Атмосферная оптическая турбулентность - это явление, связанное с формированием флуктуаций плотности и, следовательно, флуктуаций показателя преломления воздуха по лучу зрения астрономического телескопа наземного базирования. Эти флуктуации, распределенные некоторым образом в атмосфере, вызывают турбулентные флуктуации фазы и амплитуды световой волны, при ее распространении в турбулентной атмосфере. Как результат, изображение в фокальной плоскости телескопа наземного базирования дрожит, мерцает, а разрешающая способность существенно падает в сравнении с дифракционным пределом разрешения телескопа.

Одна из важнейших задач состоит в изучении астроклиматических и астрооптических свойств земной атмосферы, воздействующих на проведение астрономических наблюдений [1]. Диагностика и прогноз характеристик (мелкомасштабной) атмосферной оптической турбулентности на разных высотах в атмосфере - это задачи, решение которых важно в приложении к планированию наблюдательного времени на астрономических телескопах [2,3] и для поиска новых астроплощадок, характеризующихся достаточно высокой вероятностью повторяемости больших значений так называемого параметра Фрида (или низких значений интегральной оптической турбулентности по лучу зрения). При этом важно отметить, что диагностика и прогноз характеристик оптической турбулентности должны выполняться для различных атмосферных условий, включая ясную и малооблачную погоду. Временные характерные масштабы оценок характеристик оптической турбулентности (как и других атмосферных характеристик, включая облачность) и заблаговременность прогноза также различны. С одной стороны, необходимы оценки интегральных характеристик оптической турбулентности и ее высотного распределения в режиме реального/квазиреального времени. Это важно для подстройки систем адаптивной оптики. С другой стороны, для выбора мест, достаточно применять более грубые модели, дающие оценки статистик оптической турбулентности, усредненных за достаточно длительные временные интервалы. Что касается прогноза, то необходим прогноз как на сутки вперед, так и среднесрочный и длинносрочный, на масштабах более 5 суток. Это важно для выбора стратегии астрономических наблюдений.
Достижимость этих задач должна опираться на поиск и уточнение физических связей между флуктуациями атмосферных характеристик в различных диапазонах пространственных и временных масштабов, а также, в части, качества астрономических изображений на выявление особенностей структуризации мелкомасштабной турбулентности более крупномасштабными атмосферными явлениями и процессами [4].

Наиболее сложный слой, как по структуре, так и динамике - атмосферный пограничный слой, в котором мелкомасштабная турбулентность часто оказывается неоднородной и неизотропной [5]. В приближении модели развитой турбулентности Колмогорова основной величиной оптической турбулентности является структурная постоянная турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха, определяемая через отношение структурной функции к размеру неоднородностей (разносу) в степени 2/3. В то же время реальная структура атмосферной турбулентности более сложная, энергетические спектры часто отклоняются от наклона "-5/3". Следуя мировой литературе эти отклонения можно учесть рассматривая спектральную плотность турбулентных флуктуаций показателя преломления Фnn как некоторую функцию от псевдоструктурной характеристики CN2*(alpha, z) (alpha - наклон спектра, z - высота над подстилающей поверхностью), т.е. Фnn~CN2*(alpha, z) L_0* (L_0* - некоторый внешний масштаб турбулентности, отличающийся от классического внешнего масштаба Татарского). В связи с тем, что с высотой достаточно проблематично определить деформации спектра мелкомасштабной турбулентности, а также из-за того, что мы рассматриваем большие объемы данных (длительные временные периоды), ниже мы приводим последние результаты в части развития схем параметризации для классической величины CN2.
В атмосферном пограничном слое наблюдаются наиболее интенсивные оптические флуктуации: в терминах структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха CN2, часто, интенсивность оптической турбулентности в нижней части атмосферного пограничного слоя превышает ее значение в свободной атмосфере, скажем для высот 5 – 7 км, на порядок и более [6]. Это наблюдается как по данным ряда экспериментов, так и по данным моделирования [7-9].
В настоящей работе предложена новая схема параметризации вертикального профиля структурного параметра оптической турбулентности, конкретно величины CN2. Параметризация это характеристики турбулентности выполнена на основе сопоставления амплитуд фазовых турбулентных искажений в плоскости апертуры телескопа, измеренных приземных значений характеристик турбулентности и глобальных данных об атмосферных характеристиках Era-5. Амплитуды фазовых турбулентных искажений оценивались по данным наблюдений датчика Шака-Гартмана, установленного в оптической схеме Большого Солнечного Вакуумного Телескопа.
Значения структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления приземного слоя атмосферы, на высоте 30 м, а также коэффициенты параметризации между средними и турбулентными характеристиками уточнялись по данным ультразвуковых анемометров, установленных на высотах 4 и 30 м. В частности, для разных высотных уровней рассматривается, что значения структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха определяются через внешний масштаб турбулентности и вертикальные градиенты (разности) метеорологических характеристик. При этом значения внешнего масштаба турбулентности параметризуются на основе учета вертикальных сдвигов горизонтальной составляющей скорости ветра, приводящих к генерации турбулентности. В этом случае, разброс между измеренными (с помощью ультразвукового анемометра, расположенного на высоте 30 м) и модельными значениями структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха составляет более порядка.
В целях получения более точных оценок структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха ниже мы предлагаем модификацию схему параметризации для внешнего масштаба турбулентности. Параметризация внешнего масштаба строится через вертикальные сдвиги горизонтальной составляющей скорости ветра, а также, дополнительно, через вертикальные градиенты температуры воздуха, которые определяют усиление или подавление турбулентных флуктуаций (в условиях неустойчивой и устойчивой термических стратификаций); и мезомасштабную вихревую завихренность, с которой мы связываем эффекты определенной структуризации повышает точность оценки CN2. Разброс между модельными и измеренными значениями CN2 уменьшается в несколько раз. Эффекты структуризации турбулентности, чаще всего, подавления турбулентности в нижних слоях атмосферы в месте расположения Байкальской Астрофизической Обсерватории (БАО) связаны с воздействием мезомасштабных вихревых структур. Отдельно подчеркнем, что учет мезомасштабной вихревой завихренности позволил скорректировать значения структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в нижнем слое атмосфере и оценить геометрические размеры зон подавления турбулентности в нижнем, 500-700 м слое атмосферы над БАО. Линейный горизонтальный размер этих зон оценивается в 10 – 20 км [10].
С применением реанализа ERA-5 и данных оптических и микрометеорологических измерений для места расположения Байкальской Астрофизической Обсерватории получены и анализируются изменения структуры оптической турбулентности с высотой. В частности, для различных сезонов года получены и усреднены вертикальные профили структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в диапазоне высот от 0 м (высота расположения зеркала-сидеростата) до 30 км. Анализ вертикальных профилей показывает, что наиболее интенсивная оптическая турбулентность формируется в нижнем слое атмосфере и на высотах в окрестностях крупномасштабного струйного течения. Дополнительно также выявляются слои с интенсивной оптической турбулентности на высотах 400 – 700 м, их формирование и эволюция, по-видимому, определяются характеристиками (и геометрией) струйных течений нижних уровней.
Обсуждаются проблемы и перспективы решения обратной задачи: оценки вертикальных профилей внешнего масштаба турбулентности по данным об амплитудах фазовых искажений и дисперсии дрожания изображений, соответствующих разным высотным уровням в атмосфере. При этом характеристики турбулентных фазовых искажений на разных высотных уровнях (в метазрачках телескопа) и дисперсии дрожания изображений для разных атмосферных слоев могут быть оценены и/или уточнены путем применения методов томографии оптической турбулентности, включая такие технологии как S-DIMM+ , SLODAR и их модификации.
Таким образом, по результатам исследований создан метод для оценки структурной характеристики турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха, основанный на учете приземных мачтовых измерений турбулентных характеристик, данных измерений турбулентных фазовых искажений и данных реанализа ERA-5. С применением этого метода для места расположения Большого Солнечного Вакуумного Телескопа (БСВТ) получены усредненные вертикальные профили оптической турбулентности.
В перспективе, полученные результаты могут быть полезны, с одной стороны. в приложении к астрономии и совершенствованию методов диагностики и прогноза атмосферных характеристик. В частности, эти результаты важны для построения и оптимизации систем адаптивной оптики, в том числе, и широкого поля зрения, корректирующих оптические искажения по большому полю зрения, порядка 120 угл.сек. и выше.
С другой стороны, выбор оптимальной схемы параметризации мелкомасштабной турбулентности и ее региональная подстройка с учетом данных оптических и мачтовых микрометеорологических измерений могут быть полезны для построения наиболее объективных моделей переноса примесей, в частности, в Байкальском регионе, а также для углубления наших представлений о многомасштабных атмосферных явлениях и процессах и особенностей модуляции/структуризации атмосферных движений [11,12].
«Развитие подходов для параметризации турбулентности выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-72-10043, https://rscf.ru/project/24-72-10043/». Привязка профилей оптической турбулентности выполнена с использованием Уникальной научной установки Большой солнечный вакуумный телескоп http://ckp-rf.ru/usu/200615/.