Любой астрофотограф сталкивался с запотеванием оптики. Эта проблема может приводить не только к испорченной съемке, но и к испорченному оборудованию. Например, зимой влага выпадает в виде изморози. Растущие кристаллы льда могут повредить оптические покрытия. Разберемся с этим подробнее.
Температура воздуха ночью постепенно падает. Это значит, что увеличивается влажность. Точка росы - это температура, при которой влага из воздуха начинает конденсироваться. Если воздух охладился до такой температуры, то в нем появляется туман.
Земля в течении ночи может остывать быстрее, чем воздух. Воздух еще не настолько холодный, чтобы появился туман, а на земле начинает выпадать влага.
Почему запотевание начинается именно на оптических поверхностях? Тут два основных фактора.
Согласно закону Планка, каждое физическое тело спонтанно и непрерывно испускает электромагнитное излучение. Так же тело поглощает электромагнитное излучение. Если испущенной энергии будет больше, чем поглощенной, то температура тела уменьшится.
Процесс, при котором тело теряет тепло посредством теплового излучения, называется радиационным охлаждением.
Телескоп/объектив направлен куда-то в небо. Возникает вопрос - какова температура ночного неба? Вопрос непростой и ему было посвещено множество исследований. Есть формула Суинбэнка, которая позволяет оценить мощность, излучаемую ночным небом. С её помощью можно расчитать температуру при разных условиях. Ниже пара примеров:
- Прохладная ясная ночь в пустыне с температурой 5°C и относительной влажностью 5%. Согласно модифицированной формуле Суинбэнка, поток составляет 198 Вт/м2, что, в свою очередь, соответствует температуре абсолютно чёрного тела -29,9°C или температуре серого тела -10,9°C.
- Тёплая ясная ночь в сельской местности с температурой 15°C и относительной влажностью 25%. В этом случае модифицированная формула Суинбэнка даёт поток 274 Вт/м2, что, в свою очередь, соответствует температуре абсолютно чёрного тела -9,5°C или температуре серого тела 11,1°C.
Из этих двух примеров видно, что температура неба меньше температуры воздуха. Значит, с этого направления приходит меньше тепловой радиации. Значит, оптика, направленная в небо излучает больше, чем поглощает. Т.е. это приводит к радиационному охлаждению. Кстати, сама замля испытывает радиационное охлаждение, отчего её температура обычно ниже температуры воздуха.
В сторону неба направлена не только оптика. Прочие элементы телескопа тоже подвергаются радиационному охлаждению, но влага начинает выпадать именно на оптических элементах. Почему? Дело в том, что они очень гладкие. На них нет никаких шероховатостей, которые могут задержать поверхностный слой воздуха. А он работает как одеяло. Было время, когда женщины в холодное время года носили вуаль . Эта сетка просто удерживала слой воздуха вокруг лица. Так теплее.
В общем, проблема в том, что фронтальная оптика холоднее прочих частей телескопа и плохо удерживает вокруг себя поверхностный слой воздуха.
На трубу телескопа можно добавить бленду. Это уменьшит токи воздуха вокруг фронтальной оптики - поверхностный слой будет удерживаться лучше. Рекомендуют бленду длиной в две апертуры. Т.е. для телескопа с апертурой 150мм длина бленды должна быть около 300мм. Это самый простой способ борьбы с росой, но он помогает не всегда.
Чтобы на оптике не выпадала влага, нужно эту оптику греть! Если температура оптической поверхности будет хотя бы на 0.5 градуса выше, чем температура окружающего воздуха, то влага не будет конденсироваться.
Оптику рефракторов греть проще всего. Специальные грелки, которыми оборачивают телескоп в районе объектива, справляются с этим без проблем. Каких-либо значительных искажений нагрев не вызывает.
Сложнее бороться с запотеванием у рефлекторов с открытой системой. Например, таковыми являются телескопы системы Ньютона. Нужно греть диагональное зеркало. Сильно греть нельзя - будет искажение отражающей поверхности, что приведет к аберрациям. Мощность грелки нужно достаточно точно контролировать, чтобы не перегреть зеркало и не дать ему остыть до температуры ниже точки росы. Тут лучше использовать контроллер, который сравнивает температуру диагонального зеркала с температурой воздуха. И выставляет мощность так, чтобы зеркало было на пол градуса теплее воздуха.
Почему в телескопе системы Ньютона почти никогда не запотевает главное зеркало? Во-первых, сама труба телескопа выступает в роли большой бленды. Во-вторых, радиационного охлаждение незначительное. Передняя часть зеркала направлена в сторону неба. Но она покрыта отражающим слоем. Из-за этого в сторону неба от зеркала идет совсем незначительное излучение. А задняя часть зеркала направлена в сторну земли, которая гораздо теплее, чем небо.
Радиационному охлаждению могут подвергаться оптические элементы камер с охлаждением. Для уменьшения квантового шума матрица охлаждается при помощи элемента Пельтье. Часто перед матрицей ставится стекло, выполняющее защитную роль и роль фильтра. Одна сторона этого стекла обращена к холодной матрице. Отсюда и радиационное охлаждение стекла. В некоторых камерах есть система его подогрева.
Если после съемки в холодную ночь вы заносите телескоп в теплое помещение, то, естественно, на нем может появиться конденсат. Лучше паковать после съемки телескоп в какой-нибудь кейс и заносить в помещение в нем. Можно использовать подходящего размера сумку. Главное заблокировать попадание влажного воздуха из помещения пока телескоп нагревается. Можно укрыть сумку с телескопом одеялом.
Темного вам неба!