Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Фотометрія і кінематика метеорів за телевізійними спостереженнями

01.03.03 - Геліофізика і фізика Сонячної системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Козак Павло Миколайович

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в НДЛ “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, м. Київ.

Науковий керівник:доктор фізико-математичних наук, професор

Кручиненко Віталій Григорович,

НДЛ “Астрономічна обсерваторія"

кафедри астрономії та фізики космосу

фізичного факультету,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка.

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Шульман Леонід Маркович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України,

головний науковий співробітник

відділу експериментальної астрофізики і оптики атмосфери;

доктор технічних наук, професор

Волощук Юрій Іванович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

професор кафедри основ радіотехніки

радіотехнічного факультету.

Провідна установа:НДІ “Астрономічна обсерваторія”

Одеського національного університету

імені І.І. Мечникова МОН України, м. Одеса.

Захист відбудеться 17 березня 2006 р. На засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою:

ГАО НАН України, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ГАО НАНУ за адресою

ГАО НАН України, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Автореферат розісланий “10” лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наукВасильєва І.Е.

АНОТАЦІЯ

Козак П.М. Фотометрія і кінематика метеорів за телевізійними спостереженнями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.03 - Геліофізика і фізика Сонячної системи. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2005.

Розроблено методику кінематичної та фотометричної обробки результатів базисних телевізійних спостережень метеорів, представлених у цифровій формі. Методика включає: проведення аналізу та дослідження ефективності застосування різних астрометричних редукційних моделей, мінімізацію похибок астрометричних обрахунків; розробку власного методу обчислення параметрів траєкторії метеора в атмосфері Землі та елементів його геліоцентричної орбіти; обчислення похибок всіх шуканих параметрів статистичними та чисельними методами; розробку власної відкаліброваної фотометричної системи та розрахунок зоряної величини метеора вздовж його видимої траєкторії шляхом здійснення експерименту “штучний метеор”, здійснення усіх необхідних корекцій; розробку відповідного програмного забезпечення.

Розроблену методику було застосовано для обробки результатів спостережень метеорів потоку Леонід 2002 року. Отримано параметри траєкторії 28 метеорів та елементи їх орбіт. Зареєстровано три метеори з висотами появи 140-150 км. Виділено 11 метеорів, що спостерігалися на протязі години під час піку активності потоку, та які утворюють компактний метеороїдний згусток з середніми координатами радіанта , .

Ключові слова: метеори, базисні телевізійні спостереження метеорів, фотометрія метеорів, параметри траєкторії та елементи геліоцентричної орбіти метеорів, точність визначення характеристик метеора, притік космічної речовини на Землю.

АННОТАЦИЯ

Козак П.Н. Фотометрия и кинематика метеоров по телевизионным наблюдениям. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.03 - Гелиофизика и физика Солнечной системы. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины. - Киев, 2005.

Разработана методика кинематической и фотометрической обработки результатов базисных телевизионных наблюдений метеоров, представленных в цифровой форме. Методика разрабатывалась и апробировалась на результатах оригинальных наблюдений метеоров, регистрируемых высокочувствительными телевизионными системами с передающими трубками типа супер-изокон.

Исследована возможность применения и эффективность различных астрометрических редукционных моделей в условиях обрабатываемого материала, определены критерии минимизации погрешностей вычислений экваториальных координат метеора. Получено, что наиболее эффективным при обработке широкоугольных телевизионных изображений является метод шести постоянных. Применение функций типа гауссианы или лоренцианы для аппроксимации фотометрических контуров изображений звезд сравнения и метеора поднимает астрометрическую точность на 1 угловую минуту дуги. Определено, что максимальная точность определения экваториальных координат метеора при размере пикселя 4 составляет 1.5-3.5.

Разработанный метод определения параметров траектории метеора в атмосфере Земли и элементов его гелиоцентрической орбиты построен исключительно на основе векторного анализа. В качестве основной используется геоцентрическая прямоугольная система координат. Метод ориентирован, в основном, на обработку оцифрованных телевизионных изображений метеоров, но может быть также применен для обработки любых астрономических изображений, полученных современными средствами наблюдения. Для определения погрешностей всех искомых параметров каждого метеора применен метод Монте-Карло. Средняя точность определения экваториальных координат радианта метеора составляет 0.1, высоты 0.2 км, скорости 0.5-2 км/с.

Фотометрическая обработка метеора включает в себя: создание и калибровку собственной наблюдательной фотометрической системы, преобразование для корректного использования каталожных звездных величин V или B, учет атмосферного поглощения, экспериментальное определение фотометрической погрешности за различную чувствительность катода по полю зрения, построение калибровочных кривых и определение звездной величины метеора. Фотометрия осуществляется путем привязки изображений метеора к следам подвижных изображений звезд, получаемых путем вращения телевизионной камеры. Средняя точность фотометрии метеора составляет около 0.^m2.

Методика была апробирована на результатах наблюдений метеоров потока Леонид в 2002 году, во время кратковременного метеорного шторма. Было обработано 28 поточных метеоров. Определены все параметры траектории, элементы орбит и звездные величины максимуме блеска. Зарегистрированы три метеора с аномально большими высотами появления: км, км и км. Выделен компактный метеорный сгусток из 11 метеоров, наблюдавшихся на протяжении часа во время максимума шторма. Определены его средние координаты радианта , , аргумент перигелия и наклон орбиты . Определено, что количество метеоров потока Леонид с массами не менее ~ кг, которые пересекают горизонтальную площадку радиуса 100 км² на высоте 100 км за один час при радианте в зените составляла в пике 1400, что соответствует пространственной концентрации частиц в метеорном рое км^-3.

Ключевые слова: метеоры, базисные телевизионные наблюдения метеоров, фотометрия метеоров, параметры траектории и элементы гелиоцентрической орбиты метеоров, точность определения характеристик метеора, приток космического вещества на Землю.

ABSTRACT

Kozak P.M. Photometry and kinematics of meteors from TV observations. - Manuscript.

Thesis for a canditate's scientific degree by the speciality 01.03.03 - Heliophysics and Solar system physics. - Main Astronomical Observatory of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The methods for kinematical and photometric processing of the double-station meteor TV observational results presented in digital form are developed. The methods include: carrying out of the analysis and investigation of efficiency for the application of different astrometry reduction models, minimization of astrometry calculation errors; development of the original method for determination of trajectory parameters of a meteor in Earth's atmosphere and its heliocentric orbital elements; computation of the errors of all investigated parameters for each individual meteor with the help of statistical and numerical methods; development of the original calibrated photometrical system and calculation of the meteor magnitude along its visible trajectory by means of the experiment “artificial meteor”, realization of all necessary corrections; development of the appropriate software.

The carried out methods was applied to process the meteor observational results of Leonid shower in 2002. Trajectory parameters of 28 meteors and their orbital elements were obtained. Three meteors with begin heights of 140-150 km ware registered. 11 meteors, which were observed during one hour at peak of meteor shower activity and which compose a compact group with mean radiant coordinates , have been selected.

Key words: meteors, double-station TV observations of meteors, photometry of meteors, trajectory parameters and heliocentric orbital elements of meteors, precision of meteor characteristics determination, influx of cosmic matter to the Earth.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження метеорів на сьогодні є актуальною задачею, важливою не лише для фундаментальної науки, але і ряду її прикладних аспектів. Вивчення фізики метеорів дає уявлення про характер взаємодії частинок макроскопічних розмірів із швидкостями, недосяжними в лабораторних умовах (~11-73 км/с), з атмосферами планет. Результати такого роду досліджень можуть бути використані і використовуються для розв'язання проблеми перегріву обшивки космічних апаратів при їх входженні в густі шари атмосфери Землі та інших планет чи їх супутників. Вивчення розподілу та еволюції метеорних орбіт у Сонячній системі вносить свій вклад у космогонію, зокрема дає можливість встановити генетичний зв'язок з тілами, що їх породжують. Достатньо актуальною на сьогодні є проблема захисту космічних апаратів від метеороїдів, що можуть при зіткненні із штучними супутниками Землі викликати їх корозію, розгерметизацію чи руйнування [5]. Одним з основних засобів дослідження метеорної речовини є оптичні спостереження метеорів.

Практичну цінність результати спостережень метеорів мають тоді, коли ведуться одночасні спостереження однієї області атмосфери з двох пунктів. У цьому випадку, при застосуванні відповідної методики обробки спостережних даних, отримуються такі важливі кінематичні характеристики метеора, як висота його появи та зникнення над рівнем моря; дальність до пунктів спостереження; екваторіальні координати геоцентричного та геліоцентричного радіанту, і відповідно напрямку вектора швидкості; модуль геоцентричної та геліоцентричної швидкості метеороїда; зенітна відстань радіанта, або кут входження метеороїда в атмосферу; параметри його геліоцентричної орбіти, а саме величина великої півосі, ексцентриситет, кут нахилу, аргумент перигелію і довгота висхідного вузла орбіти метеороїда. В результаті фотометричної обробки спостережних даних отримується зоряна величина метеора, як характеристика інтенсивності його випромінювання вздовж траєкторії в атмосфері Землі, яка дає можливість розрахувати його масу, та при деяких припущеннях густину.

Основним джерелом найточніших спостережних даних про метеори на сьогодні є каталоги результатів фотографічних спостережень, які на даний момент практично не проводяться, за винятком болідної європейської мережі [24]. Кількість каталогізованих орбіт, отриманих з фотографічних спостережень протягом останніх 50 років на сьогодні складає близько 4500 [25-27]. Даних про результати фотометричної обробки спостережень метеорів набагато менше. Така відносно мала кількість результатів фотографічних спостережень обумовлена не лише складністю проведення базисних спостережень та обробки спостережних даних, а і тим фактом, що фотографічний метод дає змогу реєструвати лише метеори, яскравіші +3^m, кількість яких відносно невелика.

Телевізійний метод спостережень, який в метеорній астрономії почав розвиватися відносно недавно - з 70-80-х років минулого століття - дозволяє реєструвати значно слабкіші метеори - порядку +6 - +8 зоряної величини. З 90-х років почалося використання нових телевізійних систем, побудованих на композиції приладів з зарядовим зв'язком (ПЗЗ) та електронно-оптичних підсилювачів. Відтак, до світової спільноти, що проводила телевізійні спостереження з 80-х років приєдналися нові групи дослідників, що ведуть відносно регулярні телевізійні спостереження. На сьогодні це групи з Канади [28, 29, 30], України [31, 16, 11, 2], дві групи з Японії [32, 33] та [34], команди з Чехії [35, 36], Німеччини [37], Іспанії [38], США [39, 40], Китаю [41], Росії [20], Ізраїлю [42], Голландії [43] та Європейського космічного агентства [44]. Однак, кількість опублікованих даних наразі менша від фотографічних. Каталоги публікуються епізодично, і відповідно до міжнародного центру метеорних даних кількість обчислених орбіт складає трохи більше аніж 2500 [26]. Основною причиною є складність методики обробки спостережних даних, яка вимагає багато зусиль та затрат часу. Розвиток обчислювальної техніки за останні десятиріччя дає надію на збільшення ефективності обробки результатів спостережень, однак ставить нові вимоги до методики кінематичної та фотометричної обробки результатів телевізійних спостережень метеорів. Таким чином розробка методів, уточнення методики цифрових вимірів та розробка відповідного програмного забезпечення є актуальною задачею метеорної астрономії сьогодення.

Оскільки задачі, які вирішуються при використанні результатів телевізійних спостережень, наприклад, дослідження розподілу та динаміки метеорного комплексу навколо Землі та в міжпланетному космічному просторі, розподілу метеороїдів у метеорних потоках за масами, прогнозування метеорної активності, оцінки імовірності зіткнення з метеороїдами штучних супутників Землі та міжпланетних місій вимагає знання не лише якісних, а й кількісних характеристик метеорів, не менш актуальною є задача обчислення похибок, чи довірчих інтервалів для всіх параметрів метеора, що розраховуються за спостережними даними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота, покладена в основу дисертації, виконувалась у відділі малих тіл Сонячної системи Астрономічної обсерваторії Київського національного університету імені Тараса Шевченка згідно з планами наступних науково-дослідних робіт.

1. НДР “Астероїдно - кометна небезпека та взаємодія космічних тіл з атмосферами планет та сонячною радіацією”, № 97002, держ. Реєстраційний № 0197U003012, як складової комплексної наукової програми КНУ “Фізичні та метричні властивості Всесвіту, його походження і еволюція, 1997 - 2000 рр.

2. НДР Астероїдно - кометна небезпека, фізика комет, взаємодія космічних тіл з атмосферами планет та доплив космічної речовини на Землю”, № 01БФ023 - 03, держ. реєстраційний № 0101U002167, як складової комплексної наукової програми КНУ “Астрономія та фізика космосу”, 2001 - 2005 рр.

3. НДР “Розробка та створення системи спостережень тіл Сонячної системи, потенційно небезпечних для Землі”, № 01ДФ023 - 02, держ. реєстраційний № 0101U005772 в рамках договору між КНУ та МОН України, 2001 - 2003 рр.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи - розробка методики цифрової кінематичної і фотометричної обробки результатів базисних телевізійних спостережень метеорів та проведення апробації цієї методики на результатах оригінальних базисних спостережень метеорних потоків. Для досягнення зазначеної мети треба було розв'язати наступні задачі.

1. Проаналізувати можливість застосування та ефективність наявних астрометричних редукційних моделей в умовах обробки оцифрованих записів телевізійних спостережень метеорів. Оцінити точність такої обробки та перевірити адекватність похибок обчислень внаслідок застосування для астрометричної обробки засобів регресійного аналізу.

2. Проаналізувати наявні методи кінематичної обробки метеорів за фотографічними спостереженнями та розробити власний метод, оптимальний для вимірів необхідних даних у оцифрованих телевізійних кадрах, що передбачав би як обчислення параметрів траєкторії метеора в атмосфері Землі так і елементів геліоцентричної орбіти метеороїда.

3. Розробити ефективний метод визначення похибок обчислень кінематичних параметрів метеора.

4. Розробити методику визначення зоряної величини метеора вздовж його видимої траєкторії та метод переходу від зоряної величини метеора, отриманої у власній фотометричній системі, що відповідає спектральній чутливості спостережної апаратури, до енергії його випромінювання. Методика повинна включати дослідження фотометричних параметрів телевізійних систем, що використовуються для спостережень та можливість використання для калібровки наявних фотометричних зоряних каталогів.

5. Обґрунтувати методику цифрових вимірів у телевізійних кадрах та розробити відповідне до методики комплексне програмне забезпечення. Програма повинна забезпечувати візуалізацію процесу вимірів та обчислень та бути максимально автоматизованою.

6. Провести базисні телевізійні спостереження метеорного потоку та провести обробку отриманих даних використовуючи розроблену методику обчислення параметрів метеора та оригінальне програмне забезпечення.

Об'єкт дослідження - метеори.

Предмет дослідження - фізичні та кінематичні параметри слабких метеорів.

Методи дослідження - базисні телевізійні спостереження метеорів; цифрова обробка спостережних даних; математичний та статистичний аналіз результатів спостережень.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна виконаних досліджень полягає у наступному.

1. Вперше розроблена комплексна методика обчислення параметрів траєкторії метеора та елементів його геліоцентричної орбіти на основі обробки телевізійних базисних спостережень метеорів, представлених у цифровій формі. Середні похибки обчислень радіанта метеора: 0.1, висоти над рівнем моря та дальності до метеора: 0.2 км, швидкості: 0.5-2.0 км/с, кутових елементів орбіти: 0.5.

2. Вважаючи у першому наближенні метеор рухомим точковим світним об'єктом розроблена методика побудови фотометричних кривих блиску метеора вздовж його видимої траєкторії на основі експерименту “штучний метеор”. Методика включає використання власної фотометричної системи, що відповідає спектральній чутливості телевізійної спостережної апаратури, її абсолютну калібровку, врахування фотометричної похибки поля, корекції зоряної величини метеора за атмосферу.

3. Проведено базисні телевізійні спостереження метеорного потоку Персеїд у 1991-1993 роках, опрацьовано результати спостережень. Кінематичні параметри 57 метеорів, придатних для обробки з задовільною точністю, опубліковано у каталозі [2]. Здійснено статистичний аналіз каталогу [16].

4. Проведено базисні телевізійні спостереження метеорного дощу Леоніди 19 листопада 2002 року під час короткого інтенсивного сплеску його активності. Після обробки спостережних даних за допомогою розробленої методики для 28 метеорів з потоку обчислені їх радіанти, висоти, швидкості, кути входження в атмосферу, нахили, аргументи перигелію та довготи висхідних вузлів їх орбіт, зоряні величини в максимумі блиску. За допомогою методу Монте-Карло обчислені похибки всіх параметрів.

5. Ідентифіковано групу з 11 метеорів потоку Леонід, зареєстрованих близько до піку метеорного шторму 2002 року, що асоціюється з викидом речовини кометою 55Р/Темпеля-Тутля під час проходження нею перигелію 1767 року. Обчислені середні координати радіанта цього метеорного згустку , , аргумент перигелію та нахил орбіти .

6. Зареєстровано три метеори з надвеликими висотами появи: км, км, км. Отримано, що кількість Леонід з масами не менше кг, які перетинають горизонтальну площадку радіуса 100 км² на висоті 100 км за одну годину при радіанті в зеніті, складала 1400 для початку піку метеорного шторму, що відповідає просторовій концентрації частинок з даними масами у метеорному роєві км^-3.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методика кінематичної та фотометричної обробки телевізійних спостережень метеорів є універсальною та може бути використана для обробки спостережень практично будь-яких астрономічних об'єктів (точкових чи протяжних, рухомих чи статичних, з постійним та змінним блиском), отриманих з використанням сучасної спостережної апаратури. Алгоритм використання методу Монте-Карло, або методу випадкових випробовувань, для обчислення похибок усіх кінематичних параметрів кожного метеора, який реалізований у розробленій програмі, може бути використаний всіма спостерігачами метеорів при підготовці метеорних каталогів для більшої інформативності даних, що публікуються. Результати спостережень метеорних потоків Персеїд у 1991-1993 роках та Леонід 2002 року можуть використовуватись для уточнення структури згаданих метеорних роїв, розподілів метеороїдів за масами, для дослідження еволюції метеорних роїв, зокрема елементів їх орбіт, для уточнення процесу взаємодії комет, що народжують метеорні потоки, з сонячною радіацією при проходженні кометами перигелію, для створення адекватної моделі взаємодії метеорної речовини з атмосферою, яка описувала б появу метеорів на надвеликих висотах. Області використання: фізика та динаміка тіл Сонячної системи, практична астрофізика, астрофотометрія, астрометрія, небесна механіка, фізика верхньої атмосфери і іоносфери, фізика навколоземного космічного простору, захист космічних апаратів.

Особистий внесок здобувача. Всі результати викладені в дисертації одержані автором самостійно, або при його безпосередній участі.

Результати опубліковані у статтях [3, 4, 6, 8] і тезах доповіді [15], здобувачем одержані самостійно.

Внесок здобувача у роботах, викладених у статтях та тезах доповідей [1, 2, 13] полягає в участі у спостереженнях потоку Персеїд у 1993 році, кінематичній та фотометричній обробці спостережних даних за 1991-1993 роки, підготовці каталогу параметрів метеорів до публікації.

У роботі [5] автор дисертації виконував статистичну частину обчислення імовірності зіткнення космічних апаратів з метеороїдами телевізійного діапазону мас, будував відповідні залежності та брав участь у написанні тексту статті.

В роботах [7, 23] автору належить участь у спостереженнях, розробка програмного забезпечення, кінематична та фотометрична обробка спостережних даних, оцінка похибок обчислень.

У роботах, викладених у тезах доповідей [9, 11, 12, 16, 18, 19, 21, 22] автору дисертації належить участь у базисних телевізійних спостереженнях метеорів у одному з пунктів (с. Пилиповичі), участь у обробці спостережних даних, розробка відповідного програмного забезпечення, підготовка тексту доповіді та тез для публікації.

У роботах, опублікованих в тезах доповідей [10, 14] автор брав участь у телевізійних спостереженнях комет Хіа-Кутаке та Хейла-Боппа, здійснював цифрову обробку спостережних даних за допомогою власноручно розробленого програмного забезпечення, готував тексти доповідей та тез, був автором ідеї підготовки публікацій.

Для роботи, викладеної у тезах [20] здобувачем було розроблене відповідне розроблено програмне забезпечення. Вклад автора у роботу, опубліковану в тезах доповіді [17], полягав в участі у спостереженнях метеорів, розробці програмного забезпечення та обробці результатів спостережень.

Апробація результатів дисертації. Доповіді з науковими результатами, одержаними при роботі над дисертацією, представлялись на:

1.Всеукраїнській астрономічній конференції УАА. Жовтень 1997, Київ, Україна.

2.Міжнародній конференції JENAM'98. Вересень 1998, Прага, Чеська Республіка.

3.Міжнародній конференції “Фізика і динаміка малих тіл Сонячної системи” при. пам. Астаповича (АИСТ-98). Грудень 1998, Київ, Україна.

4.Першій міжнародній конференції КАММАК'99. Вересень-Жовтень 1999, Вінниця, Україна.

5.Міжнародній конференції Meteoroids'2001. Серпень 2001, Кіруна, Швеція.

6.Другій міжнародній конференції КАММАК'2002. Вересень 2002, Вінниця, Україна.

7.Міжнародній конференції “Околоземная астрономия - 2003”. Вересень 2003, Терскол, Кабардино-Балкарска Республіка, Росія.

8.Міжнародній конференції “Astronomy and Space Physics at Kyiv University” прис. пам. С.К.Всехствятського. Травень 2005, Київ, Україна.

Результати доповідались також під час проведення міжнародної літньої школи молодих астрономів ISSYA'97, Занджан, Іран, липень 1997, на наукових зборах АО КНУ та на семінарах відділу малих тіл Сонячної системи АО КНУ.

Публікації. За темою дисертації були опубліковані 8 статей у наукових фахових виданнях [1-8], 4 публікації у працях конференцій [9-12] та 11 робіт у тезах конференцій [13-23].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку цитованої літератури, який містить 173 найменування. Загальний обсяг дисертації складає 149 сторінок, в тому числі 30 рисунків і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі стисло обґрунтована актуальність теми, показаний зв'язок роботи з науковими програмами і темами, сформульовані основні цілі, задачі і методи досліджень. Вказана наукова новизна отриманих результатів та зроблений підсумок головних досягнень, показана наукова та практична цінність проведеного дослідження. Описаний особистий внесок автора у роботах, виконаних у співавторстві, і наведений список наукових зібрань, де проходила апробація одержаних результатів і висновків. Наводяться дані стосовно публікацій автора за темою дисертації, структури та обсягу дисертації.

Розділ 1. Методи оптичних спостережень метеорів та обробки спостережних даних. В першому розділі коротко описується фотографічна і телевізійна апаратура для спостережень метеорів у оптичному діапазоні та методика обробки фотографічних спостережних даних. Приводиться короткий аналіз опублікованих каталогів. Коротко описана історія розвитку метеорних спостережень.

Фотографічні спостереження метеорів почалися з 30-40-х років XX сторіччя і зараз обмежуються, в основному, спостереженнями болідів. Проникна здатність при реєстрації метеорів фотографічними засобами не перевищувала 0^m - +3^m. Кількість метеорів з обчисленими параметрами траєкторії та елементами орбіти, отриманих за допомогою фотокамер на сьогодні складає біля 4500 [27]. Для фотографічних метеорів існувала чітко відпрацьована методика кінематичної та фотометричної обробки.

Телевізійні спостереження дають можливість реєструвати метеори +6^m - +8^m при часовій роздільній здатності 0.02-0.04 сек. Для реєстрації метеорів протягом останніх 30 років використовувались телевізійні системи типу секон, суперортикон та ізокон [45]. У останні роки більшість спостерігачів метеорів в усьому світі перейшла на відео-системи - ПЗЗ з попереднім електронним підсиленням яскравості [46]. Кількість телевізійних метеорів, опублікованих в каталогах кінематичних параметрів наразі становить дещо більше 3500 [25-26]. При кінематичній обробці користувалися методикою обробки фотографічних спостережень, для фотометрії використовували метод “штучного метеора”, де у якості об'єктів виступали зорі, а рух їх зображень по фотокатоду забезпечувався рівномірним обертанням телевізійної камери. Термінологія не завжди використовувалась вдало, а теорія вимірів та необхідних редукцій виміряних параметрів детально не пояснювалась. Таким чином строгої, детально обґрунтованої та загальноприйнятої теорії фотометрії метеорів, отриманих телевізійними системами, розроблено не було.

В заключних підрозділах розділу 1 описуються успішно проведені відділом малих тіл Сонячної системи Астрономічної обсерваторії Київського університету імені Тараса Шевченка базисні спостереження метеорного потоку Персеїд на протязі 1991-1993 років. Результати спостережень представлені у каталозі, до якого увійшло 57 метеорів, з яких 35 - Персеїди. Каталог був коротко представлений в [1], повністю опублікований в [2]. Аналіз каталогу проведено в [16]. Там же був розрахований притік космічної речовини на Землю за власними спостереженнями у діапазоні мас 10^-4 - 1 г. Результати розрахованого притоку спорадичного фону та речовини з потоку Персеїд були використані, разом з даними інших авторів, для оцінки імовірності зіткнення космічних апаратів з метеороїдами [5].

Розділ 2. Методика цифрової кінематичної обробки телевізійних спостережень метеорів. В розділі описана розроблена автором методика цифрової кінематичної обробки результатів телевізійних метеорних спостережень. Сучасні методи обробки спостережень метеорів базуються, в першу чергу, на широкому використанні засобів обчислювальної техніки та дозволяють суттєво прискорити процес первинної обробки зображень, а також розрахунків кінематичних та фотометричних параметрів метеорів. Оцифрований з відеомагнітофона 4-5 секундний інтервал телевізійних спостережень з метеором являє собою послідовність відеокадрів (напів-полів) розміром 352288 пікселів, що для об'єктива Юпітер-3 (F = 50 мм, D:F = 1:1.5) відповідає полю зору 23.519, розмір пікселя 4, а для Геліос-40 (F = 85 мм, D:F = 1:1.5) 1311, розмір пікселя 2.2. Роздільна здатність по інтенсивності - 256 градацій сірого, або 8 біт/піксель - визначається характеристиками оцифровуючого пристрою.

Застосування цифрової обробки метеорних зображень вимагає нового підходу до методики розрахунків та розробки відповідного програмного забезпечення. Розроблена автором на протязі 1997-2005 років програма “Falling Star” дозволяє проводити комплексну обробку відео-послідовностей із зображенням метеора, включаючи здійснення ряду математичних операцій до телевізійного кадру в цілому без будь-якої його штучної модифікації типу повороту зображення чи фільтрації даних, які б приводили до внесення додаткових похибок при обчисленнях; використання зоряних каталогів у цифровому вигляді та побудову карти зоряного неба; автоматизацію процесу ототожнення опорних зір; астрометричну обробку метеорного зображення з використанням різних редукційних моделей; базисну кінематичну обробку спостережних даних для визначення висот, радіантів, швидкостей, зенітних кутів і усіх інших параметрів траєкторії метеора та елементів його геліоцентричної орбіти; застосування статистичних розрахунків похибок усіх кінематичних параметрів для кожного метеора.

При використанні згаданих об'єктивів гранична зоряна величина точкових стаціонарних обмежена ~ +12^m, тому було вибрано два каталоги: Tycho ACT RC 1997 (I/246) та AS CC 2 (I/280A). Як правило, надається перевага останньому каталогу через присутність у ньому спектральних класів частини зір, знання яких необхідне для забезпечення коректної фотометрії. Карта зоряного неба будується шляхом ідеальної проекції небесної сфери на площину.

Для автоматизації процесу ототожнення опорних зір для астрометричної обробки, та зір порівняння для фотометричної, застосоване штучне спотворення кадру-карти з метою якомога більш точного приведення прямокутних координат зір у карті до аналогічних координат в оцифрованому кадрі. Для такої геометричної деформації був використаний зворотній зв'язок між ідеальними та виміряними координатами зір відповідно до різних редукційних моделей. Імовірність коректного автоматичного ототожнення зір у кадрі з каталожними варіюється у межах 85-100 % для гранично слабких та яскравих зір відповідно [4]. Для повного виключення неточностей при ототожненні автоматичний процес можна супроводжувати візуальним контролем.

Для астрометричної обробки - визначення екваторіальних координат точок на зображенні метеора - використовувались засоби регресійного аналізу та наступні редукційні моделі: лінійний поліном, або метод 6 постійних, обмежений та повний квадратичний поліноми, або методи 10 та 12 постійних відповідно та метод 8 постійних, або метод Дейча при довільному оптичному центрі [47]. Апроксимація застосовувалась до зони певних розмірів навколо точки на метеорі а не для всього телевізійного кадру. Шляхом тестових вимірів по зорях з відомими координатами були встановлені, для даного об'єктива, критерії вибору редукційної моделі, оптимальної кількості опорних зір, зони їх розташування, введеного коефіцієнта асиметрії розміщення зір, та побудовані статистичні розподіли О-С. Показано, що оптимізація редукційних обчислень за всіма згаданими параметрами суттєво підвищує точність вимірів та дозволяє уникнути грубих похибок (рис. 1, a).

Як редукційні моделі можна рекомендувати [6] моделі 6, 8 і 10 постійних, котрі після розрахунку по оптимізованих вибірках опорних зір забезпечують приблизно однакове середнє значення О-С порядку 3-4 (при розмірі пікселя 4-4.5) (див. рис. 1, a). З огляду на той факт, що моделі 8 і 10 постійних вимагають накладення більш жорстких умов на вибірку опорних зір у порівнянні з моделлю 6 постійних для забезпечення тієї ж точності і вимагають більшого часу для розрахунків, доцільно рекомендувати використовувати при обробці телевізійних спостережень метеорів редукційну модель 6 постійних. Імовірності одержати О-С екваторіальних координат точки на сліді метеора менше кутового розміру пікселя складає приблизно 72 %, а більше двох розмірів (грубі виміри) близько 7 %. Якщо супроводжувати автоматичні обчислення візуальним контролем, кількість грубих обчислень можна звести до 1-2 %. Апроксимація контурів зображень зір порівняння і метеора функціями типу гаусіани підвищує точність обчислення екваторіальних координат метеора приблизно на 1 (рис. 1, b). Результати дослідження адекватності похибок, отриманих внаслідок використання засобів регресійного аналізу за допомогою тестів по зорях [6], дають позитивний результат та їх нормальний тип розподілу, що дає змогу застосувати метод Монте-Карло, або метод випадкових випробовувань, та отримати розподіли похибок усіх кінематичних параметрів метеора.

Для визначення параметрів траєкторії метеороїда в атмосфері Землі і елементів його геліоцентричної орбіти було розроблено метод, опублікований в [8]. Метод повністю побудовано на основі векторного аналізу. В якості основної використовується геоцентрична прямокутна система координат, що дозволяє уникнути деяких неточностей і простіше провести усі обчислення.

Для визначення елементів геліоцентричної орбіти метеороїда використовуються формули астродинаміки [48-49]. При цьому за раніше розрахованими радіус-вектором R і вектором швидкості V метеороїда крім класичних елементів орбіти - великої півосі a, ексцентриситету e, нахилу орбіти i, аргументу перигелію та довготи висхідного вузла - додатково визначаються вектори моменту імпульсу H, відповідного йому одиничного вектора нормалі до площини орбіти h, одиничні вектори напрямку на висхідний вузол l, перигелій q та вектор напрямку швидкості в перигелії w (рис. 2).

Розроблений метод орієнтований, в основному, на застосування до результатів телевізійних спостережень метеорів, з врахуванням можливостей сучасної цифрової обробки та алгоритмічних мов, хоча може бути застосований і для інших методів спостережень. У ньому враховано такі особливості цифрової обробки телевізійних спостережень слабких метеорів як їх коротка кутова довжина, мала кількість точок з координатами голови метеора і відомими моментами часу (визначається кадровою розгорткою телевізійної системи), що ускладнює обчислення швидкості, та одночасно велика загальна кількість виміряних точок на зображенні метеора у сумарному кадрі, що підвищує точність обчислення радіанта. Запропонований метод визначення кінематичних характеристик метеора передбачає використання сучасних засобів обчислювальної техніки, а також можливостей спостережної телевізійної апаратури і цифрової обробки. Компактність векторного представлення формул виявляється не тільки на етапі їх виведення, але і на етапі програмування засобами сучасних алгоритмічних мов.

Для визначення похибок усіх кінематичних параметрів кожного метеора було запропоновано метод Монте-Карло. Оскільки основним джерелом похибок при обчисленні кінематичних параметрів метеора є його вимірювані екваторіальні координати, а інші параметри можна вважати відомими константами, то для обчислення деякого i-го параметра замість класичного виразу , де - набір екваторіальних координат, що характеризує точки на досліджуваному метеорі, - відомі константи, а - деякий оператор, пропонується статистично генерувати дані з отриманих внаслідок астрометричної обробки розподілів , підставляючи їх у оператор . Нормальний тип розподілу похибок вимірів екваторіальних координат точок на метеорі, що отримуються внаслідок застосування регресійного аналізу при астрометричній обробці, і адекватність параметрів розподілу були підтверджені в [6]. Тому слід очікувати, що результуючі розподіли похибок шуканих параметрів метеора будуть відповідати реальності. Параметри отриманих розподілів можна використовувати як шукані величини кінематичних параметрів метеора - середнє чи модальне значення - як відповідний шуканий параметр, а стандартне відхилення розподілу - як похибку визначення даного параметру.

Розділ 3. Методика цифрової фотометрії метеорів за телевізійними спостереженнями. У даному розділі описується метод фотометрії метеорних зображень, отриманих телевізійними спостережними системами. Розроблена методика фотометрії забезпечує виміри світлового потоку від метеора в оптичному діапазоні 380-1050 нм, включає в себе створення та абсолютну калібровку телевізійної фотометричної системи; розробку алгоритму коректного використання для калібровки каталожних зоряних величин V чи B; врахування атмосферного поглинання світла; розробку та уточнення техніки внутрішніх фотометричних вимірів в оцифрованому телевізійному кадрі; обчислення та врахування фотометричної похибки поля; схему побудови та корекції калібровочних кривих по зорях порівняння;

Фотометрична система телевізійної установки, що використовується, відповідає кривій спектральної чутливості системи, яка досліджувалась експериментально. Вона має значно більшу чутливість в області червоної та ближньої інфрачервоної області спектру відносно візуальної системи. Дана фотометрична система базується на стандартному нуль-пункті шкали візуальних зоряних величин, тобто нулем обрана зоря спектрального класу А0 V з нульовою візуальною зоряною величиною. Абсолютна калібровка виконувалась шляхом чисельного інтегрування за абсолютним розподілом енергії у спектрі Веги [50]. Перехід від каталожних візуальних V чи синіх B зоряних величин до телевізійної системи також здійснюється методом чисельного інтегрування за формулою (1) з використанням відносних розподілів енергії у спектрах зір різних спектральних класів [51-52].

,(1)

де та - зоряні величини телевізійної та візуальної фотометричних систем, та - відповідні криві спектральної чутливості, - енергія розподілу у спектрі зорі порівняння, та - відповідні калібровочні константи. Неврахування коефіцієнту переходу від каталожної до телевізійної системи приведе при побудові калібровочної кривої до максимальної похибки 0^m.5 при використанні величин V та 2^m.5 при використанні B. Максимальні відхилення дають червоні зорі.

Для строгого врахування атмосферного поглинання слід знати розподіл енергії у спектрі метеора. Його можна знайти проводячи паралельні спектральні спостереження, або статистично розрахувати відносну форму спектрів поточних метеорів, використовуючи для цього наявний спостережний матеріал.

Нерівномірність чутливості телевізійної системи по полю зору - фотометрична похибка поля (рис. 3) - отримується експериментально під час кожних спостережень шляхом проекції певної групи зір послідовно на різні місця фотокатоду. За результатами фотометрії зір з даної групи розраховується відносний коефіцієнт чутливості по полю з приведенням подальшим фотометричних вимірів до центральної частини кадру [11]. Розкид чутливості по полю варіюється в межах 0^m.2-0^m.3 з максимальним відхиленням ~0^m.4.

Для зменшення похибки внутрішніх фотометричних вимірів в оцифрованому кадрі проводиться апроксимація вимірюваних контурів зображень метеора та зір порівняння функціями типу гаусіани або лоренціани. На основі тестів [12], проведених по зоряних зображеннях, встановлено, що застосування апроксимацій підвищує відносну точність фотометричних вимірів в середньому на 10-15%, та на 100-200% для гранично слабких зір.

Для порівняльної фотометрії метеора було використано результати експерименту “штучний метеор”, проведеного по зорях. Використовувалось обертання телевізійної камери з різними кутовими швидкостями (та відповідними їм лінійними швидкостями руху зображення зір по телевізійному кадру). Виміри проводились для якомога ширшого діапазону зоряних величин. У якості безпосередньо вимірюваного параметра було використано логарифм площі нормального до напрямку руху фотометричного перерізу зображення точкового рухомого об'єкта - зорі (“штучного метеора”). Аналогічні виміри для стаціонарних зображень зір дають змогу розрахувати коефіцієнт корекції вимірів, проведених під час метеорних спостережень та експерименту “штучний метеор”. Калібровочні криві - залежності логарифму площі від зоряної величини - мають вигляд паралельних прямих для різних швидкостей руху зображень (рис. 4).

Динамічний діапазон для коректної фотометрії метеорів складає в середньому біля чотирьох зоряних величин: 2^m.4-6^m.4 для об'єктиву Юпітер-3.

Розділ 4. Застосування методики для обробки результатів спостережень метеорного дощу Леоніди у 2002 році. У розділі коротко описано результати спостережень метеорного потоку Леонід, отримані з застосуванням розробленої методики кінематичної та фотометричної обробки спостережних даних.

Успішні базисні телевізійні спостереження метеорного потоку Леонід було проведено 18 листопада 2002 року під час передбаченого багатьма дослідниками короткочасного метеорного шторму, що пов'язується з перетином Землею метеорного згустку частинок, викинутих кометою 55Р/Темпеля-Тутля під час проходження нею перигелію 1976 року. Телевізійні системи в різних пунктах були оснащені різними об'єктивами: Геліос-40 та Юпітер-3. Відносна кількість метеороїдів, що були зареєстровані протягом 4-х годин спостережень обома камерами, приведена на рис. 5. Кількість базисних метеороїдів склала 38, для 28 з них, використовуючи розроблену методику, проведено попередню обробку спостережних результатів, включаючи розрахунок параметрів траєкторії та елементів орбіти метеороїдів, фотометрію в максимумах їх блиску та розрахунок початкових мас метеорних частинок.

Фотометрію і розрахунок мас було проведено лише за даними, отриманими у одному з пунктів спостереження. Оскільки умови під час спостережень потоку були винятково несприятливими (яскравий місяць, ранкова засвітка неба) для можливості проведення фотометрії, більшість метеорів була профотометрована лише у максимумах їх блиску. Далі для визначення мас використовувалась напівемпірична формула, отримана Кручиненком із фізичної теорії метеорів 53.

Гранична абсолютна зоряна величина метеорів, які реєструвались телевізійними системами під час спостережень, була обмежена яскравим місяцем та не перевищувала 4^m.5, а відповідні маси метеороїдів лежать в діапазоні 10^-7-10^-6 кг.

За результатами спостережень була розрахована кількість метеорів з масами не меншими від мінімальних, що нами реєструвалися (1.5410^-7 кг), та які пролітали через горизонтальну площадку радіуса 100 км² на висоті 100 км, перерахована до положення радіанта в зеніті. Ця величина складала 350 метеорів для першої половини ночі та 1400 під час піку активності потоку. Знаючи геліоцентричну швидкість частинок метеорного потоку Леонід (~ 42 км/с), можна знайти просторову концентрацію частинок даної маси у метеорному рої. Її значення склали відповідно 4.310^-8 та 1.710^-7 км^-3 7.

Висоти появи метеорів, зареєстрованих телевізійною камерою з об'єктивом Геліос-40, були суттєво та систематично більшими від висот появи тих же метеорів, зареєстрованих камерою, оснащеною об'єктивом Юпітер-3. Досить цікавим результатом спостережень була реєстрація двох метеорів з висотами появи біля 140 км (км, км), та одного метеора з висотою появи понад 150 км ( км).

Після кінематичної обробки було виявлено, що метеори, які спостерігалися протягом півгодини під час піку активності потоку, належать до компактної групи з середніми значеннями прямого сходження та схилення геоцентричного радіанта та нахилу і аргументу перигелію орбіти (J2000.0);

Використання об'єктива Геліос-40, що має більший діаметр ніж об'єктив Юпітер-3, дозволило нам зареєструвати метеори на висотах понад 140 км вперше. В роботах [28, 54] дискутувалося питання про причину різної проникної здатності телевізійних систем при спостереженнях метеорів, зокрема про можливість реєстрації метеорів з надвеликими висотами появи. Як одне з припущень про причину вибіркової реєстрації таких метеорів пропонувалася різна чутливість спостережної апаратури в червоній та інфрачервоній області спектру. Наші телевізійні системи дійсно чутливі в ближній інфрачервоній області, але об'єктиви Юпітер-3 та Геліос-40, які використовувались у двох точках спостереження, виготовлені з одного скла та мають приблизно однакові коефіцієнти пропускання, тому спектральні чутливості наших двох камер були приблизно однакові. Тому можна зробити висновок про те, що більші висоти появи метеорів, зареєстровані у одному з пунктів, обумовлені різними геометричними параметрами об'єктивів, в першу чергу їх різними діаметрами.

ВИСНОВКИ

метеор астрометричний редукційний

У дисертації приведені результати розробки методики цифрового опрацювання телевізійних спостережень слабких метеорів, а саме: астрометричних вимірів метеорного зображення в оцифрованих телевізійних кадрах, включаючи редукцію виміряних даних [6, 12]; методу розрахунку параметрів траєкторії метеора у атмосфері та елементів його геліоцентричної орбіти [8]; фотометричної обробки метеора [9, 14, 11, 19]; засобів дослідження впливу спостереженої телевізійної апаратури на точність розрахунків метеорних характеристик та методів визначення похибок і підвищення точності шуканих параметрів [3, 18], а також результати оригінальних телевізійних спостережень метеорних потоків [1, 2, 7, 16, 21]. Приводяться також загальні характеристики розробленого відповідного програмного забезпечення та засобів автоматизації процесу обробки результатів спостережень [4].

Найважливіші результати даної роботи:

1. За результатами обробки спостережень метеорного потоку Персеїд, проведених протягом 1991-1993 років, створено каталог кінематичних параметрів метеорів. До каталогу увійшло 57 метеорів, з яких 35 - Персеїди. На основі каталогу був розрахований притік космічної речовини на Землю у діапазоні мас 10^-4 - 1 г.

2. Проведено аналіз усіх факторів, що впливають на точність астрометричних вимірів зображення метеора у телевізійному кадрі: редукційних моделей, кількості опорних зір та ін. Отримано розподіли похибок обчислень та встановлені критерії їх мінімізації. Встановлено, що застосування функцій, які апроксимують контури зображень опорних зір, підвищує точність вимірів приблизно на одну кутову мінуту дуги. Зроблено висновок про те, що метод шести постійних є оптимальним у наших умовах. Максимально можлива точність визначення екваторіальних координат у оцифрованому кадрі при розмірі пікселя 4 складає приблизно 1.5-3.5.

3. Розроблено векторний метод визначення параметрів траєкторії метеороїда в атмосфері Землі і елементів його геліоцентричної орбіти. Метод орієнтований, в основному, на застосування до результатів цифрової обробки телевізійних спостережень метеорів, хоча може бути використаний і для опрацювання даних, отриманих іншими спостережними засобами. В якості основної використовується геоцентрична прямокутна система координат. Для визначення похибок усіх параметрів кожного метеора було застосовано метод Монте-Карло. Середня точність вимірів при обчисленні параметрів швидкісного метеорного потоку: для екваторіальних координат радіанта 0.1, висоти метеора та дальності до нього від пункту спостереження 0.2 км, швидкості 0.5-2 км/с в залежності від умов спостереження.

4. Розроблено методику фотометрії метеора, яка включає створення і абсолютну калібровку телевізійної фотометричної системи; розробку алгоритму коректного використання каталожних зоряних величин V чи B; врахування атмосферного поглинання світла; розробку та уточнення техніки внутрішніх фотометричних вимірів в оцифрованому телевізійному кадрі; обчислення і врахування фотометричної похибки поля; схему побудови та корекції калібровочних кривих по зорях порівняння. Абсолютна калібровка фотометричної системи виконувалась шляхом чисельного інтегрування за абсолютним розподілом енергії у спектрі Веги. Для зменшення похибки внутрішніх фотометричних вимірів в оцифрованому кадрі проводиться апроксимація контурів зображень метеора та зір порівняннями функціями типу гаусіани чи лоренціани, що підвищує точність фотометричних вимірів в середньому на 10-15%. Нерівномірність чутливості телевізійної системи по полю зору - фотометрична похибка поля - розраховується експериментально під час кожних спостережень шляхом проекції певної групи зір послідовно на різні місця фотокатоду.

5. Для порівняльної фотометрії метеора використовуються результати експерименту “штучний метеор”, проведеного по зорях. Для цього здійснювалось обертання камери з різними кутовими швидкостями, а виміри проводились для широкого діапазону зоряних величин. Діапазон коректної фотометрії метеорів складає біля чотирьох зоряних величин (+2^m.5 - +6^m.5) для об'єктива Юпітер-3.

6. Проведено базисні телевізійні спостереження шторму метеорного потоку Леоніди 19 листопада 2002 року. На основі розробленої методики обчислені кінематичні та фотометричні параметри 28 поточних метеорів. Середні координати радіанта метеорного згустку під час короткочасного піку активності потоку: , , аргумент перигелію , нахил орбіти . Було зареєстровано два метеори з аномально великими висотами появи біля 140 км (км, км), та один метеор з висотою появи км.

...