фронта?  

[SMGU]

Причина мерцания звезд - неоднородность воздуха и его движение. На практике, мерцание звезд увеличивается к горизонту. Это доказывает что на данное явление влияет атмосфера. Так как ближе к горизонту увеличивается наблюдаемый слой воздуха.

[Максим Гераськин]

Причина мерцания звезд - неоднородность воздуха и его движение.

Допустим. Однако механизм влияния неоднородности неясен.

На практике, мерцание звезд увеличивается к горизонту. Это доказывает что на данное явление влияет атмосфера. Так как ближе к горизонту увеличивается наблюдаемый слой воздуха.

На практике, мерцание звезд увеличивается к горизонту. Это доказывает что на данное явление влияет притяжение Земли. Так как ближе к горизонту увеличивается напряженносить гравитационного поля

[Pluto]

На самом деле объяснение в общем правильное. Атмосферные неоднородности представляют собой слабые линзы, в результате действия которых искажается плоский волновой фронт света, т.е. в небольших пределах изменяется СХОДИМОСТЬ пучка. Следовательно, количество света, попадающее в глаз, непрерывно меняется, что и вызывает мерцание.

Можно провести такую аналогию – перед очень удаленным фонарем некто поставил отрицательную линзу. Ясно, что количество света, излучаемое в сторону наблюдателя, уменьшится (увеличится расходимость пучка). Однако сам фонарь останется для наблюдателя точечным источником. Т.к. ввиду удаленности фонаря и линзы, лучи света на входе глаза наблюдателя практически останутся параллельными, глаз не заметит никакой расфокусировки. А вот видимая яркость фонаря уменьшится. Это также хорошо объясняет почему мерцание увеличивается с возрастанием дальности (для земных объектов).  Изменение сходимости пучка света на один и тот же угол вызывает бОльшие изменения количества света, попадающего в глаз, с ростом расстояния.

Кстати, нечто подобное можно наблюдать в темной комнате, разглядывая свет на стене от уличных фонарей, прошедший через оконное стекло. Все знают, что картинка на стене представляет собой узор из чередующихся темных и светлых полос, вызванный малыми отклонениями стекла от плоскости (т.е. своеобразными цилиндрическими линзами).

Особенность еще в том, что атмосферные линзы имеют малый характерный размер, распределены хаотически, очень быстро движутся и имеют вовсе не круглую форму. Мы всегда наблюдаем результат сложения от нескольких (многих) таких линз.  Если посмотреть на сильно расфокусированное изображение звезды в телескоп, вы увидите характерную теневую картину из быстро бегущих темных полос и пятен. В результате чего интегральная яркость изображения меняется. Увеличение апертуры телескопа приводит к бОльшему усреднению действия таких неоднородностей и мерцание уменьшается.

[The Cure]

А может тут виновата интерференция? Скажем два луча от звезды искаженые неоднородностями в атмосфере имеют разную длну пробега и встречаясь гасят друг друга или усиливают. И почему планеты не мерцают? Их размер тоже меньше разрешения глаза?

[Ernest]

А может тут виновата интерференция?

Да нет - геометрической оптики вполне достаточно для описания этого явления - см. то что написал Pluto. Для интерференции надо не только развести лучи (что имеет место на оптических неоднородностях атмосферы), но потом и свести, да еще так, чтобы они совпали по направлению (три воздействия).

И почему планеты не мерцают? Их размер тоже меньше разрешения глаза?

Потому-же, почему не мерцают звезды в телескопе сколь нибудь приличной апертуры. Скажем свет от планеты с размером 30 угл. сек. для того, чтобы попасть в глаз собирается с конуса (вершина в глазу наблюдателя), который на расстоянии 1 км будет иметь основание порядка 15 см, на расстоянии 10 км уже 1.5 метра! Типичный размер турбулентной неоднородности 30 см. И соответсвенно из влияние настолько сильно усредняется, что не дает возможности проявиться в виде мерцания.

[Максим Гераськин]

Типичный размер турбулентной неоднородности 30 см.

Т.е. в телескопы размером менее 30 см звезды мерцают?

[Ernest]

Т.е. в телескопы размером менее 30 см звезды мерцают?

Есть грубо говоря три степени деградации изображения звезд атмосферой в зависимости от апертуры инструмента:
(1) мерцание (в том числе и с окрашиванием)
(2) дрожание
(3) пульсация

30 см - это примерная граница между 2 и 3 степенью
граница между 1 и 2 степенью, как мне кажется, лежит в районе 30 мм (в любой бинокль звезды уже не кажутся мерцающими)

[SF]

Объяснение немерцания планет приводит к интересному выводу. Чем больше турбулентность, тем с более широкого атмосферного конуса происходит также и усреднение мерцаний звезд. Таким образом можно вывести полезную примету для практического наблюдателя - чем сильнее мерцания, тем лучше качество (структура) изображения, а чем мерцания слабее, тем качество изображения хуже...

:-Р

[Ernest]

> Объяснение немерцания планет приводит к интересному выводу.

Странно! Это как? Поскольку у звезд реальный угловой размер очень мал (у самых больших - сотые угл. сек.), то конуса не получается ни при каком раскладе - типичная трасса типа проволоки, от глаза наблюдателя через всю атмосферу. Проволока переменного сечения. Соответственно эту "проволоку" при сильной турбуленции тем сильнее колбасит (как по отклонению от прямой, так и по диаметру сечения), чем больше турбуленция. Отклонения воспринимаются как дрожь, изменение сечения - как мерцание. И то и другое не предвещает хороших условий для наблюдения планет.

[SF]

Ernest >> Странно!
Еще бы! Это довольно подлый и не совсем тривиальный вопрос... ;-\

Если у проволоки есть сечение - постоянное или переменное - то и усреднение будет иметь место. А сечение имеется обязательно - я приводил в незабвенной теме про "Объектив от ОСК в качестве объектива для рефрактора" картинку от Dr.Alexander.

Но можно обойтись и без картинки - например, просто вспомнить про угол атмосферного изопланатизма (обсуждался и на этом форуме в нескольких темах) - если бы трасса света звезды была "проволочной", такого понятия просто бы не существовало.

Итак: чем сильнее турбулентность, тем сечение воздушной "трубки"-трассы (и следовательно усреднение) больше, а суммарное мерцание меньше!

... Да, конечно, где-то тут специально зарыта собака. Сегодня времени на эксгумацию не имею, попробую через день-два. Если кто-нибудь не опередит...

[Ernest]

Это довольно подлый и не совсем тривиальный вопрос... ;-\

Увы, я такой большой глубины не вижу.

Если у проволоки есть сечение - постоянное или переменное - то и усреднение будет иметь место.

(1) думаю размер сечения по трассе примерно равен диаметру зрачка глаза наблюдателя (конусность связанная с угл. размерами практически нулевая, перепады в площади сечений - невелики) - то есть на порядок-два меньше размеров типичных турбулентных кластеров (как раз при упадке видимой яркости звезды диаметр пучка на "входе" в атмосферу меньше диаметра глаза, при увеличении - несколько больше, но не на порядки - амплитуда колебаний яркости звезд не кажется очень большой)
(2) размер сечения светового пучка попадающего в глаз от звезды переменен постольку поскольку проходит через среды с поперечным градиентом показателя преломления, но можно-ли предполагать, что трубка в областях с интенсивной турбулентностью раздувается до десятков см?

Но можно обойтись и без картинки - например, просто вспомнить про угол атмосферного изопланатизма

Какое отношение угол изопланализма имеет к теме видности звезд? Их угловой размер заведомо меньше этого угла.

Итак: чем сильнее турбулентность, тем сечение воздушной "трубки"-трассы (и следовательно усреднение) больше, а суммарное мерцание меньше!

Не думаю - см выше. А кроме того, перепады яркости и вызваны перепадами диаметров сечений световой трубки по трассе (точнее отношением диаметра у глаза и на входе в атмосферу) и во времени. Чем они больше (из-за турбулентности) - тем перерепады яркости выше.

Мне, кажется, Вы пытаетесь эффект второго порядка малости поставить по значимости перед основным.

[SF]

2Максим Гераськин:
А какой источник был процитирован? В цитате упомянуты только завихрения с разными плотностями и температурами.  Пульсации температуры воздуха сильно влияют на его показатель преломления, пульсации влажности могут оказывать влияние в пограничном морском слое, а вклад пульсаций давления незначителен. При этом давление упоминается, а влажность - нет. Это как-то сомнительно.

2Ernest:
Свободное время сдвигается на конец недели, сейчас я хочу сделать только одно замечание.

диаметр пучка на "входе" в атмосферу меньше диаметра глаза, при увеличении - несколько больше, но не на порядки - амплитуда колебаний яркости звезд не кажется очень большой
Не имею сейчас под рукой и привожу по памяти - в достаточно распространенном ДЯМовском курсе, том "Практическая астрофизика": амплитуда визуальных мерцаний - 10 при длительности 0.0005 с (2000 кГц), что объясняет незамечаемость глазом.

И еще один вопрос, не по причине врожденной злобности, но в отместку за отсутствия большой глубины и закопанной собаки.

Рассмотрим случай с наблюдением характерной теневой картины из быстро бегущих темных полос и пятен. (В вышеупомянутом Мартынове должны быть фотографии зеркала, освещенного светом звезды). Итак, полосы бегут. Мы на них смотрим - сначала просто так, а потом поступаем как Vitaliy - включаем вентиляцию. Какие при этом возникают мысли? (Приглашаются все желающие).

[Pluto]

Цитата SF:
>>Таким образом можно вывести полезную примету для практического наблюдателя - чем сильнее мерцания, тем лучше качество (структура) изображения, а чем мерцания слабее, тем качество изображения хуже...

Практический опыт наблюдений говорит об обратном, если мерцание очень сильное, то с высокой долей вероятности, изображения будут плохие и в телескоп.

По поводу физики мерцаний – интересная цитата из Уокера, “Астрономические наблюдения”:

Если апертура телескопа D и характерный размер неоднородностей r0 одного порядка (а величина r лежит в диапазоне от миллиметров до многих метров), то индекс мерцания в среднюю ночь составляет около 20%… Вклад турбулентного слоя в мерцание возрастает с увеличением высоты H над телескопом как H^5/6. В действительности за мерцание ответственны два основных слоя: примерно на 25% - слой на высотах 1-2км, и на 75% - тропопауза с нижней стратосферой (8-12км).
Если D>>r0, то влияние более низких турбулентных слоев радикально подавлено и основной вклад вносят уровни высотой от 8 до 15 км. Вклад турбулентных слоев  в мерцание возрастает с высотой как H^2 и уменьшается с ростом D как D^-7/3.
Большинство теоретических исследований мерцание основано на приближениях геометрической оптики, которое справедливо лишь до тех пор, пока наименьшие турбулентные ячейки могут еще считаться простыми линзами. Если же они слишком удалены от телескопа (на расстояние более 20км в случае 10см турбулентных вихрей), то преобладают дифракционные эффекты.  (Так что предположение aver1 имеет под собой некоторые основания.)

>>Мы на них смотрим - сначала просто так, а потом поступаем как Vitaliy - включаем вентиляцию. Какие при этом возникают мысли?

Вентиляция нужна не во время наблюдений, а до них,  с целью максимально быстро охладить зеркало. И уж никак повлиять на высотную атмосферную турбулентность она не может. Скорее всего будет только хуже.

[Ernest]

...объяснение мне кажется неудовлетворительным...
Ну так почему звезды мерцают?

Знаешь Максим, рабочая неделя прошла и голова освободилась для мыслей не связанных с куском хлеба.

Думаю, линзово-призменное объяснение действительно несколько ущербно и на основе чистой геометрической оптики объяснение будет неполным. Действительно, предполагая возможным рассеивание "линзами" света звезд настолько, что их яркость падает на порядок, следует ожидать симметричного эффекта - кратковременных повышению яркости примерно того-же порядка (хотя, возможно и реже). Но этого не наблюдается.

Возможно, aver1 высказал более верное предположение - спады яркости звезд связаны с чем-то типа интерференции. Имея в апертуре большое по площади запаздывание (дефект) волнового фронта на пол длины волны мы получим в фокусе падение освещенности из-за интерференции.

Это объясняет, почему мы видим только падение яркости звезд, но не возрастание.

Впрочем, "линзы" и "призмы" остаются при деле - именно они вызывают дефекты волновых фронтов.

С планетами так-же все более-менее так-же. Усреднение по полю функции корреляции по апертуре приводит к резкому уменьшению модуляции яркостного сигнала.

[Nazar]

Действительно, предполагая возможным рассеивание "линзами" света звезд настолько, что их яркость падает на порядок, следует ожидать симметричного эффекта - кратковременных повышению яркости примерно того-же порядка (хотя, возможно и реже). Но этого не наблюдается.

Наблюдается. Мерцание звезд выражается не только в падении их яркости, но и в возрастании. Своими глазами видел, честное слово.

[SF]

2Pluto:
>> предположение aver1 имеет под собой некоторые основания

И еще какие! Поэтому я и заимел на Ernest-а зуб (разумеется, виртуальный. Какой он на меня - не знаю), что это предположение было отвергнуто сразу, без обсуждения и вопрос был назван мелким.

Необходимо рассматривать возмущения в ближней и дальней зонах.

В ближней зоне достаточно геометрической оптики и мы имеем дело с упоминавшимися линзами и дефокусировкой.

В дальней зоне уже будет наблюдаться френелевская дифракция на тех неоднородностях, которые образуют атмосферный случайный фазовый экран. Треугольник расписывается как d^2 + h^2 = (h+л/2)^2,
d=sqrt(л*h) - если h=10км и л=0.5 мкм, то радиус первой зоны Френеля ~7см. Характерный масштаб бугущих теней зависит от высоты возмущающего слоя и составляет несколько сантиметров.

Обычно имеются несколько десятков слоев толщиной 3-20м с температурным отклонением 0.2-0.8К на различных высотах до средней стратосферы, но основная концентрация в районе тропопаузы на высотах 8-15км. Горизонтальный размер >100м, по вертикали эти слои могут искривляться на >10м.

>> за мерцание ответственны два основных слоя

Да! При этом нужно отличать [фотометрическое] мерцание и качество [структуры] изображения. За них отвечают различные атмосферные слои - приземный за структуру и верхний за мерцания - и поэтому корреляция между ними не так уж и очевидна.

Изопланатизм и вентиляцию я упомянул для того, чтобы подвигуть обсуждение к наличию "конуса" (раз мы имеем волновую оптику и дифракцию) и, соответственно, отсутствию "проволоки".

Кстати, во время наблюдений вентиляция нужна - в теме "Активное охлаждение телескопа Ньютона" правильно указано, что зеркало не успевает изменять свою температуру вслед за окружающей средой. Желательна же разность (по памяти) не более 0.2 градуса. Поэтому нагревающийся от зеркала воздух просто сдувают ламинарной струей. На последних телескопах 4-м класса воздух нагнетают в окружающий главное зеркало по краю кольцевой шланг с небольшими боковыми отверстиями, а откачивают в центре зеркала через отвод в кассегреновском фокусе.

[Ernest]

И еще какие! Поэтому я и заимел на Ernest-а зуб (разумеется, виртуальный. Какой он на меня - не знаю)

Высота зуба теряется за облаками.

В дальней зоне уже будет наблюдаться френелевская дифракция...

Да, возможно, Вы тут правы, а я притормозил. Надо бы прикинуть масштаб френелевской дифракции на дальней турбулентной зоне. Скажем при экранировании звезд Луной (вот экран так экран!), колебания яркости звезд перед полным гашением очень и очень незначительны.

Тем не менее, мне по прежнему остается непонятной ваша фраза "чем сильнее мерцания, тем лучше качество (структура) изображения". Ни моя наблюдательная практика, ни мое понимание влияния турбуленции (даже с Вашей поправкой) - не согласуются с этим высказываением.

Если это была ирония по поводу моего объяснения немерцания планет, то укажите на ошибки.

Да! При этом нужно отличать фотометрическое мерцание и качество структуры изображения. За них отвечают различные атмосферные слои - приземный за структуру и верхний за мерцания - и поэтому корреляция между ними не так уж и очевидна.

Отчего-же? Даже если просто наложить теневой рисунок (с уже упомянутым характерным размером деталей в несколько см) на апертуру телескопа (род негативной аподизации - функция распределения обобщенной интенсивности по вх. зрачку), мы будем иметь разваленную дифракционную картину с ростом пятна рассеивания вплоть до размера картины Эри от апертуры размера этих неоднородностей (лучи при этом могут тянуться много дальше). И это без учета волновых дефектов!

[Pluto]

>>При этом нужно отличать [фотометрическое] мерцание и качество [структуры] изображения. За них отвечают различные атмосферные слои - приземный за структуру и верхний за мерцания - и поэтому корреляция между ними не так уж и очевидна.

В той литературе, которую я просмотрел по этому вопросу, действительно отмечается, что “мерцание” и “дрожание” вызываются разными атмосферными слоями.

>>Поэтому нагревающийся от зеркала воздух просто сдувают ламинарной струей. На последних телескопах 4-м класса воздух нагнетают в окружающий главное зеркало по краю кольцевой шланг с небольшими боковыми отверстиями, а откачивают в центре зеркала через отвод в кассегреновском фокусе.

В любительских условиях, когда используются компьютерные вентиляторы - струя  существенно не ламинарная. Ламинарную струю еще надо получить. Уверяю Вас это не так просто. В аэродинамических дозвуковых трубах для этого ставят сложную систему решеток для “выравнивания” потока.  Скорее всего оптимальный режим для любителя – периодическое “продувание” трубы в перерывах между наблюдениями. В профессиональных, крупных телескопах наверняка предприняты специальные меры для “ламинаризации” воздушного потока системы охлаждения зеркала и трубы.
Впрочем, влияние турбулентного, но однородного по температуре потока воздуха в трубе любительского телескопа может быть пренебрежимо малым.