De ce se construieşte ALMA pe înălţimile Anzilor?

Alma este construit pe platoul Chajnator, în Anzii chilieni, la o altitudine de 5000 m. Aici, in zona aridă a deşertului Atacama, putem găsi înălţimea şi umiditatea scăzută necesare pentru observaţii astronomice submilimetrice.

Vazând prin atmosferă

Abilitatea radiaţiilor electromagnetice de a pătrunde prin atmosfera Terrei depinde de lungimea de undă a acesteia. Noi măsurăm acest lucru cu ajutorul “transparenţei atmosferice” sau opacitate. Opacitatea de 100% corespunde cu transparenţa de 0%, şi vice versa. Figura 3.1 arată cum opacitatea atmosferei variază cu lungimea de undă. Când opacitatea este 100%, radiaţia este complet blocată, iar când opacitatea este 0% este transmisă complet.
opacitatea-atmosferei.jpg
Figura 3.1 Graficul cu opacitatea atmosferică şi descriere: În acest grafic, nivelul curbei colorată cu maro reprezintă cât de opacă este atmosfera la lungimea de undă dată. “Ferestrele” din grafic sunt la lungimi de undă vizbile (marcat de curcubeu) şi la unde radio de la 1 mm la 10 m. Alma lucrează între cele doua (la graniţa dintre radiaţiile vizibile şi cele invizibile), unde opacitatea depinde de înălţimea si umiditatea scăzută a locului în care este amplasat telescopul. Credit: ESA-Hubble (F. Granato)

Atmosfera absoarbe semnalele slabe din spaţiu pe care atronomii vor să le colecteze cu ALMA, care de asemenea emite radiaţii. Factorul principal de care depinde lungimea de undă a telescopului ALMA este cantitatea de vapori de apă din aer. De aceea un loc înalt, şi uscat este atât de important.
Cantitatea de vapori de apă este masurată de obicei în milimetri de „apă precipitabilă?” (pwv). Aceasta este adâncimea unei bălţi care s-ar forma dacă toata apa din atmosfera ar cadea ca ploaie. În medie valoarea de apă pe planetă este de 2.5 cm, dar pentru astronomie submilimetrică avem nevoie de condiţii extrem de uscate. La Chajnantor, în perioada Aprilie până în Decembrie, in medie cantitatea de vapori de apa este de aproximativ 1 mm, şi poate să scadă sub 0.5 mm în condiţii deosebit de uscate.
platou_Alma.jpg
Figura 3.2 Platorul Chanjator la răsărit. ALMA este contruit în acest loc retras la 5000 m altitudine.


opacitate_atmosfera1.JPG
Figura 3.3 Acest ne arată mai detaliat lungimea de undă milimetrică si submilimetrică cu diferite culori aratând cum depinde opacitatea de cantitatea de precipitatii in aer. Credit: ESO/Apex

Exercitii:

1. Uitaţi-vă la graficul de mai sus, care arată în detaliu opacitatea atmosferei la lungimi de undă milimetrice şi submilimetrice. Diferite curbe arată opacitatea pentru diferite cantităţi de apă în atmosferă (5mm, 1 mm, si 0.5 mm pentru roşu, verde şi albastru).
2. Cum se schimbă opacitatea atunci când cantitatea de vaori de apă creşte?
Cum se schimbă opacitatea, atunci cînd lungimea de undă devine mai mică?
3. La undele lungi, de 1.2 mm, cât este de important nivelul de vapori de apa? Veţi afla mai uţor dacă, comparaţi procentajul luminii transmise ( luaţi 100% minus procentajul opacităţii), la 0.5mm si 0.5mm. dar despre lungimi de undă de 0.35mm?

Lucrul la altitudine mare

Alma este construit în cadrul Array Operations Site, la o altitudine de 5000 m pe platoul Chanjantor. Condiţiile sunt excelente pentru observaţii astronomice submilimetrice, dar sunt foare dure pentru om. De aceea operaţiunile de zi cu zi ale observatorului vor fi făcute de la o altitudine mai mica, 2900 m în cadrul Operations Support facility.
alma-op.JPG
Figura 3.4 ALMA Operations Support Facilitz la altitudinea de 2900 m. Credit: H. Sommer/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)


La altitudine mare, presiunea atmosferică este mai scăzută în comparaţtie cu cea de la nivelul mării, şi nivelul de oxigen este mai scăzut. În acest exercitiu, vom examina cum presiunea atmosferică de la ALMA diferă de cea de la nivelul mării, şi alte constricţii de la altitudini mari.

Variatia presiunii atmosferice cu altitudinea – atmosfera izotermală

Putem face un simplu calcul pentru a vedea cum scade presiunea atmosferică odată cu urcarea . Acest calcul este numit calcul izotermal deoarece presupunem că temperatura aerului rămâne constantă. Acest calcul nu este foarte precis, dar este o aproximare rezonabilă.
Cu alte cuvinte:

p(h) = p0e-(h/H)

unde p este presiunea ca o funcţie a înălţimii peste nivelul mării. Sunt si două constante în această ecuaţie: p0 este presiunea la nivelul mării (unde h=0) si H este înălţimea la care presiunea a scăzut cu 1/e. Această caracteristică a înălţimii este cunoscută ca „scara înălţimii” atmosferice.

Folosind o scara a înălţimii de 8400 m

Presiunea la nivelul mării(altitudinea 0 m) este de aproximativ 100 kPa, iar înălţimea scară a atmosferei este de 8400 m ( acest lucru poate fi derivat folosind un model al gazului din atmosferă).

Exercitiu:

Folosiţi această informaţie pentru a estima presiunea atmosferică la ALMA Operations Support Facility (2900m), ALMA Arraz Operations Site (5000m), şi vârful Everestului (8848m), şi completaţi coloana ALBASTRA din tabelul de mai jos.

Calcularea scării înălţime, folosind presiunea măsurata pe Everest

Exercitii:

1. Presiunea pe vârful muntelui Everest este de 33 kPa.
Folosiţi această informaţie, şi ecuaţia de mai sus, pentru a estima scara înălţime H a atmosferei.
2. Folosiţi această informaţie pentru estimarea presiunilor la altitudinile ALMA OSF si AOS, si completati coloana PORTOCALIE din tabelul de mai jos.
Locaţie
Altitudine
Presiune atmosferică (scara 8400 m)
Presiune atmosferică (scara înălţimii calculata cu presiunea din Everest)
Presiunea atmosferică(valorile efective măsurate)
Nivelul mării
0 m
100 kPa
100 kPa
100 Kpa
ALMA Operations Support Facility
2900 m


75 kPa
ALMA Arraz Operations Site, Chajnantor
5000 m


55 kPa
Muntele Everest
8848 m

33 kPa
33 kPa
Ţineţi minte că, la altitudinea Alma Array Operations Site pe Cerro Chajnantor, presiunea este aproximativ jumătate din cea de la nivelul mării. Asta inseamnă că acolo se găseşte doar jumătate din cantitatea de oxigen care se găseşte la nivelul mării. La aceste altitudini, există riscul morţii. De aceea oamenii care lucrează la ALMA merg la Array Operations Site numai atunci când este absolut necesar. Pentru activitatile curente, ei vor rămâne la Operations Support Facility, unde presiunea atmosferica este mai mare.
Traducere realizata de Erdinci Rifat, clasa a 11-a A