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
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" 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
-
Атмосферная оптика. Труды совещания по атмосферной оптике. Москва. 1970 г.
-
П. В. Щеглов «Проблемы оптической астрономии», 1980
-
Курс практической астрофизики. Д.Я.Мартынов. 1977 год.