of1

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Física & Química

Mestrado em Física Aplicada – Graduação em Física Bacharelad

Prof. Gabriel Hickel Oficina 1 – Efeitos Atmosféricos

(PRAZO DE ENTREGA: 23:59:59 DE 30 DE MARÇO DE 2018)

1) Objetivos

Verificar experimentalmente alguns efeitos atmosféricos que afetam as observações astronômicas, particularmente na região espectral do óptico. No laboratório, iremos verificar o espalhamento da radiação óptica em um meio translúcido, bem como verificar a refração através da interface entre dois meios. Em campo, com o auxílio do telescópio e uma câmera rápida, iremos verificar e quantificar a turbulência atmosférica.

2) Introdução

A atmosfera terrestre interfere diretamente na observação de objetos que se encontram fora dela. Ela deve ser entendida como um fluído translúcido à passagem de ondas eletromagnéticas. Como tal ela provoca alguns efeitos que interferem na quantificação do fluxo e na qualidade da imagem dos astros, de modo geral. Dentre estes efeitos, podemos destacar a extinção atmosférica (perda de fluxo de energia luminosa por absorção e espalhamento das ondas eletromagnéticas), a refração (pela passagem do vácuo para o ar) e a distorção por turbulência atmosférica (“seeing”, causado pela refração diferencial da frente de onda). Nesta oficina, nós tentaremos visualizar e quantificar estes efeitos.

A extinção de fluxo luminoso será verificada através da passagem de luz por um recipiente com água, com a ajuda de um fotômetro e filtros. A refração será verificada com um recipiente com água, em volumes distintos e o desvio de feixes lasers (vermelho e verde) para cada altura de coluna de água. Ambos os procedimentos serão efetuados em laboratório.

A turbulência atmosférica e distorção das imagens serão verificadas em campo, com o auxílio de um telescópio e uma câmera rápida, para produzir filmes de alvos contínuos (Lua) e alvos puntiormes (estrelas duplas).

3) Material Utilizado

Experimento de extinção do fluxo luminoso (laboratório):  Becker;

 Fonte de luz (LED ultrabight);  Fotômetro (luxímetro);

 Filtros (CYM – Cian, Yellow, Magenta);  Água;

 Leite (para aumentar a turbidez);  Anteparos.

Experimento para refração por altura (laboratório):  Becker com escala de volume;

 Lasers vermelho e verde;

 Régua milimetrada para medir posição dos feixes laser;  Trena;

 Anteparos.

Experimento para verificação da turbulência atmosférica - seeing (campo):  Telescópio com acompanhamento;

 Câmera rápida;

 Microcomputador para aquisição de dados. Análises:

 Um computador com programa que trabalhe planilhas e gráficos (sugerido o “SciDavis” ; http://scidavis.sourceforge.net/);

 Programa para dos filmes (programa “Tracker”; https://physlets.org/tracker/);  Dados anotados em laboratório;

 Filmes obtidos em campo (dia 23 de Março de 2018), no seguinte link (Dropbox): https://www.dropbox.com/sh/6lq7l53bqbwou9h/AACiUBX0vh34viqE131hfa5ea?dl=0 4) Procedimentos

Supondo tendeo em mãos a Folha de Dados com as anotações feitas em Laboratório e instalados os programas Tracker e SciDAVis, efetuado o download dos arquivos de filmes no diretório Dropbox, os procedimentos são os seguintes:

 Calculando o efeito de extinção do fluxo luminoso e sua eventual dependência com o comprimento de onda

Monte uma tabela lógica e pró-forma, com os dados obtidos em laboratório. Nela deverá constar os fluxos medidos com o fotômetro e os três filtros: os “pontos zeros” (medidas com a luz desligada), os fluxos medidos quando só havia água no becker (meio “transparente”) e os fluxos medidos para quando a luz atravessou a mistura água+leite (meio “translúcido”).

Calcule a queda percentual de fluxo entre os meios “transparente” e “translúcido”.

Procure na Internet pelas curvas de transmissão dos filtros utilizados (Cian, Magenta, Yellow). Se encontrar estas curvas na forma gráfica, adicione as figuras no relatório. Caracterize os intervalos em que estes filtros deixam passar luz, para o intervalo de medida do fotômetro (350 a 750 nm).

Vimos com nossos olhos, no laboratório, que a luz do LED ultrabright (que emite em tdo o visível) passava pela água com pouco espalhamento e sem nenhuma mudança de cor aparente. Por outro lado, ao atravessar a mistura água+leite, o espalhamento de luz era grande, deixando a mistura “azulada” e o aspecto do LED era de amarelo para laranja, sugerindo que a luz azul fora aborvida/espalhada. Disserte brevemente sobre como poderíamos usar estas medidas que fizemos para investigar se o espalhamento é do tipo Rayleigh, similar ao que ocorre na atmosfera terrestre.

Adiconalmente, investigue e descreva no relatório, o que significa a unidade de medida “lux” e como poderíamos converter o fluxo medido em “lux” para Watts/metro2_.

 Verificando o efeito de refração

Monte uma tabela lógica e pró-forma, com os dados obtidos em laboratório. Nela deverá constar os volumes de água, a altura da coluna de água correspondente (calculada conforme a altura medida para o volume final), as posições e os desvios para os lasers vermelho e verde.

Faça um gráfico de pontos experimentais, dos desvios dos lasers vermelho e verde, contra a altura da coluna de água.

Calcule e escreva os ângulos de incidência dos lasers vermelho e verde, a partir das medidas feitas ao final do experimento.

Vamos pensar o experimento: os ângulos de incidência dos lasers na interfade ar/água são sempre os mesmos. Então, por que os desvios mudaram com a coluna de água? Faça um desenho esquemático, comentado, para explicar isto. Considerando o índice de refração do ar igual a 1,00 (nar = 1,00); calcule o índice de refração da água para os lasers vermelho e verde, utilizando os dados do experimento (dica: utilize os desvios para calcular os ângulos de refração e a lei de Snell). Eles são diferentes?

Baseado no experimento, disserte brevemente sobre como a refração de um astro observado no céu deve variar com relação à altura em graus, em relação ao horizonte.

 Medindo a turbulência atmosférica

Abra o filme “lua.mp4” no Tracker. Você precisa escolher 4 pontos que sejam facilmente identificáveis ao longo do filme e medir as suas posições (x e y, em pixels), em 10 quadros do filme, à escolha. Faça uma tabela com estas medidas.

Para cada um dos 10 quadros, calcule as separações (em pixels) entre estes 4 pontos (tem-se um total de 6 separações). Calcule os desvios padrões (em pixels) das 10 medidas de cada uma das 6 separações. Calcule a média (em pixels) dos 6 desvios padrões definidos. Esta média é uma medida das distorções presentes nas imagens do filme. Esta distorções advém da turbulência.

Para converter esta média das distorções, de pixel para ângulo no céu, vamos usar a cratera de Theophilus, que aparece no filme, conforme o quadro exemplo, abaixo:

Esta cratera compreende 3,5 graus do perímetro da Lua, tendo um diâmetro de 106 km. No instante da observação, o diâmetro angular aparente da Lua era de 32,17 minutos de arco. Utilize uma regra de três simples para obter o tamanho angular, no céu, referente ao diâmetro desta cratera. Após isto, utilize o bastão de medição do Tracker, para medir o tamanho do diâmetro da cratera, em pixels. Estabeleça a relação entre segundos de arco e pixels. Utilize esta relação para obter o valor da média das distorções, em segundos de arco. Este será o valor do “seeing” obtido para o filme da Lua.

Abra o filme da estrela Castor. Escolha 10 quadros do filme, aleatoriamente, para avaliar o perfil da estrela dupla. Em cada quadro, use a ferramenta “perfil de linha” do Tracker para obter o perfil de corte do sistema (veja figura de exemplo, abaixo). Salve os arquivos referentes a estes 10 perfis e leve-os para análise no SciDAVis. Em cada um destes perfis, ajuste duas gaussianas. Faça um gráfico de um dos perfis, com as gaussianas ajustadas, para colocar no relatório. Anote o centro e a largura (em pixel) de cada uma das gaussianas, para os 10 perfis. Calcule e anote a média (em pixel) das larguras das 20 gaussianas. Calcule e anote a média e dispersão (em pixel) das distâncias entre os centros das gaussianas que representam as duas estrelas. Faça uma tabela com estes dados (centros, distâncias entre os centros e larguras das gaussianas).

Baseado no fato de que a distância entre as duas estrelas é de 6,12 segundos de arco, obtenha a relação entre segundos de arco e pixels, utilizando a média das distâncias entre os centros das gaussianas. Faça uso desta relação para fazer duas estimativas do seeing: pela média das guassianas das estrelas e pela dispersão das distâncias entre os centros das gaussianas.

 Cocnluindo a Medinda da turbulência atmosférica

Compare e comente as três medidas do seeing feitas. Elas são parecidas? Qual delas você pensa ser a melhor e por que?

5) Resultados

Para entregar o seu trabalho, mande pelo e-mail externo (somente neste): profgabrielhickel@gmail.com; com o assunto “TOA-of1” e anexado, NO FORMATO PDF, um arquivo com o nome no seguinte formato:

Of1-TOA_<no.mat.aluno1>_<no.mat.aluno2>_<no.mat.aluno3>.pdf

Neste arquivo deverá ter: a tabela com os dados brutos do fotômetro; a queda percentual de fluxo, por filtro, entre os meios transparente e translúcido; a caracterização dos filtros utilizados; a análise do tipo de espalhamento; a investigação da conversão de lux para W/m2_{; a tabela com os dados brutos do} experimento de refração; o gráfico do desvio de cada laser contra a altura de coluna d´água; os ângulos de incidência dos lasers vermelho e verde; o desenho esquemático para explicar os desvios dos lasers; o índice de refração da água para os lasers verde e vermelho; a análise sobre a dependência da refração com a altura do astro; a tabela com os dados dos 4 pontos para 10 quadros do filme da Lua; os desvios padrões das 6 sepações; a média destes 6 desvios padrões; o tamanho angular do diâmetro da cratera de Theophilus; a relação entre segundos de arco e pixel, para o filme da Lua; o valor do seeing para o filme da Lua; o gráfico de um dos perfis das estrelas de Castor; a tabela com os dados das gaussianas ajsutadas; a relação entre segundos de arco e pixel, para o filme de Castor; os dois seeings calculados pelo filme de Castor; a análise das três medidas de seeing.

Eu enviarei um replay, confirmando o recebimento (o que significa que consegui abrir o arquivo e o armazenei para correção).

ESCLARECENDO:

 NÃO ACEITAREI TRABALHOS QUE NÃO ESTEJAM NO FORMATO PDF;

 NÃO ACEITAREI TRABALHOS QUE NÃO TENHAM SIDO ENVIADOS AO E-MAIL: profgabrielhickel@gmail.com;

 O E-MAIL QUE ENVIO DE REPLAY, CONFIRMANDO, É O SEU RECIBO. GUARDE-O ATÉ O FINAL DO SEMESTRE.