DIMM
GSM
Mast
Scidar
Corona
Sonics
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Capteurs
microthermiques - Microthermal sensors
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Le but de cette expérience est de
mesurer la turbulence en basse altitude. Les radiosondages ballons
effectués pendant le premier hivernage ont en effet
montré que la majeure partie de la turbulence en hiver est
située dans une couche de 30 à 40 mètres
d'épaisseur au dessus du sol. Au dessus de cette couche, le
seeing peut atteindre des valeurs de l'ordre de 0.3 seconde d'arc, ce
qui est presque deux fois mieux que le meilleur site actuel du monde
qui se trouve au sommet du volcan Mauna Kea à Hawaï. Mais
pour bénéficier de ces excellentes conditions, un
télescope observant à Dome C devra être construit
au sommet d'une tour de quelques dizaines de mètres. Comprendre
les propriétés de cette couche de surface est
indispensable pour déterminer la hauteur optimale à
laquelle devra observer le futur télescope. Les 30 à 40
mètres mesurés par les ballons ne sont calculés
que sur une quarantaine de vols, c'est très peu pour avoir une
statistique fiable. Il faudrait pouvoir observer en continu pendant un
ou deux hivers. C'est l'objectif de cette expérience.
On utilise pour celà des petits thermomètres très
précis (on les désigne par le nom de "microthermes")
identiques à ceux qui
sont utilisés lors les radiosondages ballons. On les place sur
un mât, la hauteur du mât déterminant l'altitude
maximale de mesure.
L'expérience a été rendue possible par la
présence d'une tour métallique de 33 mètres de
haut située
à 800 mètres à l'ouest de la base.
Assemblée par une équipe américaine il y a
quelques années, cette tour avait servi notamment à des
mesures de réflectance de la neige. Nous avons eu l'autorisation
d'y placer nos capteurs. Nous avons choisi quatre niveaux de mesure,
à 2.60 m, 8.10 m, 15.40 m et 28.40 m au dessus du sol. Les
capteurs sont reliés à une électronique de mesure
située dans un shelter au pied de la tour. L'ensemble est piloté par
deux ordinateurs qui s'occupent également de l'enregistrement
des
données et qui sont reliés au réseau de la base
par une fibre optique
de 1km. Pour
éviter la turbulence parasite dégagée par la
chaleur du shelter, des parois de neige de 40 cm d'épaisseur ont
été érigées tout autour.
Le principe de la mesure est le suivant : à chaque niveau,
quatre capteurs de température sont placés sur un barreau
horizontal de la tour. On forme ainsi deux paires (nommées A et
B), les deux capteurs étant distants d'un mètre dans
chaque paire. Les deux paires sont intercroisées comme
indiqué dans le schéma ci-dessous.
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The aim of this experiment is to measure
the low altitude turbulence. Radiosoundings performed during the first
winterover have shown that the main part of the turbulence is located
in a 30 to 40 m thick layer above the ground. Above this surface layer
the seeing can attain values such as 0.3 arcsec, which is almost two
times better than the current best site in the world, located at the
top of the Mauna Kea volcano at Hawaï. But to take advantages of
these exceptional conditions, a telescope at Dome C must be built at
the top of a several tens of meters high tower.
A good knowledge of the properties of this surface layer is mandatory
to determine the optimal height to place the future telescope. The
30-40m estimated last year were computed over about 40 balloons;
that's very few to obtain a reliable statistics. We need to observe
continuously during one or two winters. Ilt is indeed the goal of this
experiment.
For that purpose, we use very precise thermometers (named
"microthermals"), identical to those used in the ballon experiments.
They are placed on a mast, the height of the mast being the maximum
altitude for the measurements.
At Dome C the experiment was made possible by the presence of a 33 m
high metallic tower, located 800 m away from the base in the West
direction. This tower was built several years ago by an American team.
It was used, among other projects, to estimate the reflection
coefficient of the snow. We received the authorization to put our
sensors on this tower. We chosed 4 levels of analysis, at altitudes
2.60 m, 8.10
m, 15.40 m and 28.40 m. Sensors are linked to an electronic system in a
shelter at the foot of the tower. The whole thing is piloted by two
computers which collect the data. They are connected to the network of
the base by a 1 km long optical fiber.
To avoid heat release that can blur our measurements, the shelter was
buried under an 40 cm thinck layer of snow.
Principle of the measurement is the following. Four sensors are are
fixed to an horizontal bar of the tower at each level. They form two
pairs, named A and B. In each pair the sensors are separated by 1 m.
The two pairs cross as shown by the sketch below.
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Les capteurs sont des filaments de
tungstène dont la résistance varie avec la
température. On mesure la différence de résistance
(donc de température) entre les deux capteurs d'une même
paire. La précision de la mesure est de quelques
millièmes de degrés. La turbulence fait fluctuer cette
différence de température. Toutes les deux minutes on
calcule la variance des fluctuations et on en déduit le
coefficient Cn2 (fonction de structure de
l'indice de réfraction, voir par exemple Borgnino et al., 1979,
A&A 79, 184) par lequel on chiffre la turbulence à
l'altitude des capteurs. L'autre paire de capteurs mesure la même
chose, elle est simplement là au cas où la
première tomberait en panne.
On dispose donc de 4 points de mesures de turbulence entre 2.60 m et
28.40 m. Combinées aux mesures du SSS, ces valeurs permettent
d'affiner le profil de turbulence pour définir la hauteur de la
couche de surface. Elles permettent aussi de chiffrer la contribution
des 28 premiers mètres de hauteur au seeing total.
Plus facile à dire qu'à faire : la mise en oeuvre de
cette expérience à Dôme C se heurte au
problème du givre qui se dépose sur les filaments de
tungstène (voir photo ci-contre). En quelques heures à
peine la glace forme un cocon protecteur qui biaise les mesures de
température. Les chauffages que nous avons mis étaient
insuffisants, il faut monter sur la tour régulièrement
pour dégivrer à l'aide d'un décapeur thermique
soufflant de l'air chaud... Mais cette expérience a produit
quelques résultats comme illustré la courbe ci-dessous
obtenue lors des essais en Avril.
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The sensors are tungsten filaments whose
electric resistance depends on the temperature. We measure the
resistance difference between the two sensors in a pair, and convert it
to temperature difference with an accuracy of a few millidegrees.
Turbulence makes this temperature difference fluctuate. Every 2
minutes, the variance of these fluctuations is computed and gives
accees to the coefficient Cn2 (structure
function of the refractive index, see for example Borgnino et al.,
1979, A&A 79, 184). This parameter characterizes the local
turbulence. The other sensor pair estimates the same thing and allows
to have another independent estimation (and also in case of
misfuntionning of the first pair).
The experiment provides 4 points of local turbulence between 2.60 m and
28.40 m. Combined with the Scidar data, they give more precision to the
lower part of the profiles and allow estimation of the surface layer
thickness. They also give the contribution of the surface layer to the
total seeing.
But the operation if this experiment is quite difficult here. The tiny
tungsten filaments freeze in timescales of a few hours (see photo
hereafter). The ice forms a protective shield which biases the
temperature measurements. We put a heating system, but it was not
efficient. And we have to climb the tower periodically to manually
deice the sensors with a heat gun. Nevetheless this experiment has
produced some results, as illustrated on the curve on the left realised
in April (these are test data).
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