Determinação da opacidade atmosférica em comprimentos de ondas submilimétricas

Abstract

To understand the nature of the solar explosive radiation mechanisms at high frequency radio waves, which depends on the interpretation of the flux density spectrum (S), it is necessary to have a good estimate of the accuracy of S . For this reason, the atmospheric opacity determination is essential, to correct the observed solar radiation flux from radio telescopes in the ground. For high frequencies (e.g. in the sub-millimeter and infrared wavelength), the water vapor is mainly responsible of the atmospheric opacity. Thus, the solar radiation collected by the radio telescope can be strongly attenuated up to a factor of 1000 (e.g. at 405 GHz). Therefore, it is necessary to have a reliable estimate of the atmospheric opacity. The main aim of this work is to determine the atmospheric opacity at 212 and 405 GHz using the solar brightness method. Comparing with the characteristics of other methods in the literature, we find that this one allows to determine the atmospheric opacity up to considerably high values, and only depends on one parameter. Namely, the product 𝑃 = 𝜂𝑇, where 𝑇 is the brightness temperature of the Sun measured at 212 and 405 GHz and 𝜂 is the beam efficiency; we assume that the 𝑃 value is constant even though 𝑇 and 𝜂 are not well known individually. For the development of the present work, we were used approximately 18 thousand solar scans recorded by the Submillimetric Solar Telescope (SST, CASLEO, 2552 m altitude), for the period between 2002 and 2015, where only clear days with low opacity were considered. Using the solar brightness method, the 𝑃 value was calculated at 212 and 405 GHz. For the four beam at 212 GHz, we obtained: ¯ 𝑃 = 2446 ± 149 K (beam 1); ¯ 𝑃 = 2489±184 K (beam 2); ¯ 𝑃 = 2541±223 K (beam 3); ¯ 𝑃 = 2361±199 K (beam 4) and for the two beams at 405 GHz we obtained: ¯ 𝑃 = 3241±331 K (beam 5) and ¯ 𝑃 = 3299 ± 276 K (beam 6). Using the mean values ¯ 𝑃, the atmospheric opacities 𝜏212 and 𝜏405 were determined at 212 and 405 GHz, respectively. The correlation between the opacities 𝜏212 and 𝜏405, show that the opacity at 405 GHz ∼ 7 times more than that at 212 GHz. In addition, we also find that the atmospheric opacities determined with the method proposed in this work show an excellent correlation with the water vapor content, when this is measured simultaneously.

Para compreender a natureza dos mecanismos de radiação explosiva solar em ondas de rádio de alta frequência, que depende da interpretação do espectro da densidade de fluxo (S), é necessário ter uma boa estimativa da precisão de S. Por essa razão, a determinação da opacidade atmosférica é essencial, para corrigir o fluxo de radiação solar observado pelos radiotelescópios no solo. Para altas frequências (como por exemplo, na faixa submilimétrica e infravermelha), o vapor de água é a principal responsável da opacidade atmosférica. Assim, a radiação solar coletada pelo radiotelescópio pode ser fortemente atenuada até um fator de 1000 (como por exemplo, em 405 GHz). Portanto, é necessário ter uma estimativa confiável da opacidade atmosférica. O principal objetivo deste trabalho é determinar a opacidade atmosférica em 212 e 405 GHz usando o método da brilhância do Sol. Comparando com as características de outros métodos na literatura, encontramos que este método permite estimar a atenuação atmosférica até valores consideravelmente altos, e somente depende de um único parâmetro, conhecido como o produto, 𝑃 = 𝜂𝑇. Onde 𝑇 é a temperatura de brilho do Sol medida em 212 e 405 GHz e 𝜂 é a eficiência do feixe. Embora, estas duas quantidades não serem bem conhecidas individualmente, nos assumimos, que o valor de 𝑃 é constante. Para o desenvolvimento do presente trabalho foram utilizados aproximadamente 18 mil varreduras solares medidas pelo Telescópio Solar Submilimétrico (SST, CASLEO, 2552 m de altitude), para o período entre 2002 e 2015, considerando dias de observação de céu aberto, com baixa opacidade. Utilizando o método da brilhância do Sol, foram calculados os valores de 𝑃 em 212 e 405 GHz. Para os quatro feixes em 212 GHz obtivemos os seguintes valores médios: ¯ 𝑃 = 2446 ± 149 K (feixe 1); ¯ 𝑃 = 2489 ± 184 K (feixe 2); ¯ 𝑃 = 2541 ± 223 K (feixe 3); ¯ 𝑃 = 2361 ± 199 K (feixe 4) e para os dois feixes em 405 GHz obtivemos: ¯ 𝑃 = 3241 ± 331 K (feixe 5) e ¯ 𝑃 = 3299 ± 276 K (feixe 6). Utilizando o valor médio ¯ 𝑃 foram determinadas as opacidades atmosféricas 𝜏212 e 𝜏405, em 212 e 405 GHz, respectivamente. A correlação entre as opacidades 𝜏212 e 𝜏405, aponta para uma opacidade em 405 GHz de ∼ 7,0 vezes maior do que em 212 GHz. Além disso, encontramos também que as opacidades atmosféricas determinadas pelo método proposto nesta dissertação, mostram uma excelente correlação com o conteúdo de vapor de água, quando este é medido simultaneamente.