Глава 7

Турбуленция воздуха и потоки в трубе.

Иные источники аберраций никак не связаны с самим телескопом.  Они происходят от необходимости погружать инструмент в изменчивую оптическую среду. Свет астрономических объектов должен пройти сквозь турбулентный столб  воздуха, что простирается на многие километры от верхних слоев атмосферы до фокальной плоскости инструмента.

Мало что можно сделать наблюдателю-любителю с высокоатмосферной турбуленцией, но ее легко распознать с помощью звездного теста. Множество проблем описанных в этой главе, со временем исчезают сами собой, в частности те, что касаются охлаждения телескопа до температуры окружающей среды. Цель преследуемая здесь - научить вас отыскивать аберрации, происходящие от движения воздуха, избавляться от них настолько насколько это возможно, и понимать когда они уменьшаются. Изучая с помощью звездного теста поведение атмосферы в вашей местности позволит вам идентифицировать те редкие короткие периоды необыкновенно устойчивого изображения предпочтительного для больших увеличений.

7.1. Воздух как преломляющая среда.

Показатель рефракции воздуха очень близок к вакууму, но заметно отличается от него. При 0°C, сухой воздух давления на уровне моря имеет показатель рефракции 1.00029, в то время когда показатель преломления вакуума равен единице (CRC 1979). Столь малое различие, кажется, не стоит беспокойства, но волна, проходящая сквозь воздух внутри телескопа полутораметрового фокусного расстояния, тормозится, по сравнению с прохождением через вакуум,  приблизительно на 791 длину волны.

Предположив что воздух приблизительно идеальный газ и что дробная часть показателя преломления увеличивается линейно с ростом температуры, можно было бы вычислить интервал для малой разности температур. Вспомним что 0°C - 273°K в единицах измерения абсолютной температуры. Отсюда разница температуры в 1°K на расстоянии в 1.5 метра вызывает задержку в ⁷⁹¹/₂₇₃ длины волны на градус Кельвина, или около 2.9 длины волны /°K (1.6 длины волны на градус Фаренгейта). Теперь продлите трубу воздуха вверх через атмосферу на многие километры над головой, с каждым слоем различной температуры. Задержки распространения могут быть весьма велики.

Однако это не важно если луч света тормозиться одинаково. В конце концов, свет прошел достаточно долгий путь. Кто опечалится если он придет немножечко позже? Нас интересуют лишь изменения в направлении или время прибытия, когда свет попадает в различные части длинного тонкого цилиндра воздуха перед нашими инструментами. Мы обнаруживаем эти различия, когда видим изображения, ухудшенные плохой видимостью. Когда мы смотрим сквозь земную атмосферу, мы надеемся на единство давления и температуры, чего на самом деле никогда не бывает. Некоторые части волнового фронта находятся на  маленьком расстоянии позади других. Такие аберрации могут формировать  различия в интенсивности и видимом положении (т.е. «мерцание»), но их наиболее известный эффект в широких апертурах - растекание изображения.

В защиту неба, возможно, мы ждем  от него слишком многого, когда всматриваемся вверх, сквозь всю эту материю, и требуем совершенных изображений.  Ведь, общее давление атмосферы, как давление более 30-и футов воды. Разрешение меньше секунды дуги не может ожидаться со дна бассейна. И все же на самом деле такое разрешение наблюдается в заатмосферных изображениях.  В исключительные ночи атмосфера поражает нас становясь удивительно спокойной.

Все же, механизм создающий маломасштабные различия  в показателе преломления должен присутствовать до того как атмосферные эффекты станут проблемными. Воздух по своей газообразной природе не склонен сохранять различия в давлении или температуре – исключение составляет широкое расслоение, вызываемое гравитацией.  Воздух перемешивается усредняя различия пока не начинает преобладать слоевая однородность. Статисистическая негомогенность не сохраняется без перемешивания. Два наиболее интересных механизма для проверщиков телескопов - это атмосферная турбуленция и потоки в трубе.

7.2. Турбуленция

Если атмосфера изменяется медленно, турбуленция никогда не начнется. Однако, атмосфера зачастую вынуждается перемещаться быстро. Поскольку солнечный свет складывает часть энергии на поверхности земли он нагревает воздух непосредственно над собой. Положение становится нестабильным или «активным», и более плотный воздух опускается, чтобы заместить более теплый расположенный под ним. Он движется достаточно быстро чтобы вызывать турбуленцию.

Такой тип движения жидкости или газа называется нестабильностью «Рэлея-Тейлора». Полностью заполните пустую лимонадную бутылку и прикрыв отверстие игральной картой переверните. Осторожно уберите руку. Вода не выливается из сосуда (Уокер 1977). Если бы вы резко убрали карту, вы получили бы полную бутылку воды, висящую вверх ногами над воздушным пространством.

Вся вода не может вылиться немедленно.  Давление воздуха держит воду сверху тем же манером каким столбик ртути в барометре. Все молекулы воды держатся друг за друга поэтому они не могут упасть каждая по отдельности.

Быстрее чем человек может себе вообразить, случайные колебания поверхности  заставляют одну часть поверхности деформироваться слегка вверх другую слегка вниз. Это все что требуется.  Как только такой процесс начался, он становится самоуправляемым. Пузыри поднимаются и лопаются. Бутылка пустеет, но она опустошается не однородно. Нестабильности должны формироваться все снова и снова. Бутылка осушается шумно, легка ударяя в вашу руку.

Кстати сказать, нестабильность исчезает если достаточная внешняя сила поддерживает поверхностный уровень. С помощью карты поверхность ограничивалась структуральной силой бумаги. Тогда, когда отверстие уменьшается до ширины отверстия лимонадной соломинки, одно поверхностное натяжение жидкости обеспечивает достаточно силы, чтобы превзойти нестабильность. Вы можете поднять узкий столбик воды, просто заткнув верхушку соломинки.

Что касается атмосферы, никакая бутылка не ограничивает нестабильную область, но важно что здесь имеет место тот же самый процесс. Когда холодный воздух опускается неадекватности гарантируют, что  края опускающейся области не гладкие.  Снижение идет достаточно быстро, чтобы образовались маленькие завихрения, однако меньшие вихри не движутся со скоростью основной конвективной ячейки. И даже, еще много меньшие завихрения образуются у краев этих меньших воздушных водоворотов. В конце концов, вихри теряются в сложности. При некотором малом масштабе, модель коллективного движения разрушается и энергия переходит в нагрев. Все реалистические случаи течения жидкостей или газов, такие как русла рек и пространные конвективные ячейки, движутся макроскопически только в среднем. Когда рассматривается микроскопический уровень, они турбулентны.

7.2.1. Функция аберрации.

Статистические варианты волнового фронта  обыкновенно получаются от полуаналитических процедур. Эти процедуры, которые в основном опираются на формулу Гаусса для случайных вариантов, вполне годятся для вычисления продолжительных МПФ’ий и других особенностей связанных с шероховатыми поверхностями (Шрёдер 1987, стр.315). Однако они не позволяют нам вычислять внешний вид каждого единичного изображения. Они являются усредненным поведением многих таких шероховатых апертур.

Метод, использованный здесь чтобы сымитировать волновой фронт, называется рекурсивным алгоритмом среднего смещения. Он используется для создания удивительно реалистичных рекурсивных обзоров (Peitgen и Saupe 1988, стр.96; Mandelbrot 1983; Harington 1987). Он так же может передавать искусственный, псевдо-случайный волновой фронт только, что миновавший апертуру. Рекурсии поначалу применялись для дифракционных задач М.В. Берри в определяющей статье «Diffractals», где впервые появился рекурсивно-деленный фазовый экран (Берри 1979,1981). Метод используемый здесь лишь адаптация ранней статьи, в которой использовалась одномерная вариация среднего рекурсивного алгоритма с тем чтобы вычислить разрез образных дифракционных структур (Суитер 1986а).

Поскольку способ рекурсии должен заполнять область  двумерной сетки мы удобно можем проследить шаг за шагом всю итерационную процедуру.  Алгоритм начинается с четырех углов сетки размером 129х129 точек принятой случайно стать нулем высоты (рис. 7-1а). На рис.  7-1 показывается лишь положение точек; рекурсия перпендикулярна бумаге.

Для первой половины первой итерации (рис. 7-1b), смещение следующего более тонкого деления вычисляется как среднее предыдущих четырех установочных точек  расположенных по концам пунктирных кривых (для первой итерации это среднее – ноль) плюс или минус некоторое случайное отклонение (±Dz). Центральная точка принимается за эту величину. Эти точки, устанавливаемые только во время каждой полуитерации – черные; все им предшествующие точки белые.  Точки сетки 129х129, что еще только должны назначаться, не показаны.

Во время второй половины первой итерации  заполняются края. Четыре ближайшие точки усредняются снова, предполагая, что точки вне края области являются нулем, и к этому числу добавляется другая плюс или минус рекурсия.  На этот раз максимально возможная рекурсия до своего назначения, делится на Ö2. Заметьте, что каждый цикл завершенной итерации усредняет позиции точек сначала ориентированных на диагоналях до точки, что должна быть установлена и потом во второй половине усредняет под прямыми углами. По известным причинами этот алгоритм также может быть назван «*+» методом.

В начале второй итерации  максимально возможное смещение снова делится на Ö2, делая его ±Dz/2. В начале третьей итерации оно ±Dz/4, и так далее. Таким образом, размеры ячеек уменьшаются точно в такой же пропорции как максимальная рекурсия, создавая такие условия, что видимые случайные отклонения усредняются, чтобы быть такими же при любом масштабе. Это называется статистической самоподобностью, или независимостью масштаба от среднего поведения.

Окончательно когда завершается седьмая итерация (это была бы 15-ая рамка на рис.7-1, если рисунок был бы продолжен), вся сетка 129х129 определится. С такой точки зрения, завершив рекурсивный алгоритм, условия области напоминают циркулирующую атмосферу. Аберрации и передачи точек, удаленных более чем на 64 позиции от центральной точки, устанавливаются в ноль, и если имитируется вторичное зеркало, то же самое делится для всех точек внутри некоторого радиуса. Внешние части сетки 129х129 отрезаются как лишнее тесто от корки пирога. Тогда вычисляется статистика чистой апертуры, и RMS (среднеквадратическая) рекурсия масштабируется до величины требуемой индивидуальным вычислением.

а) начало                                                           b) начало первой итерации

c) первая итерация завершена                     d) начало второй итерации

e) вторая итерация завершена                     f) начало третьей итерации

Рис. 7-1. Порядок расстановки точек среднеточечного рекурсивного алгоритма. Здесь шероховатость происходит от бумаги.

Здесь могло бы возникнуть легкое недопонимание рис. 7-1.  Из-за своей поверхностной схожести с предыдущими рамками изображений читатели могут неверно предположить, что  эта нефизическая математическая процедура используется для вычисления изображения. Этот метод лишь имитирует случайную функцию аберрации на зрачке, не изображение. Изображение вычисляется по той же теории Гюйгенса-Френеля употребляемой в других главах (см. прил. B).

Физические причины определяют, что случайные изменения не остаются равными на всех масштабах. Фактически такое происходит с турбуленцией.  Характеристический масштаб ширины турбуленции, или около расстояния между «ударами», порядка 2-20 см., с хорошей оценкой 1 из 10-и см. (Roddier 1981, стр. 302; Schroeder 1987,стр. 314). Резкие деформации волнового фронта для слегка боковых движений не предсказываются. Огрубление волнового фронта слегка закругляется. Эта особенность имеет результатом хорошо известный эффект «малого телескопа», где мелкие инструменты, кажется, передают лучшие изображения, чем большие. Апертуры меньшие, чем 100мм смотрят сквозь порции волнового фронта которые ближе к плоскости. Турбуленция заставляет изображение скакать, но  время от времени оно выглядит хорошо обрисованным.

По этой причине алгоритм несколько модифицирован. К Ö2 уменьшающему каждую половину итерации, применяется подавляющий множитель. Делитель в этом случае становится Ö2q, где q подавляющий множитель. Для q >1, поверхность смягчается чтобы сделать большие вариации более заметными, с относительно подавленной мелко-масштабной шероховатостью. Поверхность напоминает мягкую гладкую бумагу вместо наждака. Подавляющий множитель использованный здесь между 1.1 и 1.6. Никто ни разу не пытался физически оправдать эту модель, но уменьшение более мелкомасштабных завихрений требует некоторого рода сглаживания. Изображения созданные с такими подавляющими множителями выглядят наиболее живо и этот реализм оправдывает их использование в изображениях представленных здесь[14]. Поскольку подавляющий множитель отличается от 1, поверхность более не самоподобна.

Другое изменение - метод управления наибольшим масштабом шероховатости. Мы бы могли ожидать, что турбуленция проявит себя по-разному в 24-дюймовом бегемоте и в маленьком рефракторе. В больших телескопах изображение меньше прыгает, и моментальное прояснение размытых изображений происходит не так часто. Для целей этой главы, наибольший масштаб шероховатости был установлен на значительной части апертуры. Таким образом, приведенные вычисления хороши для маленьких телескопов с апертурой около 200мм для наиболее частых случаев поведения турбулентного воздуха.

Несколько важных характеристик  этой рекурсивной аберрации коснуться качества нашей имитации. Во-первых поверхностное распределение идет не по Гауссу (кривая в форме колокола). Распределение поверхности  (показанное на рис. 7-2), выглядит как грубое приближение к кривой Гаусса, потому, что оно более или менее усеяно пиками, но ни при каких условиях оно не гауссовское и никогда таким не было, даже если продолжать итерации бесконечно. Что чаще, в поверхностном распределении находятся множественные пики. Такое необычное действие позволяет нам имитировать детали, которые вымываются из гауссовских моделей.

Во вторых, поверхность локально коррелируема. Поверхность с памятью позволит нашим изображениям включать реалистические изломы и выгибы. МПФ-ы представленные ниже, вычисляются по смоделированным «моментальным» поверхностям и продемонстрируют статистические вариации. Такая процедура дает нам важный вид, который не может быть достигнут, если бы мы строили МПФ-ы из продолжительных усреднений.

Одна особенность, компрометирующая этот алгоритм, была описана выше. Фиктивные наружные точки назначаются быть нулем, таким образом можно было бы ожидать некоторых необычных дисторсий по краю. Поскольку поверхность была предварительно обрезана, наихудшие эффекты обнаруживаются в четырех компасных направлениях  структуры ближайшей к тем краям. Дисторсии были видны на самом деле, но проблемные области были настолько малы, что эффект в дифракционных структурах проявился не без труда.

Рис. 7-2. Пример распределения «волновой фронт – высота» волнового фронта турбуленции, ось икс измеряется в единицах RMS величины шероховатости.

Рис. 7-3. Пример смоделированной аберрационной функции турбуленции воздуха.

Примерный турбулентный волновой фронт демонстрируется на рис. 7-3, с волновым фронтом для удобства поднятым на небольшое расстояние через апертуру. Наиболее удовлетворительный аспект этого образца – псевдослучайные складки бегущие по поверхности. Складки призваны моделировать поведение «тень-полоса» подлинных турбулентных воздушных потоков, которые вызывают искры и временные спики на изображении. Подавляющий множитель задействован, чтобы сгладить мелкомасштабную вариацию, которая становится более очевидной, когда сравнивается с аберрационной функцией для шероховатой поверхности основного зеркала в главе о шероховатости.  Поскольку ранние итерации поддавались существенному усовершенствованию, в функции аберрации появляются редкие случайные рябины.

Рис. 7-4. Двенадцать кривых МПФ сопряженные с 0.15 длины волны RMS турбуленции воздуха. Аберрационные функции вычисляются по рекурсивной модели описанной в тексте.

7.2.2. Фильтрация причиняемая турбуленцией.

Эти апертуры циркулярно не симметричны. Их способность сохранять контраст зависит от ориентации штрих-теста МПФ штрих-тесты. Отсюда МПФ для каждой из четырех сгенерированных поверхностей вычислялась вдоль трех осей. Все 12 таких МПФ кривых показаны на рис. 7-4. Использованная величина среднеквадратической аберрации, была около удвоенного  1/14 длины волны допуска Maréchal-а. Если посмотреть на рис. 7-2 и убрать RMS высоту с 0.15 длины волны, очевидно, что общая аберрация волнового фронта становится приблизительно в 4 раза больше этой величины или 0.6 длины волны. Эта аберрация примерно вдвое хуже допустимой для наблюдения с высоким разрешением, но такая аберрация никак не свойственна турбуленции воздуха. Зачастую видимость намного хуже.

Также заметьте экстремальную флуктуацию в высокочастотном конце графика. Поскольку кривая быстро вибрирует около этого конца, разрешение ограничивается приблизительно от ½ до 2/3 теоретического максимума для апертуры. В 200мм апертуре центральный размытый кружок имеет радиус около 1-1.5 угловых секунд.

7.2.3. Наблюдение турбуленции

В иллюстрациях сфокусированного изображения рисунка 7-5, смоделированная турбуленция соответствует 5-и по 1-10 шкале видимости Пикеринга, поскольку сфокусированный диск виден всегда, а дуги видны не часто. Это число аналогично оценке видимости «плохо». Иногда турбуленция куда как сильнее. Хорошее лунно-планетное изображение требует лучшего.

Рис. 7-5. Образцы изображения, вычисленные для турбуленции в 0.15 длины волны. Образцы совершенной структуры справа. Центральная преграда произвольно установлена в 20% апертуры. (Для описания меток на рисунках см. прил. D)

Рис. 7-6 прослеживает сфокусированное изображение, как аберрация турбуленции становится все менее вмешивающейся. Рис. 7-6а. Показывает длинные арки и вероятно колеблется между оценками Пикеринга 6 и низкой 7. Рис. 7-6b. Имеет оценку высокой 8, поскольку кольца совершенны, но все еще движутся. Рис. 7-6с. около высокой 9 или низкой 10, поскольку кольца устойчивы, диск четко определен, но слабые кольца все еще разрушаются. Даже при турбулентной деформации волнового фронта в 1/20 длины волны  видимость все еще имеет оценку 10 по 10-бальной шкале.

Рис. 7-6. Сфокусированные изображения в порядке ослабления турбуленции. Кольцевая структура восстанавливается.

Аберрация турбуленции легко отличима от аберраций:

1.        Она быстро движется. Менее чем за секунду вы видите абсолютно различные образцы структуры.

2.   Она сбалансирована с обеих сторон фокуса (несбалансированные аберрации могут изменять структуру, но они вызываются не турбуленцией)

3.        Если вытянуть окуляр из бесконечного фокуса, вы сможете сфокусироваться непосредственно на самих высокоатмосферных преградах. Они появляются как полосы или ячейки, движущиеся по расфокусированному изображению.

7.2.4. Корректирующее воздействие

Вы мало чего сможете сделать с высокоатмосферной турбуленцией, поскольку не можете до нее дотянуться. Высокая турбуленция больше функция климата, скорее всего, чем местный феномен. Однако вы можете завести журнал погоды и отслеживать условия, с целью найти какие-нибудь корреляции. В общем присутствие облаков или высокого ветра указывает на то, что излишняя энергия переносится поблизости в атмосфере и видимость плохая. Хорошая видимость не всегда связана с прозрачными ночами и может быть фактически отрицательно коррелирующей. Спокойные ночи обыкновенно туманны.

Местная видимость, или турбуленция присутствующая в пределах сотни футов от земли совсем другое дело. Местная турбуленция воздуха может быть вызвана термальными потоками от зданий или сооружений, которым все еще необходимо остыть от дневного нагрева.  Галька у вашего дома известна за свою способность долго остывать. Мощеный асфальт так же сохраняет тепло и избавляется от него медленно. По этой причине наблюдение над травой или над деревьями намного предпочтительнее чем наблюдение над домами или дорогами. Некоторые авторы отмечают повехи причиняемые наблюдением с грунта (Muirden 1974), который имеет свое воздействие если расположен близко к телескопу.

Лично я никого не имел никаких трудностей с турбуленцией поблизости от телескопа что не причиняется установкой телескопа непосредственно на асфальт или бетон. Одно исключение для этой общей ситуации, однако, если поблизости от наблюдателя находится вполне приличная печь или топка. Жар тела запросто может залететь через открытую трубу телескопа. Эта проблема не велика летом когда разница температур меньше но зимой она может доставить много вреда изображению. Полотняная ткань для открытой рамки трубы здесь может очень помочь.

Кое что за чем стоит проследить когда несколько людей наблюдают вместе чтобы те кто ожидают своей очереди не скапливались близь оптического пути телескопа, или с наветренной стороны. Нагретый воздух от их тел или дыханий может перехватываться приходящим лучом света. Если возможно, когда принимаете у себя людей на наблюдательной сессии, определите линию на подветренной стороне оптического пути. В конце концов, если вы вынуждены транспортировать ваш телескоп к месту наблюдения, позаботьтесь  припарковать машину или грузовик так чтобы воздух поднимающийся от разгоряченного двигателя не вмешивался в условия предшествующего наблюдения с использованием всокого разрешения.

7.3. Потоки в трубе

Воздух при различных температурах испытывает на себе влияние гравитации потому что более холодный воздух весит больше. Несдерживаемый внешними структурами, он образует конвекционные ячейки описанные выше. Воздух внутри наклоненной трубы склонен идти вслед за стенкой; горячий воздух с верхней части трубы  - холодный с нижней. Труба напоминает наклоненный дымоход. Когда воздух нагревается снизу трубы и становится менее плотным холодный воздух опускается по трубе и заставляет горячий подниматься вверх. Он поднимается чтобы залержаться в трубе с ее верхнего края и наконец выйти наружу.

У телескопа близкого или же атмосферной температуры, температурная разница не настолько велика чтобы вызывать потоки в трубе. Однако, когда телескоп только что выставлен наружу, тепловая инерция будет вызывать проблемы до тех пор пока инсрумент не достигнет окружающей температуры.  Толстое стекло объектива в частности склонно замедлять остывание.

7.3.1. Функция аберрации

Ясно, что каждый телескоп остывает по-разному. Какие-то из них имеют другие проблемы, которые могут затмить или изменить потоки в трубе, такие как горячая монтировка или наблюдательная площадка, что накопила за день тепло. Иные имеют трубы необычной формы или частичные трубы, что так же изменяют образцы смоделированные здесь. Все остывающие телескопы имеют неизбежно некоторое количество местно вызванной турбуленции. Какие-то телескопы имеют лишь коренастые коробки с зеркалом и никаких реальных труб, и эти так же рисуют другие структуры в образцах, чем приведенные ниже.

Шмидт-Кассегрены и рефракторы должны остывать только через их задние выходные отверстия или прямо через трубу излучающим или конвективным охлаждением.

Один Шмидт-Кассегрен, который я исследовал, показывал увеличение тени вторичного зеркала с одной стороны фокуса, и полосы параллельные краю вторичного зеркала с другой. Сначала, я подумал, что у него была расколота пластина корректора около установочного отверстия вторичного зеркала, но когда ориентация трубы изменялась, образец структуры всегда следовал в направлении «вверх-вниз». Возможно, чрезмерно было охлаждено зеркало или расколота пластина корректора. Также возможно, что проблему создал неравный тепловой эффект беспокоящий трубы Кассегренов.

Даже при том, что у каждого телескопа оно различно, поведение, смоделированное ниже, достаточно обычно в маленьких или среднего размера Ньютонах с круглыми трубами. Модель предполагает, что теплый воздух заключен в верхней стороне трубы и что его эффект должен затронуть волновой фронт только в этой верхней части, оставляя остальную часть оптического пути, сравнительно нетронутой. Такое поведение было описано в Главе 2 сравнением с переворачиванием страницы.

Модель, используемая здесь:

                 A_tube(x-0.3)³

W_tube(x) = ¾¾¾¾¾                                                (x>0.3)

                      (0.7)³

(7.1)

W_tube(x) = 0                                                                    (x£0.3)

Где x - линейная координата в  некотором направлении поперек поверхности с началом в центре апертуры. Значение x достигает 1 на краю апертуры.

Модель не позволяет вариаций в любом другом направлении кроме как по координате «вверх-вниз». Шероховатость не добавляется к эффекту потока в трубе, даже при том, что она конечно присутствует.

Аберрация изображенная поверх зрачка,  показывается на рис. 7-7, с направлением вправо - вверх.

7.3.2 Фильтрация Потоков Трубы

Снова, значение МПФ зависит от ориентации штрих -теста. Функция была рассчитана на три угла:"Вверх - Вниз", «Слева - Направо», и 45° наклон. Рис. 7-8 показывает два случая. ½-длинноволновый пример предельно допустимый по ухудшению качества. 1-длинноволновый случай строг, но и не необычен для телескопов, которые только что были перемещены из теплой среды.

Этот график МПФ обладает рядом интересных особенностей. Первый - внезапное снижение, и 45°-ной и горизонтальный ЧКХ. Резкое падение вызвано природой места возникновения аберрации. Крутой наклон аберрации отбрасывает много света от дифракционного пятна, воздействуя на пространственные частоты даже 1/10 максимума.

Рис. 7-7. Функция аберрации потока в трубе, смоделированная по зрачку апертуры.

Фильтрация, вызванная потоками в трубе

Доля максимальной пространственной частоты

Рис. 7-8. MTF для смоделированной аберрации потока в трубе. Показываются две различных аберрации. Каждая аберрация имеет три кривых, но ориентация штрихов «сверху - вниз» не приводит к какой бы то ни было деградации. MTFы "Сверху - Вниз" обоих значений аберрации составляют тождественный график на вершине совершенного образца.

Например, если бы Вы имели 200-мм апертуру, разрешающая способность для 5¢¢ деталей ухудшились бы заметно.

Во вторых, для некоторой кривой в каждом количестве отклонения, контраст не затрагивается. Размазывание изображения в вертикальном направлении не затрагивает разрешающую способность MTF мишеней (штрих - тестов, штрих - таблиц, шаблонов) с полосами ориентированными "сверху - вниз". Конечно, не включенная в модель шероховатость имела бы тенденцию немного разбивать эту симметрию.

7.3.3 Наблюдение Потоков в Трубе

Потоки в Трубе увидеть просто. Проблема находится в определении, действительно ли аберрация фактически вызвано потоком в трубе или она присутствует на стекле. Эти потоки могут быть примечательно устойчивыми. Вы бы могли подумать, что они будут танцевать и колебаться подобно высотной турбуленции. Образцы структур изменяются, но медленно, подобно язычку пламени свечи. Даже при том, что Вы можете знать наперед, что свеча это динамический процесс, в то время, когда непосредственно смотрите на огонь, Вы легко скользите в удобную точку зрения, что он неподвижен. Язычок пламени свечи, кажется, взгромоздился поверх фитиля.

Верно горячие телескопы кипят турбуленцией, но они не показывают этот эффект слишком долго. Поскольку телескоп охлаждается, крошечные температурные различия не поддерживают формирование массивно турбулентных воздушных масс. Воздушные движется вверх медленно и гладко. Он вяло дрейфует из стороны в сторону, но в любое заданное время, он относительно спокоен. Потоки в Трубе - всегда испытывают влияние гравитации, отсюда ориентация в направлении "Сверху - Вниз".

Вы можете легко определять ориентацию деформации волнового фронта заподозренного потока в трубе для рефракторов и инструментов в Кассегреновского типа, только не используйте прямоугольный отражатель в оптическом пути. Для рефлектора Ньютона, однако, определение угла изображения не просто. Причина, конечно, встроенное диагональное отражение.

Существуют два лекарства. Первое - должно использовать звезду находящуюся на меридиане. Направление может быть определено по западному дрейфу,  при выключенном часовом приводе (если таковой есть). Эта уловка не может использоваться для теста с искусственным источником. Для такого телескопа, простой целесообразностью будет выдвинуть окуляр далеко вне фокуса, а затем вставить кулак или другую преграду с известным часовым углом перед апертурой. Тогда направления вверх или вниз могут быть легко определены.

Образец дифракции, рассчитанный для полной аберрации 1 длины волны появляется на рис. 7-9. Образец ужат на одной стороне от фокуса и протянут на другой.

Как только Вы увидите признаки потока в трубе, удостоверьтесь, что проблема не заключена в чем либо другом. Сначала, измените ориентацию трубы. Определите линию трубы, вдоль которой направлено протяжение. Если никаких вешек на трубе не существует, сделайте небольшую метку на трубе, или прикрепите небольшой завиток изоленты. Потом, вращайте трубу под некоторым разумным углом. К сожалению, вилочная монтировка Шмидт-Кассегрена не может вращаться. Тогда перемещайте источник теста.

Потоки в Трубе будут все еще направляться вверх и вниз с каждой новой ориентацией, но они протянутся к различным положениям трубы. Другие огрехи, такие как исковерканная или поврежденная оптика, теперь показывают невертикальный наклон в окуляре.

поток в трубе ОВ=30% 10                         нормально ОВ=30% 10

Рис. 7-9. Образцы структур звездного теста 1-длиноволновой аберрации потока в трубе. (Совершенная апертура в колонке справа.)

7.3.4. Исправление потоков в трубе.

На самом деле потоки в трубе не столь серьезны в маленьких телескопах. Просто подождите пока телескоп не остынет до атмосферной температуры. Если температура окружающей среды изменяется столь сильно что телескоп никогда реально не поспеет за локальной температурой – атмосферные условия настолько не стабильны что изображение в любом случае будет отвратительным. Запаянные телескопы, в частности рефракторы, не показывают тех же эффектов потоков в трубе, что обыкновенны для  рефлекторов с открытой трубой. Рефракторы обычно делаются с металлическими трубами, что теряют тепло легко, поэтому они быстро остывают. Установив маленькие телескопы поздним вечером, имея достаточно времени для достижения атмосферной температуры, очень часто довольно для того чтобы избавиться от обсуждаемой проблемы.

Лишь наблюдатели которые находят потоки в трубе нежелательными и упорными относятся к тем что используют большие или особенно толстые объективы телескопов. Как то я работал на 16-дюймовом Ньютоне с зеркалом 3-х дюймовой толщины (отношение 1:5). Это зеркало требовало полночи чтобы остыть даже в относительно мягких условиях. Множество ночей оно и вовсе не остывало, но когда это происходило, зеркало показывало себя удивительно.

Такие зеркала на самом деле надо подготавливать задолго до того, как они потребуются к наблюдению. Перевозка в теплом автомобиле одна из самых плохих вещей что могут произойти в этом смысле с толстым зеркалом. И почти одинаково плохо хранение под навесом от солнца или в башне обсерватории. Оптимальная процедура открыть телескоп или башню рано вечером, заранее перед тем как инструмент понадобится. Если телескоп перевозится, постарайтесь избегать нагреваемых пассажирских мест в автомобиле. Вместо этого утащите его в трейлер или в зад грузовика. Иногда телескопы должны быть установлены на бетон или асфальт. Даже с верно стабилизированным инструментом труба может захватывать внешние потоки и выступать для них в роли проводника. В подобного рода ситуациях постарайтесь закрывать заднюю часть трубы Ньютона пластиковым пакетом и посмотрите не уменьшились ли аберрации.