Assessing time scales of atmospheric turbulence at observatory
sites
Evolution temporelle de la turbulence sur les sites d'observations astronomiques.
Résumé
The research brought together in this thesis is concerned with the
distortion of astronomical observations due to atmospheric
fluctuations. These fluctuations are especially critical for the
technique of interferometry whose potential is here exemplified by
the study of delta Velorum. The focus of the research is,
accordingly, on improved methods to assess the changing viewing
conditions at existing observatories, as well as to determine the
suitability of potential observatory sites.
Site-testing and site-monitoring missions are usually directed at the
assessment of the Fried parameter with instruments such as the
Differential Image Motion Monitor, DIMM. An estimation of the
coherence time requires then, in addition, wind-speed measurements by
weather stations. A more refined evaluation is obtained with
instruments such as the Multi Aperture Scintillation Sensor, MASS,
that measure the altitude profiles of the index structure constant,
Cn^2, and the wind speed with a resolution of about 500m, and infer
the coherence time from the integrated turbulence profiles. The main
error in the estimated coherence time results from the turbulence
below 500m altitude not being accounted for.
To avoid these complexities, we suggest the direct measurement of a
quantity proportional to the coherence time. The variance of the
defocus velocity is a suitable option, because it can be evaluated
through fast and continuous sampling of the atmospheric defocus
coefficient. The concept of a Fast Defocus Monitor, FADE, an
instrument using a small telescope, some simple optics and a fast
camera is described, and first measurements are presented.
The final aim is to use FADE for site monitoring and site testing
campaigns. A particularly challenging and interesting project will be
to monitor the coherence time at DomeC.
distortion of astronomical observations due to atmospheric
fluctuations. These fluctuations are especially critical for the
technique of interferometry whose potential is here exemplified by
the study of delta Velorum. The focus of the research is,
accordingly, on improved methods to assess the changing viewing
conditions at existing observatories, as well as to determine the
suitability of potential observatory sites.
Site-testing and site-monitoring missions are usually directed at the
assessment of the Fried parameter with instruments such as the
Differential Image Motion Monitor, DIMM. An estimation of the
coherence time requires then, in addition, wind-speed measurements by
weather stations. A more refined evaluation is obtained with
instruments such as the Multi Aperture Scintillation Sensor, MASS,
that measure the altitude profiles of the index structure constant,
Cn^2, and the wind speed with a resolution of about 500m, and infer
the coherence time from the integrated turbulence profiles. The main
error in the estimated coherence time results from the turbulence
below 500m altitude not being accounted for.
To avoid these complexities, we suggest the direct measurement of a
quantity proportional to the coherence time. The variance of the
defocus velocity is a suitable option, because it can be evaluated
through fast and continuous sampling of the atmospheric defocus
coefficient. The concept of a Fast Defocus Monitor, FADE, an
instrument using a small telescope, some simple optics and a fast
camera is described, and first measurements are presented.
The final aim is to use FADE for site monitoring and site testing
campaigns. A particularly challenging and interesting project will be
to monitor the coherence time at DomeC.
La vie sur Terre est rendue possible grâce au rideau protecteur que
constitue l'atmosphère. Avec sa masse équivalente à dix mètres d'eau,
l'atmosphère est une condition préalable à l'apparition de la vie.
Mais ce rideau rend la vie difficile aux astronomes qui préféreraient
avoir une vue directe sur l'Univers. Il est donc indispensable de
caractériser et de spécifier les conditions atmosphériques qui
permettent la meilleure utilisation des systèmes d'optiques
adaptatives et des interféromètres - les interféromètres, dont le
potentiel est ici illustré à travers les observations d'un système de
trois étoiles, delta Velorum.
Le temps de cohérence de la turbulence est un paramètre essentiel qui
détermine la sensibilité des interféromètres et la performance des
systèmes d'optiques adaptatives. Il existe plusieurs instruments qui
mesurent le temps de cohérence ou des paramètres reliés, mais tous
ces instruments ont des limitations intrinsèques:
ou bien ils nécessitent de grands télescopes, ou bien l'analyse des
données est complexe, ou encore la méthode n'est sensible qu'à une
partie de la turbulence. C'est pourquoi les campagnes de tests de
sites et de monitoring reposent principalement sur la mesure du
seeing, avec des instruments comme le Differential Image Motion
Monitor, DIMM.
Pour palier ce manque, nous avons proposé un instrument pour mesurer
le temps de cohérence: le Fast Defocus Monitor, FADE. La méthode
consiste à transformer l'image d'une étoile, à travers un petit
télescope de 0.35m de diamètre, en un anneau fin. La turbulence cause
alors des variations temporelles du rayon de l'anneau, dont la
vitesse et l'amplitude sont reliées au temps de cohérence et au
seeing. Cette méthode est présentée ici avec les résultats de
premières observations.
constitue l'atmosphère. Avec sa masse équivalente à dix mètres d'eau,
l'atmosphère est une condition préalable à l'apparition de la vie.
Mais ce rideau rend la vie difficile aux astronomes qui préféreraient
avoir une vue directe sur l'Univers. Il est donc indispensable de
caractériser et de spécifier les conditions atmosphériques qui
permettent la meilleure utilisation des systèmes d'optiques
adaptatives et des interféromètres - les interféromètres, dont le
potentiel est ici illustré à travers les observations d'un système de
trois étoiles, delta Velorum.
Le temps de cohérence de la turbulence est un paramètre essentiel qui
détermine la sensibilité des interféromètres et la performance des
systèmes d'optiques adaptatives. Il existe plusieurs instruments qui
mesurent le temps de cohérence ou des paramètres reliés, mais tous
ces instruments ont des limitations intrinsèques:
ou bien ils nécessitent de grands télescopes, ou bien l'analyse des
données est complexe, ou encore la méthode n'est sensible qu'à une
partie de la turbulence. C'est pourquoi les campagnes de tests de
sites et de monitoring reposent principalement sur la mesure du
seeing, avec des instruments comme le Differential Image Motion
Monitor, DIMM.
Pour palier ce manque, nous avons proposé un instrument pour mesurer
le temps de cohérence: le Fast Defocus Monitor, FADE. La méthode
consiste à transformer l'image d'une étoile, à travers un petit
télescope de 0.35m de diamètre, en un anneau fin. La turbulence cause
alors des variations temporelles du rayon de l'anneau, dont la
vitesse et l'amplitude sont reliées au temps de cohérence et au
seeing. Cette méthode est présentée ici avec les résultats de
premières observations.
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