Астроклиматические условия в районах расположения гамма-обсерваторий по данным спутниковых наблюдений
|
Введение 4
Глава 1. Температурный эффект пространственного распределения электронов ШАЛ 7
1.1. Метод функциональной чувствительности 7
1.2. Вариации пространственного распределения электронов ШАЛ,
вызванные изменениями температурного профиля атмосферы 9
1.3. Коррекция ФПР электронов ШАЛ на температурный эффект 10
Глава 2. Восстановление параметров атмосферы с использованием данных спутников дистанционного зондирования Земли 14
2.1. Дистанционное зондирование атмосферы Земли 14
2.2. Гиперспектрометр CrIS 16
2.3. СВЧ-радиометр ATMS 17
2.4. Радиометр VIIRS 18
2.5. Алгоритм восстановления общего содержания водяного пара в атмосфере по данным каналов NIR MODIS 18
2.5.1. Коэффициент спектральной яркости ПП атмосферы 18
2.5.2. Приближение 19
2.5.3. Основная идея алгоритма 19
2.6. Показания спутникового ИК-зондировщика 20
2.7. База данных атмосферных профилей водяного пара на основе измерений CrIS/ATMS 22
Глава 3. Результаты исследования 27
3.1. Вариации температуры атмосферы в районах расположения установок ШАЛ по данным гиперспектрометра AIRS/Aqua 27
3.2. Пространственное распределение доли безоблачных событий по данных спутниковых наблюдений для территории Республики Алтай 30
3.3. Вариации содержания атмосферного водяного пара в районах расположения гамма-обсерваторий по данным измерений приборов CrIS и ATMS 37
Заключение 40
Литература 42
Приложение А. Программный код для создания базы данных атмосферных профилей водяного пара на основе измерений CrIS/ATMS 45
Глава 1. Температурный эффект пространственного распределения электронов ШАЛ 7
1.1. Метод функциональной чувствительности 7
1.2. Вариации пространственного распределения электронов ШАЛ,
вызванные изменениями температурного профиля атмосферы 9
1.3. Коррекция ФПР электронов ШАЛ на температурный эффект 10
Глава 2. Восстановление параметров атмосферы с использованием данных спутников дистанционного зондирования Земли 14
2.1. Дистанционное зондирование атмосферы Земли 14
2.2. Гиперспектрометр CrIS 16
2.3. СВЧ-радиометр ATMS 17
2.4. Радиометр VIIRS 18
2.5. Алгоритм восстановления общего содержания водяного пара в атмосфере по данным каналов NIR MODIS 18
2.5.1. Коэффициент спектральной яркости ПП атмосферы 18
2.5.2. Приближение 19
2.5.3. Основная идея алгоритма 19
2.6. Показания спутникового ИК-зондировщика 20
2.7. База данных атмосферных профилей водяного пара на основе измерений CrIS/ATMS 22
Глава 3. Результаты исследования 27
3.1. Вариации температуры атмосферы в районах расположения установок ШАЛ по данным гиперспектрометра AIRS/Aqua 27
3.2. Пространственное распределение доли безоблачных событий по данных спутниковых наблюдений для территории Республики Алтай 30
3.3. Вариации содержания атмосферного водяного пара в районах расположения гамма-обсерваторий по данным измерений приборов CrIS и ATMS 37
Заключение 40
Литература 42
Приложение А. Программный код для создания базы данных атмосферных профилей водяного пара на основе измерений CrIS/ATMS 45
Вопрос о происхождении и химическом составе космических лучей сверхвысоких энергий (E > 1015) входит в число актуальных задач современной астрофизики. Изучение первичного космического излучения на протяжении длительного времени базируется на методе широких атмосферных ливней (ШАЛ). В рамках данного метода информация о частице первичного космического излучения восстанавливается на основе измерений характеристик порожденных ею в атмосфере Земли вторичных частиц.
Характеристики первичной частицы могут быть получены на основе измерений наземных гамма-телескопов, регистрирующих черенковское излучение ШАЛ. Так регистрация гамма-квантов черенковского излучения ШАЛ проводится телескопами обсерватории TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) [1]. По данным атмосферных черенковских телескопов TAIGA-HiSCORE восстанавливается энергия, направление и положение оси ШАЛ. На основе измерений установкой TAIGA-IACT формы черенковского изображения ШАЛ, проводится определение типа первичной частицы. Данный гибридный подход регистрации излучения [2] позволяет фиксировать гамма-кванты с энергией до 100 ТэВ. Для регистрации гамма-квантов больших энергий общая площадь обсерватории должна составлять ~ 10 км2.
Актуальность темы исследования обусловлена следующими фактами:
• Методы гамма-астрономии играют ключевую роль в современных исследованиях космических лучей сверхвысоких энергий и астрофизики элементарных частиц.
• В настоящее время ведется обсуждение проекта полномасштабной гамма-обсерватории с гибридной методикой регистрации излучения, схожей с реализованной на установке TAIGA. Целью новой обсерватории является регистрация гамма-квантов с энергией выше 100 ТэВ.
• Важным фактором при выборе места размещения обсерватории для проведения гамма-измерений является состояние атмосферы над данным районом. На этапе проектирования обсерватории необходимо определить участки с наименьшей частотой облачных событий, минимальным содержанием водяного пара и аэрозолей, а также низким уровнем светового загрязнения.
• Исследование астроклиматических условий в районах расположения гамма-обсерваторий может проводиться с использованием данных спутников дистанционного зондирования Земли.
Цель работы состоит в установлении районов, астроклиматические условия для которых наиболее пригодны для размещения полномасштабной гамма-обсерватории второй очереди проекта TAIGA, по данным спутниковых наблюдений.
Задачи решаемые в процессе работы:
• Определить вариации температуры в нижнем слое тропосферы на основе измерений гиперспектрального прибора AIRS.
• С использованием данных радиометра VIIRS необходимо установить пространственное распределение доли безоблачных событий в ночное время для территории Республики Алтай в период с октября 2017 по март 2018 гг., а также за аналогичный период 2018¬2019 гг.
• На основе данных о доле безоблачных событий и с учетом особенностей рельефа местности определить участки на территории Республики Алтай пригодные для проведения гамма-астрономических наблюдений.
• Разработать программный код для создания базы данных атмосферных профилей водяного пара на основе совместных измерений гиперспектрального прибора CrIS и СВЧ-радиометра ATMS. Провести создание баз данных атмосферных профилей.
• На основе измерений, усвоеных в базу данных, определить вариации среднемесячных значений содержания водяного пара в атмосфере над зонами, рассматриваемыми для размещения обсерватории второй очереди проекта TAIGA.
Структура работы следующая.
В первой главе излагается метод, позволяющий вносить поправки в пространственное распределение электронов ШАЛ на температурный эффект. Устанавливается влияние температурного эффекта ШАЛ на восстановление характеристик первичной частицы.
Во второй главе приведены сведения о приборах космического базирования, данные которых используются в исследовании. Также описан процесс создания базы данных атмосферных профилей водяного пара на основе измерений гиперспектрометра CrIS и СВЧ-радиометра ATMS.
В третьей главе излагаются результаты исследования астроклиматических условий в районах расположения гамма-обсерваторий.
В заключении содержатся основные результаты работы.
В Приложении приведен программный код для создания базы данных атмосферных профилей по данным измерений приборов CrIS/ATMS.
Характеристики первичной частицы могут быть получены на основе измерений наземных гамма-телескопов, регистрирующих черенковское излучение ШАЛ. Так регистрация гамма-квантов черенковского излучения ШАЛ проводится телескопами обсерватории TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) [1]. По данным атмосферных черенковских телескопов TAIGA-HiSCORE восстанавливается энергия, направление и положение оси ШАЛ. На основе измерений установкой TAIGA-IACT формы черенковского изображения ШАЛ, проводится определение типа первичной частицы. Данный гибридный подход регистрации излучения [2] позволяет фиксировать гамма-кванты с энергией до 100 ТэВ. Для регистрации гамма-квантов больших энергий общая площадь обсерватории должна составлять ~ 10 км2.
Актуальность темы исследования обусловлена следующими фактами:
• Методы гамма-астрономии играют ключевую роль в современных исследованиях космических лучей сверхвысоких энергий и астрофизики элементарных частиц.
• В настоящее время ведется обсуждение проекта полномасштабной гамма-обсерватории с гибридной методикой регистрации излучения, схожей с реализованной на установке TAIGA. Целью новой обсерватории является регистрация гамма-квантов с энергией выше 100 ТэВ.
• Важным фактором при выборе места размещения обсерватории для проведения гамма-измерений является состояние атмосферы над данным районом. На этапе проектирования обсерватории необходимо определить участки с наименьшей частотой облачных событий, минимальным содержанием водяного пара и аэрозолей, а также низким уровнем светового загрязнения.
• Исследование астроклиматических условий в районах расположения гамма-обсерваторий может проводиться с использованием данных спутников дистанционного зондирования Земли.
Цель работы состоит в установлении районов, астроклиматические условия для которых наиболее пригодны для размещения полномасштабной гамма-обсерватории второй очереди проекта TAIGA, по данным спутниковых наблюдений.
Задачи решаемые в процессе работы:
• Определить вариации температуры в нижнем слое тропосферы на основе измерений гиперспектрального прибора AIRS.
• С использованием данных радиометра VIIRS необходимо установить пространственное распределение доли безоблачных событий в ночное время для территории Республики Алтай в период с октября 2017 по март 2018 гг., а также за аналогичный период 2018¬2019 гг.
• На основе данных о доле безоблачных событий и с учетом особенностей рельефа местности определить участки на территории Республики Алтай пригодные для проведения гамма-астрономических наблюдений.
• Разработать программный код для создания базы данных атмосферных профилей водяного пара на основе совместных измерений гиперспектрального прибора CrIS и СВЧ-радиометра ATMS. Провести создание баз данных атмосферных профилей.
• На основе измерений, усвоеных в базу данных, определить вариации среднемесячных значений содержания водяного пара в атмосфере над зонами, рассматриваемыми для размещения обсерватории второй очереди проекта TAIGA.
Структура работы следующая.
В первой главе излагается метод, позволяющий вносить поправки в пространственное распределение электронов ШАЛ на температурный эффект. Устанавливается влияние температурного эффекта ШАЛ на восстановление характеристик первичной частицы.
Во второй главе приведены сведения о приборах космического базирования, данные которых используются в исследовании. Также описан процесс создания базы данных атмосферных профилей водяного пара на основе измерений гиперспектрометра CrIS и СВЧ-радиометра ATMS.
В третьей главе излагаются результаты исследования астроклиматических условий в районах расположения гамма-обсерваторий.
В заключении содержатся основные результаты работы.
В Приложении приведен программный код для создания базы данных атмосферных профилей по данным измерений приборов CrIS/ATMS.
Магистерская диссертация направлена на исследование астроклиматических условий в районах, рассматриваемых для размещения гамма- астрономической обсерватории, по данным спутниковых наблюдений.
Автором получены следующие результаты.
• На основе ночных измерений гиперспектрометра AIRS определены вариации температуры в нижнем слое тропосферы в районах расположения установок ШАЛ за период с октября 2017 по март 2018 гг. Установлено, что вариации температуры в данных районах могут достигать 30 К.
• Разработан программный код для создания базы данных атмосферных профилей водяного пара, полученных на основе совместных измерений спутниковых приборов CrIS и ATMS.
• Созданы базы данных профилей водяного пара для 6 лет наблюдений за период с марта 2015 по март 2020 гг.
• По данным радиометра VIIRS космического базирования найдено распределение доли безоблачных событий для территории Республики Алтай за период с октября 2017 по март 2018 гг., а также за аналогичный период 2018-2019 гг.
• С использованием данных о доле безоблачных событий и при учете особенностей рельефа местности определено, что западная часть Чуйской степи является районом пригодным для проведения гамма- астрономических наблюдений. Доля безоблачных событий в ночное время для данного района составляет 70%.
• C применением измерений базы данных профилей рассчитаны вариации среднемесячных значений содержания водяного пара для районов, рассматриваемых для размещения гамма-обсерватории. Установлено, что для района западной части Чуйской степи содержание водяного пара в атмосфере незначительно и равняется 1.5 — 2.5 кг/м2.
• На основе данных о высокой доле безоблачных событий и незначительном содержании водяного пара в атмосфере определено, что район западной части Чуйской степи является наиболее пригодным для размещения полномасштабной гамма-обсерватории.
Автором получены следующие результаты.
• На основе ночных измерений гиперспектрометра AIRS определены вариации температуры в нижнем слое тропосферы в районах расположения установок ШАЛ за период с октября 2017 по март 2018 гг. Установлено, что вариации температуры в данных районах могут достигать 30 К.
• Разработан программный код для создания базы данных атмосферных профилей водяного пара, полученных на основе совместных измерений спутниковых приборов CrIS и ATMS.
• Созданы базы данных профилей водяного пара для 6 лет наблюдений за период с марта 2015 по март 2020 гг.
• По данным радиометра VIIRS космического базирования найдено распределение доли безоблачных событий для территории Республики Алтай за период с октября 2017 по март 2018 гг., а также за аналогичный период 2018-2019 гг.
• С использованием данных о доле безоблачных событий и при учете особенностей рельефа местности определено, что западная часть Чуйской степи является районом пригодным для проведения гамма- астрономических наблюдений. Доля безоблачных событий в ночное время для данного района составляет 70%.
• C применением измерений базы данных профилей рассчитаны вариации среднемесячных значений содержания водяного пара для районов, рассматриваемых для размещения гамма-обсерватории. Установлено, что для района западной части Чуйской степи содержание водяного пара в атмосфере незначительно и равняется 1.5 — 2.5 кг/м2.
• На основе данных о высокой доле безоблачных событий и незначительном содержании водяного пара в атмосфере определено, что район западной части Чуйской степи является наиболее пригодным для размещения полномасштабной гамма-обсерватории.