Роса и иней при астрономических наблюдениях

Секреты повседневного использования астрономических инструментов, их юстировки и регулировки

Роса и иней при астрономических наблюдениях

Сообщение bot » 29 окт 2009, 21:30

Как избежать вредного влияния росы и инея на телескоп и наблюдения


Это очень животрепещущая тема. Практически любой любитель астрономии однажды сталкивался во время ночных наблюдений или после них с запотеванием линз/зеркал телескопа, искателя и/или окуляров, которые заставляли прервать наблюдение или даже приводили к порче оптических покрытий, коррозии металла монтировок и т.п.

Причины выпадения росы и инея на астрономические инструменты


В воздухе всегда присутствуют пары воды. Под парами имеется ввиду не туман или пар, который мы видим в холодную погоду выходящим изо рта (это уже вода в виде мелких капелек жидкости), а вполне себе прозрачный газ. Отношение массы паров воды к массе воздуха, в котором они содержатся, выраженное в процентах называется абсолютной влажностью и широко варьируется (от 0.5% и менее до 2.5% от массы воздуха). То есть из кубометра воздуха можно (если постараться) выжать столовую ложку воды. Как же "выжимается" эта вода? Каков механизм такой отдачи? Того, что называется орошением.

Оказывается, поглотительная в части паров воды емкость воздуха сильно зависит от температуры. Чем температура выше, тем больше может быть абсолютная влажность воздуха. И наоборот - при охлаждении воздуха его емкость для для водяных паров резко уменьшается. Если влажный теплый воздух начать охлаждать, то при достижении некоторой температуры (она называется точкой росы) вода начинает конденсироваться в виде мельчайших капелек жидкости - тумана или росы. Ну да,.. тот пар, который валит из нашего рта в морозную погоду - результат конденсации теплого влажного воздуха из наших легких, который остывает от контакта с окружающим холодным воздухом! Чем меньше абсолютная влажность тем ниже "точка росы". Если в воздухе нет паров воды, то как его не охлаждай - роса не появится. Поэтому на практике более важным показателем влажности является не абсолютная влажность воздуха, а его относительная влажность - отношение массы водяных паров к массе паров, которые при этой температуре может еще "вместить" воздух без того, чтобы вывалить ее в виде росы, тумана или инея (в морозную погоду). Воздух одной и той-же абсолютной влажности будет иметь разную относительную влажность при разной температуре - тем большую, чем ниже тепература. В "точке росы" относительная влажность достигает 100% и при дальнейшем охлаждении влага должна будет выделиться в виде тумана (воздушная взвесь мелких капель) или росы (капли на предметах).

ТемператураМасса воды в м3 воздуха при 100% влажности
+30Co30 гр.
+20C17 гр.
+10C9 гр.
0C5 гр.
-10C2.5 гр.
-20C1 гр.


И так мы узнали, что самым простым способом выжать из воздуха воду это - как можно сильнее охладить его!

Типичные ситуации орошения оптики и механики телескопа



Внесение холодного инструмента в жилое помещение
Заносим холодную оптику с улицы в теплое помещение и видим - наружные оптические и металлические поверхности быстро начинают покрываться тонким туманным налетом росы, а то и инея. Уже через несколько минут труба и наружные поверхности линз объектива, окуляров просто мокрые! Зная о поведении влажного воздуха, для нас это теперь не сюрприз. Теплый воздух помещения охлаждается при контакте с оптикой и отдает свою избыточную влагу ближайшему предмету - а именно тому, от контакта с которым он охладился. Что делать? Орошение оптики и металла оправ совсем не на пользу астрономическим инструментам. Метал монтировки подвержен коррозии, защитные лако-красочные покрытия короблению и растрескиванию, стекло - выщелачиванию, пыль на орошенных линзах и зеркалах влагой росы цементируется, просветляющие и зеркальные покрытия оптических поверхностей имеют предел химической стойкости (так называемой пятнаемости). Нужно обязательно оградить холодную оптику после наблюдений от контакта с теплым и влажным воздухом помещения! Холодную трубу телескопа и проч. оптические узлы перед внесением в помещение следует плотно закупорить всеми штатными крышками, предотвращая проникновение воздуха внутрь. Если крышек нет, или вы не уверены в плотности их прилегания - используйте полиэтиленовые пакеты с резинками - один на объективную часть, другой - на окулярную. Небольшие оптические узлы (окуляр, фотообъектив) можно уложить в пакет целиком. А в достаточно большой пакет можно уложить и всю трубу телескопа. Теперь оптике и металлу ничего не угрожает - крышки или пленка могут ороситься, но только снаружи - внутри все останется сухим (так как из-за невозможности притока влаги извне абсолютная влажность в замкнутом объеме трубы не изменяется, а относительная при росте температуры только уменьшается). Трубу можно будет распаковать, когда ее части (внутри упаковки) нагреются до температуры выше "точки росы" помещения. Можно применить так же и другой прием - не вносить трубу в жилое помещение вообще, а хранить в какой-нибудь неотапливаемой (но сухой!) подсобке.

Кстати, аналогичен механизм орошения дыханием. Если зимой неосторожно выдохнуть на промерзший окуляр - он тут же покроется инеем (теплый и насыщенный влагой воздух охлаждается и избыточная влага оседает на ближайшем предмете - холодном окуляре). Дышать стоит в сторону, а между наблюдениями прикрывать окуляр крышечкой или чехлом. Промерзшая глазная линза окуляра может ороситься даже и просто от близости теплого и влажного глаза - лучше не допускать окуляр до промерзания - в промежутках между наблюдениями его стоит вынимать из окулярной трубки и прятать теплый контейнер.


Вынос оптики на холод (мороз)
Многие владельцы телескопов с замкнутыми трубами (вроде Шмидт-Кассегренов и, реже, рефракторов) сталкиваются с ситуацией, когда труба телескопа, остывающая в начале наблюдательной сессии, орошается (покрывается инеем) изнутри!.. И это уже не должно удивлять нас с вами. Теплый влажный воздух (котором труба запаслась во время хранения в теплом жилом помещении) замкнутый внутри трубы при охлаждении (от контакта со стремительно охлаждающимися стенками трубы и передним оптическим компонентом) сначала достигает "точки росы", а затем также начинает отдавать свою влагу - прежде всего самым быстро охлаждающимся элементам конструкции. Если стенки трубы металлические, то - им, если труба имеет хорошую тепловую изоляцию (углепластик, обрезинивание и т.д.) - то передней (быстрее всего охлаждающейся) линзе.

С защитой тут все относительно просто. Надо заранее - еще в самом начале наблюдений - выгнать теплый влажный воздух из трубы. Обычно для этого достаточно открыть окулярную втулку и оставить трубу в положении, когда эта трубка смотрит вверх. Теплый (и главное влажный) воздух быстро выйдет (если этому, конечно, не мешает светозащитная "морковка" труб Кассегренов, которая делает из его объема что-то типа "непроливашки"), его заменит наружный - холодный и сухой. Трубу можно закупоривать и уже не бояться орошения изнутри. Некоторые производители заполняют трубу осушенным азотом и делают внутренний объем трубы герметичным. Очевидно, должны помогать вкладыши с силикагелем и т.п.


Роса и иней на телескопе в процессе наблюдений
Это самый частый и неприятный случай. В процессе наблюдений и постепенного вечерне-ночного падения температуры все наружные поверхности (в том числе и телескопа) начинают покрываться росой или инеем. Вроде бы все понятно - температура воздуха падает и избыточная влага выпадает из него в виде росы/инея. Но не все так просто... Если бы выпадение росы возникало вследствие простого падения температуры воздуха, должен был бы быть туман (выдавливание воды по всему объему воздуха). Но тумана нет (кто же в туман наблюдает!), а роса есть. Вот такой кажущийся парадокс!

Оказывается, роса (иней) и в этом случае выпадает на переохлажденных по сравнению с воздухом поверхностях. Травинки, веточки деревьев, капоты и крыши припаркованных автомобилей, наши с вами телескопы и их монтировки при выпадении росы имеют температуру заметно меньше температуры воздуха! Это и провоцирует выпадение избыточной влаги из относительно все более влажного (по мере охлаждения) воздуха. Почему же температура предметов оказывается ниже, чем у воздуха? Оказывается, в отсутствие дневного солнца или облачности (наблюдаем мы чаще ночью и в ясную погоду :D ) предметы остывают прежде всего за счет потери тепла излучением в космос (чистое небо над головой), который является прекрасным и эффективным холодильником. И, чем предмет больше похож на так называемую идеализацию абсолютно черного тела - тем более эффективно он охлаждается (пропорционально примерно в четвертой степени разницы температур с "холодильником"). Понятно, что для эффективного излучения предмет должен видеть небо как можно под большим (так называемым телесным) углом и выглядеть более черным. Воздух прозрачен (во всяком случае в некотором спектральном диапазоне) и более далек от этой модели абсолютно черного тела. Он в большей степени охлаждается за счет контакта с быстрее охлаждающимися непрозрачными предметами. Получается как бы цепочка холодильников: космос<-предметы (котрые "видят" небо)<-приземный воздух и соответствующее направление передачи тепла. Воздух в части вечерне-ночного охлаждения тормозит больше всех.

Стоит заметить, что линзы хоть и прозрачные, но в ИК (инфракрасном спектральном диапазоне) излучают - будь здоров, поскольку непрозрачны уже в относительно ближнем ИК диапазоне и в нем под механизм излучения свойственный вполне себе черным телам.

Как же противостоять росе и инею во время наблюдений


В борьбе с росой надо помнить о главном: объектив телескопа и механика его трубы в идеале не должны сильно отличаться по температуре от окружающего воздуха, иначе в них неизбежно возникают большие или меньшие перепады температуры и они начинают играть роль грелок возбуждающих тепловую конвекцию и расслоение воздуха внутри трубы по температуре. У телескопа более теплого, чем окружающий воздух возникают: неоднородность показателя преломления воздуха (1) внутри трубы, (2) между элементами оптических сборок и (3) температурные деформации-коробления оптических поверхностей, что особенно критично для зеркал. Все эти факторы "ломают" расчетный ход света и приводят к появлению термоаберраций, которые снижают показатели качества изображения телескпа или астрографа. То есть используя пассивные и активные методы борьбы с росой важно не перестараться. С одной стороны проблемы росы, а с другой - тепловой стабилизации. Следует, вероятно отметить, что такие оптические узлы как окуляры не столь критично реагируют на разность своей температуры с окружающим воздухом - они вполне могут быть теплыми...

Надо сделать так, чтобы телескоп (ну хотя бы его оптические поверхности, Бог с ней - с механикой) не охлаждался так уж стремительно. То есть или понемногу подогревать оптику (например, специальными маломощными электрическими грелками - dew heater), или максимально полно изолировать оптику от столь коварного вида "космического холодильника" - неба, или делать их как можно более далекими от модели черного тела. А скорее - все понемногу.

Один из эффективных методов борьбы с переохлаждением - отдалить трубу телескопа от идеала абсолютно черного тела. Не даром традиционный цвет телескопов - белый. Белые предметы излучают свое тепло меньше черных. К сожалению оценить цвет мы можем только в видимом диапазоне. В инфракрасном (ИК) диапазоне цвет трубы телескопа (а соответственно эффективность его охлаждения излучением) может отличаться от оценки в видимом диапазоне. Материал и конструкция трубы телескопа могут быть сделаны таким образом, чтобы минимизировать теплообмен с наружными (излучающими) поверхностями. При этом возникает другая неприятная проблема - медленно остывающая оптика "струит" за счет конвекционных воздушных потоков, что сильно портит изображение. Конструкция и материал трубы должны способствовать быстрому остыванию до температуры воздуха, но препятствовать ее дальнейшему падению за счет излучения.

Довольно эффективный прием - экранирование телескопа от "космического холодильника". Автомобилисты должны обращать внимание, что утром инеем покрыта как правило только та сторона авто, которая обращена в сторону от дома. Здания экранируют корпус автомобиля от излучения "в небе". Совсем закрыть оптику от вида неба нельзя - мы же наблюдаем в конце концов (ну разве что, когда отходим от телескопа, полезно накрыть его объектив и объектив искателя крышкой/чехлом). А вот сузить телесный угол, под которым виден кусок неба очень даже можно. Для этого традиционно служат длинные бленды-противоросники (dew shield) на объективах телескопов. Чем бленда (жесткая или эластичная, самодельная или покупная) длиннее, тем эффективнее она ограждает объектив от потери тепла ИК-излучением, то есть от переохлаждения и выпадения росы/инея (см. самодельную бленду на иллюстрации). Обычно бленды длиной в два своих внутренних диаметра вполне достаточно, чтобы противостоять выпадению росы. В этом смысле труба телескопа Ньютона самый эффективный противоросник - очень редко его главное зеркало орошается во время наблюдений. А вот диагональное иногда требует дополнительной защиты - удлинения переднего обреза трубы. Импровизированный противоросник на трубу телескопа можно свернуть из пенополипропиленового коврика, любого куска эластичного пластика или фольгированной теплоизоляции (а затем закрепить скотчем). Но при высокой влажности, быстром падении температуры и большой апертуре телескопа пассивный противоросник (бленда) может оказаться недостаточным для предотвращения выпадения росы. Более надежно использовать активные противоросники с электроприводом.

Электрические грелки или активные противоросники (мощностью от единиц ватт до 10-20 Вт) представляют собой или цепочку резисторов, или проволочный нагревательный элемент, часто в матерчатом или другом чехле обернутый вокруг оправы переднего линзового элемента или даже вмонтированные туда. При подведении электричества они греют оправу и оптику в ней до температур чуть выше точки выпадения росы/инея. Обычно эти нагреватели снабжаются контроллерами, которые позволяют регулировать температуру. Слишком большая температура и "плывет", "струится" изображение, слишком малая - происходит орошение. Понятно, что все это не бесплатно - надо иметь под руками довольно емкий аккумулятор, для питания такого противоросника.

Обдув поверхности окружающим воздухом (при помощи маломощного вентилятора) оказывается еще более эффективным средством. Пока оптика теплая такой обдув способствует быстрейшему выравниванию температуры и уменьшению влияния тепловых аретфактов. Когда температура оптики снижается ниже окружающего воздуха (и возникает опасность осаждения росы/инея) обдув окружающим воздухом подогревает ее и не дает упасть температуре ниже "точки росы". Получается отлично отрегулированный механизм удержания температуры оптических и проч. обдуваемых деталей вблизи наиболее безопасной температуры окружающего воздуха.

Стоит отметить, что ввиду вышесказанного не стоит во время наблюдений раскладывать окуляры под ясным небом (в частности, на полочках, которые так предусмотрительно предлагаются к монтировкам). Они выстудятся и заиндевеют так же как и любой другой предмет под ясным ночным небом при повышенной влажности. Лучше окуляры хранить в закрывающейся коробке и может быть даже с подогревом.

Комплексное решение проблем связанных с росой


Наилучшее решение защиты от всех случаев орошения - наблюдения из специально подготовленного помещения. По другому это помещение называется - обсерватория. В своем классическом исполнении - вращающийся купол с вертикальным закрываемым проемом-окном, отлично предохраняет от орошения как в процессе наблюдений (эффективно экранирует от потери тепла излучением в небо) так и между ними (минимизируя перепады температуры и сохраняя инструмент в сухости). Кроме того аэродиномическая форма купола смягчает местную турбуленцию, которая особенно сильно ухудшает качество изображения.

Что делать, если орошение уже произошло?


Не паниковать! Не пытаться протирать оптику рукавом или даже исподним.

Лучше всего как-то отогреть оптику (не путем внесения в помещение или дыханием - см. первый типичный случай орошения). Например, можно подставить ее под свет мощной лампы накаливания (фары автомобиля или фонаря). Обдуть феном - очень распространенный и действенный метод при наличие соотв. источника питания. Можно сделать специальное приспособление из 12В вентилятора блока питания компьютера и цепочки резисторов (10-20 Вт) в струе его воздуха. Помогает наклон трубы вниз, так чтобы объектив смотрел в землю - пока нет снежного покрова земля довольно ощутимо греет и хоть не скоро, но сгонит росу в передней линзы объектива. Если есть ветерок, то объектив стоит развернуть в сторону ветра (и вниз) и подождать пока роса сойдет естественным путем. Если запотел небольшой окуляр то помогает отогревание рукой - если обхватить его ладонью (за металл) и перетерпеть обжигающий холод, то постепенно окуляр нагреется достаточно, чтобы роса с глазной линзы испарилась. Линзы искателя или мелких недорогих окуляров можно протирать чистыми тряпочками из микрофибры (часто их можно купить в офтальмологических магазинах).

Ну а если ничего не помогает - накрыть телескоп непрозрачным чехлом (брезентом), оставить его и идти домой отсыпаться. Только не оставляйте неприкрытым инструмент до утра на улице - под утро он будет похож если не на снежную бабу, то на утопленника. Под чехлом же его температура вскорости сравняется с температурой воздуха и он если не осушится, то во всяком случае не оросится еще больше.
dew_shield.JPG
dew_shield.JPG (30.9 КБ) Просмотров: 10846


Назад к оглавлению статей
bot

 
Сообщения: 31
Зарегистрирован: 28 окт 2009, 12:20

Запотевание глазных линз окуляров

Сообщение Ernest » 08 янв 2015, 09:33

Как избежать запотевания глазных линз окуляра на морозе?


При наблюдениях на морозе типичной ситуацией оказывается "запотевание" глазной линзы окуляра уже при приближении глаза наблюдателя. Как с этим бороться? Тема затронута в основной статье, но похоже требует отдельного пояснения.

Что происходит?


Окуляр при длительном использовании на морозе остывает почти до температуры окружающего воздуха (а может и более низкой, см. выше). Теплые глаза наблюдателя с активно испаряемой слезной жидкостью согревают и увлажняют окружающий их воздух. При приближении глаза к окуляру встреча теплого и влажного воздуха с переохлажденной линзой приводит к выпадению на ней росы (и даже инея), что понятно дело мешает дальнейшим наблюдениям ввиду появления сильных ореолов и снижения контраста изображения. Стоит заметить, что само собой разумеется правило не дышать на морозе в сторону линз окуляра - это вырубит оптику окуляра быстро и надолго!

Как предотвратить?


Все уже знают, что телескоп для эффективных наблюдений требуется охладить примерно до температуры окружающего его воздуха. Иначе тепловые токи воздуха внутри трубы телескопа и тепловая деформация оптических компонентов будут разрушать тонкие детали изображения. Но это относится именно к объективу телескопа и механике его трубы. Окуляры охлаждать не требуется! Тепловые эффекты в окуляре оказывают по сравнению с объективом вредное воздействие на структуру изображения обратно пропорциональное увеличению. Отсюда первое правило: при тепловом отстое трубы телескопа выньте из нее окуляр и держите его (их) в тепле до самого момента начала наблюдений. Теплая же оптика окуляра не оросится (не запотеет)!

В процессе наблюдений стратегия в использовании окуляров должна строится на максимальном сохранении в них исходного запаса тепла (пассивные мероприятия) и восполнении его подогревом (активные).

Для сохранения тепла окуляра:
  • При наблюдениях в сильный мороз дополните родную теплоизоляцию корпуса окуляра дополнительной. Например, зайдите в строительный магазин и прикупите теплоизоляцию для труб из вспененного полиэтилена подходящего диаметра минимальной длины. Если от трубы теплоизоляции отрезать подходящей длины кусок и натянуть на окуляр, он будет остывать значительно медленнее. Можно каждый из своих окуляров снабдить такой дополнительной "шубой" или выкроить одну для того окуляра, который используется (если сделать на трубке теплоизоляции продольный разрез она легко адаптируется к окулярам разных диаметров).
  • Следует помнить что собственно во время наблюдения, когда окуляр почти контактирует с лицом наблюдателя скорость его остывания не велика, а вот в перерывах, когда наблюдатель отвлекается на изучение карты, разговоры с другими наблюдателями, на наблюдения в бинокль и т.п. окуляр лишенный теплозащиты в виде головы наблюдателя остывает много быстрее. В таких случаях помогает простая теплоизоляционная накидка на окуляр - просто тряпочка или варежка.
  • При отвлечении наблюдателя на более длительное время или при смене увеличения неиспользуемый окуляр следует поместить в утепленный бокс предназначенный для хранения окуляров (некоторые даже делают окулярные кейсы с подогревом) или хотя бы просто за пазуху, в глубокий карман одежды - но точно не хранить в открытом виде (скажем, на полочках, которыми комплектуются многие монтировки).

Для подогрева:
  • Используйте кейс с электроподогревом или аккумуляторами тепла, в котором можно выдерживать окуляры в перерывах между использованием.
  • Прикупите электрический 12В фен, которым время от времени можно подогревать окулярную оптику питаясь от аккумулятора.
  • Обратите внимание на специальные окулярные электро-грелки для окуляров.
  • Не стоит согревать окуляры внесением в жилое помещение. Это чревато интенсивным выпадением росы - многократное выпадение росы вредно для оптики, механики и оптических покрытий.

А также


Заметьте, что примерно те-же проблемы возникают с искателем (который может статься еще более критический ресурс ввиду незаменимости). И решаются они примерно так-же + обязательные крышки на объектив и окуляр в перерывах между наведениями. Единственно - нет возможности спрятать его между использованиями в окулярный ящик.
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
 
Сообщения: 9157
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1


Вернуться в Эксплуатация

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1