Выбор места расположения астрономической обсерватории

Вы приняли решение о строительстве обсерватории, и нужно понять, подходит ли предполагаемое место ее установки, и как можно скорректировать первоначальные планы, чтобы достичь максимально возможного результата.

Выбор места для обсерватории - задача не простая, многофакторная, и зачастую компромисная. Перечислим факторы, которые стоит принять во внимание.

  1. Наличие засветки неба от уличного освещения, ближайших населенных пунктов и промышленных объектов.  

Один из основополагающих моментов. Если чуть более ста лет назад обсерватории еще располагались в крупных городах - Санкт Петербурге, Лондоне и Париже, и совершали значимые открытия, то сейчас свет уличного освещения, ртутных и диодных фонарей, рекламы, автомобилей и окон домов засвечивает небо, отражается от воздушной пыли, мельчайших кристаллов влаги и облаков, попадает в итоге в объектив телескопа и делает невозможным наблюдение слабых обьектов. При визуальных наблюдениях слабые звезды, туманности и галактики просто не видны. При фотографических наблюдениях засветка вынуждает уменьшить время экспозиции, и слабые объекты просто не успевают зарегистрироваться на снимках. Несколько улучшает ситуацию использование при съемке узкополосных фильтров, однако в любом случае, в любом современном городе и даже хорошо освещенном поселке астрономические наблюдения в настоящее время не продуктивны. Предварительно оценить влияние засветки в  Вашей местности можно на основе карт засветки, например http://www.lightpollution.it/worldatlas/pages/fig1.htm, также существуют специальные слои для Google Earth, поищите поиском «Карты засветки» Реальные наблюдения конечно дадут самую точную картину. Имейте ввиду, что от ночи к ночи характеристики прозрачности и естественного свечения неба меняются, не говоря о том, что на соседнем предприятии могут ночью свет выключить, а могут и нет. Лучше делать выводы по нескольким наблюдательным ночам.

 

Рис.1 Схема светового загрязнения ночного неба центральной Европы 

Рис.1. Карта засветки ночного неба центральной Европы.

 

  1. Высота над уровнем земли и моря, характерная погода, число ясных ночей в году.

Параметры, на которые почти не может влиять владелец обсерватории. Они определяют, тем не менее, процент времени, когда обсерватория может быть использована. Понятно, что при возможности, нужно стремиться к местам, где хорошая погода по статистике чаще, и которые расположены выше. Не случайно большинство профессиональных обсерваторий расположены в горах. Во-первых, часто бывает, что кучевые облака плавают на высоте 0.5 -1км, и если обсерватория выше - в месте ее расположения ясно и можно работать. Во вторых, чем толще слой атмосферы между объективом и объектом наблюдения, тем меньше стабильность изображения. 

  1. Стабильность атмосферы вследствие движений воздушных масс, в следствие тепловых потоков и ветра.

Чем стабильнее атмосфера и равномернее потоки воздуха, тем стабильнее изображение. При отсутствии атмосферы разрешающая способность инструментов  определялась бы исключительно качеством их оптики и дифракционными ограничениями, связанными с размером объектива телескопа. Так, если взять Рэллеевское определение разрешения телескопа и рассчитать, к примеру для объектива диаметром 1000мм, что является по сути рядовым, не крупным инструментом, вычислив по формуле 140’’ / 1000 получим угловое разрешение 0,14’’, что является уникальным значением, позволяющим проводить уникальные исследования, например поиски экзопланет, исследовать строение далеких галактик и тд. Реальность для такого инструмента будет во много раз хуже. В чем же дело? А как раз в нестабильности атмосферы. 

 Вид звезды в телескоп в зависимости от соотношения синица и апертуры телескопа

Рис.2 Изменение изображения звезды при ухудшении соотношения сиинга и апертуры телескопа.

 Тепловые потоки, перемещающиеся воздушные массы, даже образующиеся в атмосфере воздушные линзы, смещают изображение звезды в сторону от своего положения. Так вот, величина этого смещения, угловой размер получающегося из звезды «размытого пятна» за время экспозиции и называется астрономическим сиингом (seeing) и позволяет оценить качество атмосферы в месте наблюдения. Грубо оценить, и даже посмотреть на прогнозные значения этого параметра можно на профессиональных погодных сайтах, например meteoblue.com. Грубо можно сказать, что в центральной равнинной России, в городах значение может достигать 3-5’’ отличными значениями считаются площадки с сиингом 0.4-0.8’’ и это в горах, и далеко не в любом месте. При выборе места для профессиональной обсерватории исследуются большие территории, проводятся длительные измерения сиинга и погоды для выбора оптимальной площадки строительства. Именно по этим причинам космические телескопы, имея достаточно скромные размеры относительно наземных, дают снимки такого высокого разрешения и заняты на много лет вперед.

Отдельно нужно сказать о потоках теплого воздуха от здания, на котором расположена обсерватория. Часто при проектировании обсерватории на крыше дома или общественного здания не до конца оценивают значение тепловых потоков. А их влияние на изображение очень существенно. Так, через воду бурной реки дна почти не видно, даже если глубина не велика. напротив в спокойном озере через чистую воду бывает видно дно на многие метры. Аналогично происходит с атмосферой. По этому, когда нет другого выхода, кроме установки обсерватории на крыше здания необходимо принять следующие меры.

  • Расположить обсерваторию на крыше принимая во внимание не только удобство прохода людей и углы закрытия соседними объектами, но и направление наиболее частых наблюдений. Так, с учетом того что большинство интересных объектов наблюдения находятся в южной части неба, разумно разместить обсерваторию с южной части здания, чтобы на направлении наблюдения было как можно меньше восходящих потоков теплого воздуха.
  • Проверить и улучшить тепловую изоляцию от отапливаемых помещений, исключить проход теплого воздуха из здания в обсерваторию. Это могут быть такие решения как например, двойные двери, дополнительно слой теплоизолирующих материалов и тд.
  • При проектировании обсерватории и здания запланировать не отапливаемое, «промежуточное» помещение непосредственно под обсерваторией, а также по пути прохождения людей. Это позволит уменьшить градиент температуры и соответственно вредное влияние.
  • Исключить нагревательное оборудование в самой обсерватории и установить то или иное климатическое оборудование с обратной связью по температуре окружающего воздуха- кондиционер или как минимум мощный вентилятор, нагнетающий окружающий воздух в помещение обсерватории. Не забудьте о применении фильтров для уменьшения пыли вблизи оптического оборудования.
  • Заранее перед наблюдениями открывать обсерваторию для проветривания и термостабилизации инструментов.
  1. Углы закрытия, место расположения обсерватории на выбранном участке.

Редко можно расположить обсерваторию в месте, где открыт весь горизонт. Часто мешают горы, холмы, деревья и даже дома. Обычно это не проблема. Во-первых, большинство объектов для наблюдения находятся в южном направлении, соответственно имеет смысл ориентировать обсерваторию таким образом, чтобы наиболее открыта была южная часть неба. Во вторых, человек в силу психо-физических особенностей и недостатка опыта часто не верно определяет угловые размеры препятствий. Измерьте любым угломерным инструментом угол, который закрывается препятствием с точки предполагаемой установки телескопа. В силу большой толщины атмосферы на пути изображения, наблюдения объектов ниже 15 и часто даже 25 градусов над горизонтом не проводят. Вполне возможно, что Ваша любимая яблоня заслоняет существенно меньше и изводить ее нет никакой необходимости. Также имейте ввиду, что подъем обсерватории всего на несколько метров благодаря ее конструкции, существенно увеличит участок не  закрытого неба и позволит оторваться от приземного слоя атмосферы, уменьшив вероятность выпадения росы и иных негативных явлений атмосферы.

  1. Конструктивные вопросы - прочность и стабильность несущих конструкций. 

Обычно стены обсерватории и даже купол не очень тяжелые, в зависимости от технического решения и размера, их вес не превышает нескольких тонн. Соответственно, каких то специальных мер по обеспечению прочности конструкции обычно не требуется. Как в случае отдельно стоящей обсерватории, так и и в случае размещения на крыше дома или другого строения. Другое дело место расположения телескопа. Часто самостоятельно изготовленная конструкция может оказаться достаточно шаткой, если учесть фокусное расстояние применяемого телескопа и его угловое разрешение. По этому часто в профессиональных обсерваториях применяется отдельная колонна - основание телескопа с собственным фундаментом, развязанная от пола обсерватории и других несущих конструкций. В этом случае вибрация от перемещения людей, купола и другого оборудования не влияет на положение телескопа. Встречаются мнения, что современные обсерватории не требуют отдельной колонны и это излишние хлопоты. Действительно, при высоте 3м над землей и глубине фундамента 2м, колонна сечением 1х1м будет иметь обьем 5м3 бетона, что не мало весит и стоит.  Действительно, развитие приемников света и методов съемки привело к заметному снижению времени экспозиции, а также во многих случаях к удаленной работе без людей в обсерватории, что снижает требования к стабильности фундамента. Часто вполне достаточным является применение в качестве основания телескопа качественно выполненного бетонного перекрытия, связывающего стены обсерватории. Если же компромис при строительстве обсерватории для Вас не приемлем - нужно делать колонну, стены при этом можно выполнить по более дешевой технологии, например из металлического каркаса, обшитого профлистом.

  1. Безопасность прохода и нахождения людей, обеспечение сохранности оборудования.

На этапе проектирования продумайте, как будете попадать в обсерваторию, как выходить. Напоминаю, это будет в ночное время, возможно после ночи наблюдений, возможно с неподготовленными гостями. По этому, категорически рекомендуем применять безопасные способы прохода, поручни, ограничители, надписи на опасных участках. Использование лестниц по наружней части зданий настоятельно советуем исключить. Система видеонаблюдения и сигнализация открытия дверей позволит чувствовать себя чуть более уверенно. Вероятно, не стоит прятать все признаки наличия технических средств охраны. Их присутствие даст понять непрошеным гостям, что их визит не останется незамеченным.

  1. Возможность, удобство и стоимость эксплуатации и обслуживания. 

Нужно понимать, что оборудование обсерватории, даже профессиональной удаленной и автоматизированной, требует внимания и правильной эксплуатации. Нужно быть готовым к необходимости провести какие то ремонтные или настроечные работы в случае необходимости.

  1. Наличие, качество, стоимость сооружения и эксплуатации коммуникаций, в первую очередь электроснабжения и связи.

Для функционирования обсерватории необходима электроэнергия, хорошо если с резервным источником питания - вторым вводом, аккумуляторами или электрогенератором для бесперебойной работы. Электрическое потребление оборудования обсерватории не велико - обычно не более 1 кВт/ч, но если нужно резервировать хотя бы на 6-8 часов, емкость батареи становится заметной. В  местности с большим числом ясных дней можно применять солнечные батареи. особенности их использования и целесообразность применения - в отдельной статье. Без качественного канала связи, желательно также с резервированием, не возможна работа современной обсерватории. Даже если не говорить об удаленном управлении, что является уже по сути стандартным режимом любой обсерватории, различные сигнализации и другие системы безопасности требуют надежного канала связи.

 Гриффитская обсерватория на крыше здания вблизи Лос-Анжелоса, США

Рис.3 Гриффитская обсерватория на крыше здания, США.

Таким образом, можно выделить два основных варианта размещения обсерватории конструктивно - в виде отдельно стоящего здания и на крыше существующего и два основных варианта  по месту расположения - вблизи существующей инфраструктуры - здания, сооружения, дачи и тп и на отдельно выбранной, специально подготовленной площадке. Понятно, что отдельное расположение на специально выбранной площадке предпочтительно. При этом даже обсерватория на крыше здания при учете вышеприведенных рекомендаций позволит проводить качественные наблюдения и подарит не забываемые эмоции от наблюдения космических явлений.