VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изготовление метеорного патруля и некоторые результаты обработки полученных с ним изображений метеоров
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Здравствуйте! Меня зовут Добрыня Боголепов, я ученик Астрономической школы «Вега». Это учреждение дополнительного образования в микрорайоне Железнодорожный г. Балашиха. Мне 12 лет. Я представляю свою исследовательскую работу «Изготовление метеорного патруля и некоторые результаты обработки полученных с ним изображений метеоров». В моей научно-исследовательской работе я представляю изготовленный мною вариант метеорного фотографического патруля и некоторые результаты его испытания.
Вступление
Исследование метеоров позволяет лучше разобраться в нашей атмосфере, и в процессах, происходящих в космосе. «Падающие звёзды», или метеоры, ничего общего не имеют со звёздами. Звёзды, как и наше Солнце, являются огромными раскалёнными газовыми шарами и только из-за громадных расстояний до них они кажутся нам светящимися точками.
Метеорные тела входят в состав космического межпланетного вещества, окружающего Солнце. Метеорное вещество содержит материал, из которого когда-то сформировались планеты, кометы, астероиды. Благодаря ничтожным массам метеороидов, их состав и физико-химические свойства остались почти такими же, как при образовании планетной системы. Метеорные тела движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Вторгаясь в атмосферу со скоростями от 11 до 72 километров в секунду, метеорное тело или метеороид нагревается до нескольких тысяч кельвинов, испаряясь, оно ярко светится и вскоре прекращает самостоятельное существование. Свечение метеоров прекращается на высотах 70–80 километров, так как они полностью разрушаются. Плавление и испарение частицы происходит настолько быстро, что весь процесс разрушения длится доли секунды, реже – несколько секунд.
|
Рис. 1 Схема положения метеорного потока в Солнечной системе |
Наблюдателю метеоры представляются различными по цвету, по яркости, длине, угловой скорости полета и общему внешнему виду. Метеорные тела движутся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Различают одиночные метеоры (спорадические) и метеорные рои. Когда Земля пересекает такой рой, метеоры летят в атмосфере по почти параллельным путям и мы наблюдаем метеорный поток. Благодаря тому, что метеорные явления происходят достаточно близко к наблюдателю, вид метеоров и пути их движения подвержены перспективному искажению. В следствие этого кажется, будто бы метеоры вылетают из одной точки на небесной сфере. Эта точка называется радиантом.
В зависимости от положения радианта среди созвездий, ему присваивается название. Например, если радиант расположен в созвездии Ориона, то метеорный поток называется Ориониды.
|
Рис.2 Радиант метеорного потока |
Метеорные тела могут различаться по своему химическому составу. Их делят на три основные группы: каменные, железо-каменные и железные. Размеры метеоров могут меняться от 10мкм до 2 см. Масса метеора зависит от его блеска, метеоры с m = 5 имеют массу 0,01 г, а метеоры с m = -5 имеют массу до 100 г.
Наблюдения метеоров проводятся разными способами. Основные из них, это:
- визуальный
- фотографический
- телевизионный
- фотоэлектронный (ПЗС матрицы)
- радиолокационный.
При использовании фотографического метода широко используют метеорные фотографические патрули. Главная задача патруля иметь максимальный охват неба. Их устройство может быть различным, но основное, это обеспечить периодическое кратковременное перекрытие поля зрения фотоаппарата(ов) с частотой 10-20 раз в секунду.
Конструкция метеорного патруля
Существует несколько типов метеорных патрулей с разным количеством лопастей обтюратора и фотоаппаратов. Для проведения своего исследования я изготовил метеорный патруль с 4 фотоаппаратами (плёночными) и обтюратором с 4-мя лопастями.
Выбирая вариант конструкции я исходил из наличия в моём распоряжении:
1. Редуктора с электродвигателем со скоростью вращения выходного вала 3 об/мин.
2. Большого количества фотоаппаратов «Зенит-Е»
3. Объективов «Мир-1» F=37мм.
Кроме того, я хотел сделать его как можно компактней и простым в изготовлении.
Метеорный патруль состоит из :
- платформы с креплениями для фотоаппаратов
- механизм вращения обтюратора
- 4-х фотоаппаратов
Платформа с креплениями для фотоаппаратов представляет из себя лист толстой (12 мм.) фанеры (40х40см.) на котором закреплены узлы наведения и крепления для фотоаппаратов. В центральной части листа вырезано прямоугольное отверстие для установки механизма вращения обтюратора. Дело в том, что вибрация от прерывателя не должна оказывать влияния на фотоаппараты, поэтому обтюратор должен стоять на своей тяжёлой опоре. По углам платформы расположены юстировочные винты.
Четыре узла наведения и крепления фотоаппаратов представляют из себя отдельные прямоугольные фанерные пластины (150х60мм), которые длинной стороной шарнирно, с помощью рояльных петель, закреплены в центре каждого краях платформы. Наличие шарнирного соединения позволяет установить пластины под нужным углом относительно платформы.
|
Рис.3 Конструкция платформы патруля |
Для фиксации пластин под заданным углом я изготовил прямоугольные вставки со скошенными торцами. Через их центр пропущен винт. Напротив шарнирно закреплённых пластин в платформе прорезаны прямоугольные пазы. Через них пропускается винт вставки, в результате чего её можно перемещать вдоль паза. На скошенные края вставки опирается шарнирная пластина, с закреплённой на ней фотоаппаратом. Задав нужный угол, мы фиксируем положение вставки с помощью гайки с нижней стороны платформы.
|
Рис. 4 Узел крепления фотоаппарата под заданным углом |
Для того чтобы фотоаппараты не откидывались назад, при установке большёго угла наклона, платформы фотоаппаратов с помощью пружин или резинок, после установки заданного наклона, притягиваются к краю основной платформы.
|
Рис. 5 Платформа патруля с фотоаппаратами |
Конструкция обтюратора
В прямоугольном вырезе центра платформы устанавливается обтюратор, стоящий на собственной тяжёлой основе. Он представляет из себя двигатель выходной вал которого вращается со скоростью 3000 об/мин. Для уменьшения количества оборотов служит шестерёнчатый редуктор , скорость вращения выходного вала которого составляет 3 об/сек.
Для точного определения времени сгорания метеора необходимо не менее 10 прерываний его траектории в секунду. Для получения такового числа прерываний, в нашем случае 12 раз в секунду, у обтюратора должно быть 4 лопасти.
На выходном валу редуктора я установил планшайбу, на которой в свою очередь закрепил металлический диск. На нём, под углом 90 градусов друг к другу, закреплены 4 лопасти. Лопасти я сделал из фольгированного гетинакса (400х60мм). На свободном конце каждой лопасти я сделал отгиб вниз примерно на 30 градусов для перекрытия поля зрения фотоаппаратов при их малом угле наклона к горизонту. Так как наблюдения проводятся в темноте, то с целью безопасности я сделал световую индикацию. На каждой лопасти я вдоль её центральной оси равномерно расположил по 4 светодиода, в центральной части диска, на котором закреплены лопасти, батарейку. Светодиоды каждой лопасти включены параллельно и подключены к батарейке через установленный на краю этой лопасти геркон. На станине редуктора я установил магнит. При вращении обтюратора геркон каждой лопасти, проходя над магнитом, включает светодиоды. Яркость их небольшая, они расположены сверху лопастей и поэтому не оказывает влияния на фотоплёнку.
|
Рис. 6 Редуктор |
Работа с патрулём
Работу с патрулём лучше проводить на открытой площадке, чтобы окружающие деревья и строения минимальным образом заслоняли обзор неба. И необходимо отсутствие засветки от фонарей и окон строений. При наблюдении:
- располагаем установку на прочном основании;
- заряжаем плёнку в фотоаппараты и устанавливаем их регулятор экспозиции на «В» (ручная выдержка);
- закрываем объективы крышками;
- запускаем экспозицию и фиксируем её;
- закрепляем фотоаппараты на патруле задавая необходимый наклон к горизонту;
- начинаем экспозицию снимая крышки с объективов фотоаппаратов;
- проводим фотографирование в течении 30-40 мин;
- надеваем крышки и завершаем экспозицию.
Для повторной экспозиции:
- приводим фотоаппараты в горизонтальное положение;
- перематываем плёнку на один (экспонированный кадр);
- одеваем крышки на объективы фотоаппаратов;
- нажимаем кнопку запуска экспозиции и фиксируем её;
- устанавливаем фотоаппараты с необходимым наклоном к горизонту;
- начинаем экспозицию снимая крышки с объективов фотоаппаратов;
- проводим фотографирование в течении 30-40 мин;
- надеваем крышки и завершаем экспозицию;
- переводим фотоаппараты в горизонтальное положение и переводим кадр.
- при следующей экспозиции всё повторяется.
Наблюдения проводились в августе 18, 19, 26 числа и 9, 10 сентября 2018 г.. Было экспонировано 76 кадров с 4-х фотоаппаратов. При наблюдениях я использовал чёрно-белую фотоплёнку Fomapan 400 ед.
|
Рис.7 Общий вид фотографического метеорного патруля |
Обработка плёнки
Обработку плёнки я проводил так: в темноте я вынимал кассету с фотоплёнкой из фотоаппарата и заряжал плёнку в фотобачок. Заливал в бочок заранее приготовленный проявитель и проявлял плёнку в течение 6 минут, вращая плёнку. В своей работе я использовал проявитель Kodak Professional D-76. После этого я тщательно (не открывая фотобачок) промывал плёнку от проявителя холодной водой, и заливал в бочок фиксаж. Фиксирование плёнки я проводил в течение 15 минут. По окончании я промывал плёнку от фиксажа холодной водой, вынимал из бочка и высушивал.
Из каждой плёнки я вырезал отснятые кадры. Далее я сканировал их, и рассматривал на экране монитора с целью обнаружения метеоров. Мне крупно повезло, потому что на кадре, полученном на фотоаппарате №4 18 августа, я обнаружил сразу 2 метеора.
Определение положения радианта
Метеоры расположены на одном кадре плёнки, это даёт возможность определить положение их радианта. Для этого, отождествив звёзды и созвездия, попавшие на этот кадр, я перенёс траекторию их полёта на звёздную карту. Начертив продолжение их траектории в обратном направлении я увидел, что они пересекаются. Точка пересечения находится в созвездии Персея. Это даёт возможность говорить, что метеоры относятся к потоку Персеид, максимум активности которого приходится как раз на даты моих наблюдений.
|
Рис. 8 Определение радианта |
Получение фотометрических разрезов
Для построения графика динамики сгорания метеоров в атмосфере земли необходимо было произвести оцифровку кадра негатива с метеорами. Для этих целей у нас изготовлена автоматизированная установка на базе микроденситометра «Джойс Лейбел».
Установка состоит из:
- механизма перемещения предметного столика по осям X и Y с помощью шаговых электродвигателей.
- оптической схемы построения резкого изображения, на входной щели прибора, участка негатива закреплённого на столике.
- измеряющего свет фотодиода установленного за входной щелью прибора.
- усилителя
- АЦП (аналого-цифрового преобразователя)
- компьютера, с установленном на нём программой приёма данных с фотодиода.
В состав установки входит так же релейная схема осуществляющая сканирование негатива в автоматическом режиме.
На предметный столик установки укладывается негатив. С помощью регулировочных винтов устанавливается резкое изображение участка негатива на входной щели прибора. Задаём диапазон сканирования по оси Х, включаем схему управления автоматикой. Столик плавно перемещается слева направо при этом свет проходит через негатив и попадает на светодиод, сигнал с которого усиливается усилителем. Далее он измеряется и преобразуется в цифровой код с помощью АЦП и принимается компьютерной программой, которая строит график изменения сигнала с фотодиода на экране монитора.
|
Рис.9 Установка для фотометрирования негативов |
Переместившись на заданное расстояние, столик быстро перемещается в исходное состояние, при этом второй двигатель за это время перемещает столик в поперечном направление на 0,06 мм. Таким образом, мы сделали один фотометрический разрез.
Весь этот цикл работы будет повторяться нужное количество раз, т.е. пока мы не отсканируем нужный нам диапазон негатива.
Время получения 1 фотометрического разреза составляет 20 сек. Для сканирования всего кадра негатива с шагом 0,06 мм. требуется сделать порядка 500 разрезов, т.е. затратить около 3 часов.
Обработка фотометрических разрезов
Недостатком сканирования негатива на данной установке является то, что все фотометрические разрезы пишутся в один файл. В этом файле они разделяются между собой нулевым уровнем сигнала с фотодиода, когда столик возвращается в исходное состояние. Но для дальнейшей обработки необходимо весь файл, почти вручную, разделить на отдельные файлы содержащие по одному фотометрическому разрезу.
|
Рис.10 Пример 1-го фотометрического разреза |
Далее, с помощью программы «EPlot» в каждом фотометрическом разрезе я измерял значение фона (около метеора) и метеора. Эти значения я вносил в таблицу. После этого я вычитал полученное значение метеора из значения фона определяя, таким образом, яркость метеора в условных единицах (Емет.).
Следующей моей задачей было перевести полученные значения в звёздные величины. Для этого я должен был сравнить их с таким же образом определённой яркостью звезды (звёздная величина которой известна) находящейся на этом же негативе. Для этого, пользуясь атласом Михайлова, я провёл отождествление звёзд и созвездий, попавших на негатив. Я выбрал фотометрические разрезы, который пересекают трек звезды гамма Дракона, и по ним измерил значение звезды и фона. Эту операцию я провел несколько раз для разных разрезов пересекающих трек этой звезды в разных местах, что бы вычислить среднее значение звезды. Что бы получить значение звезды в у.е. (Езв.), вычитаем среднее значение звезды из среднего значения фона.
|
Рис.11 Схема измерения Емет. и Езв. |
Определения яркости метеора в звёздных величинах
Перейти от измеренных мною яркостей метеора в условных единицах к яркости метеора в звёздных величинах можно по формуле:
М мет. – М зв. = 2.5 Lg ( Е зв./ Е мет. * Т мет. / Т зв.)
Значения Е зв. и Е мет. я получаю из фотометрических разрезов трека звезды и метеора.
Значение Т метеор я определяю с помощью формулы :
Т метеор = Тэ. метеор / L метеор / 0.1мм = 0,58 / 11.95 / 0.1 = 0,00485 сек.
Тэ метеора я определил по формуле :
Тэ метеор = n/s = 7 /12 = 0,58сек.
Где n – количество прерываний следа метеора. S- количество оборотов лопастей обтюратора.
L метеора я определил , измерив длину трека метеора на кадре ,
а Т звезды c помощью формулы :
«Т звезды от эл-та = Тэк / L звезды / 0.1мм = 1800 / 4,74 / 0,1 = 37,31сек.»
В этих формулах мы используем коэффициент 0, 1мм – это отрезок взятый для метеора и звезды от длинны их треков, для того, чтобы уровнять действие света идущего от них на фотоэмульсию.
В качестве звезды сравнения была выбрана гамма созвездия Дракона (m=2,23) входящая в область сканирования яркого метеора.
В результате сканирования участка негатива с ярким метеором я получил около 156 фотометрических разрезов. На каждом из них я вычислил яркость метеора в з.в. и построил график динамики его сгорания.
|
Рис.12 Кривая динамики сгорания яркого метеора |
Аналогичную операцию я провел и для 2 метеора, он содержит всего 68 разрезов. Для него так же я построил график динамики его сгорания в з.в.
В качестве звезды сравнения была выбрана гамма созвездия Лиры (m=3,24) входящая в область сканирования 2-го метеора.
|
Рис. 13 Кривая динамики сгорания слабого метеора |
Выводы
Изготовленный мною метеорный патруль доказал свою работоспособность. Однако, в результате эксплуатации, обнаружено, что:
- Необходимо несколько дальше разнести друг от друга фотоаппараты, чтобы иметь возможность переводить кадры не переводя фотоаппараты в горизонтальное положение
- Необходимо добавить устройства, которые позволят осуществлять управление экспозицией каждого фотоаппарата с помощью фототросиков.
Получены фотографии 2-х метеоров
По дате их наблюдения и по характерной вспышке в конце траектории яркого метеора их можно отнести к метеорному потоку Персеиды. Что хорошо подтверждается проведённой мною работой по определению местоположения радианта.
Полученная кривая динамики сгорания яркого метеора позволяет примерно оценить его размеры и массу. Максимальная яркость метеора порядка m = -7 соответствует размеру 4-5 см и массе 150-300 г.
Список литературы:
Интернет-ресурсы: astronautica.ru›solnechnaya-sistema/meteory-i-…
stp.cosmos.ru›index.php…
xroniki-nauki.ru›fakty-nauki/meteory-kosmicheskie…
studbooks.net›537014/prochie_distsipliny/metody_…
П.Б.Бабаджанов. Метеоры и их наблюдение. Москва, «Наука», 1987 год.
А.К. Муртазов Мониторинг загрязнений околоземного пространства оптическими средствами – Рязанский государственный университет имени Есенина 2010 год.
Э.В. Кононович, В.И. Мороз Общий курс астрономии «Эдиториал УРСС» 2001 год.
П.Г. Куликовский Справочник любителя астрономии «Эдиториал УРСС» 2002 год.
О.Д. Докучаева Астрономическая Фотография, Материалы и методы «Физико-математическая литература» 1994 год.