Опыт показывает, что траектории оптических лучей, проходящих через атмосферу, не являются прямыми линиями; они искривляются более или менее плавно. Такое искривление траектории луча свидетельствует о том, что скорость распространения света в атмосфере отклоняется от таковой в вакууме и, кроме того, изменяется на пути луча. С увеличением показателя преломления скорость света уменьшается. Показатель преломления света в атмосфере мало отличается от единицы (значения в вакууме), однако, учитывая большую длину траектории луча, этого отклонения достаточно для того чтобы получить существенное отличие траектории луча от прямой линии. Показатель преломления света (n) изменяется с изменением плотности атмосферы; аналитически это выражается следующей формулой:
Где р- давление воздуха в мб; Т-температура по абсолютной шкале.
Расчеты показывают, что, когда солнечный свет распространяется по направлению к Земле, лучи, как правило, проходят в среде с все увеличивающимся значением показателя преломления, т. е. оптическая плотность среды увеличивается, а следовательно, скорость света уменьшается.
В результате с приближением к поверхности Земли луч все больше и больше приближается к направлению отвеса, а это значит, что траектория луча будет искривлена так, что вогнутость ее будет обращена к земной поверхности. Вид этой траектории будет аналогичен траектории частички газа или жидкости, которая движется от слоя к слою с все увеличивающимся трением из-за увеличения плотности среды.
Искривление (преломление или рефракция) луча отмечается только в том случае, когда он падает на слои разной оптической плотности под углом, отличным от 90°.
Явление рефракции световых лучей объясняется тем, что электромагнитные волны, распространяясь в среде, поляризуют молекулы последней. В результате этого в среде образуется собственное электромагнитное поле, направленное противоположно внешнему полю. Взаимодействие этих полей и обусловливает уменьшение скорости света и искривление траекторий лучей. Рефракция луча тем больше, чем больше угол падения.
Вследствие искривления лучей в атмосфере удаленные предметы м наблюдаем в направлениях, отличных от истинных, поскольку мы проектируем предмет в направлении касательной к траектории луча в точке наблюдения. Угол между направлением на действительное и видимое положение предмета называется рефракцией (или углом рефракции, а угол между касательными в начальной и конечной точках пути светового луча - углом полной рефракции.
|
|
Рис. 1.5.1. Рефракция в атмосфере.
В случае, если объект наблюдения находится за пределами атмосферы (рис. 19 а), рефракция называется астрономической
(ρ), если
в пределах атмосферы (рис. 196) -земной (r).
Астрономическая рефракция может быть вычислена по приближенной формуле:
ρ = 57” tg z’ (для z’ <= 80°),
где z’ -
видимое зенитное расстояние, которое всегда меньше действительного.
Наличие астрономической рефракции приводит к тому, что измеряемые зенитные расстояния светил оказываются меньше истинных, особенно в случаях, когда светила расположены у горизонта. По этой причине мы видим Солнце некоторое время и после того, как оно опустилось за горизонт, что приводит к увеличению продолжительности дня в умеренных широтах на 8-12 мин.
Явление рефракции обусловливает изменение формы видимого диска Солнца и Луны при нахождении их вблизи горизонта, так как разная величина угла рефракции для верхнего и нижнего краев светил приводит к различной величине приподнятости их, поэтому светила кажутся сплюснутыми.
Вследствие рефракции света наблюдается явление дрожания удаленных предметов и мерцания звезд. Из-за турбулентности атмосферы в последней имеется множество неоднородностей показателя преломления, которые действуют подобно непрерывно перемещающимся линзам, расположенным на пути луча.
В определенных условиях (при аномальном распределении плотности воздуха), связанных с резкими изменениями температуры по высоте и по горизонтали, лучи света в отдельных слоях воздуха могут претерпевать полное внутреннее отражение. Тогда, кроме самого объекта, можно наблюдать и его отраженное изображение (прямое или обратное). Это явление получило название миража. Миражи бывают верхние, нижние и редко боковые.
Верхние миражи обусловлены резким уменьшением плотности воздуха с высотой (при сильных инверсиях), нижние - при больших вертикальных градиентах температуры и неустойчивой стратификации, боковые - при неравномерном распределении плотности на уровне наблюдателя. Верхние и боковые миражи чаще всего наблюдаются в прибрежных водах полярных районов, нижние - в южных пустынных районах.
Верхние и боковые миражи чаще наблюдаются в высоких широтах, где нередки случаи резкого падения плотности с высотой (особенно при температурных инверсиях). Верхние миражи, напротив, возможны при незначительном падении плотности с высотой, особенно при резко неустойчивой стратификации атмосферы.
При верхнем мираже световые лучи, направленные от предмета вверх, отклоняются от прямолинейного направления и, искривляясь, достигают глаза наблюдателя таким образом, что предметы кажутся отраженными вверх в перевернутом виде.
При нижнем мираже лучи отклоняются так, что предмет кажется отраженным вниз и более обычного приподнят над горизонтом.
При боковом мираже мнимые изображения появляются справа или слева от истинного положения предмета.
Иногда очевидцы описывают явление сложного миража, когда очертания предметов сильно искажены. Это явление носит название фата-морганы.
При прохождении световых лучей через облака и осадки они испытывают преломление, отражение и дифракцию в каплях и кристаллах. В результате этого воздействия мы наблюдаем характерные оптические явления - радуги, гало, венцы и др.
Радуга - световая (радужная) дуга (дуги) радиусом 42°, 52°, окрашенная в спектральные цвета (по внешнему краю в красный, по внутреннему в фиолетовый), наблюдаемая на фоне неба и облаков в противоположной от Солнца или Луны стороне с центром в антисолярной точке (точке линии, соединяющей центр солнечного или лунного диска с глазом наблюдателя). Радуга объясняется преломлением солнечных лучей при входе и выходе из капель и полным внутренним их отражением внутри капель. Яркость и интенсивность радуги зависят от преобладающего диаметра дождевых капель. Крупнопанельный дождь образует четкую и яркую радугу с ясным разделением цветов. Радуга на фоне тумана или облаков с мелкими каплями широкая, блеклая или вовсе белая, размытая. Лунная радуга всегда белая, что объясняется свойствами человеческого глаза. Нередко наблюдается более слабая дополнительная дуга (дуги) радуги с обратным расположением цветов. При высоте Солнца 42° и более радуга не наблюдается вовсе. Чем ниже высота Солнца, тем выше и длиннее дуга радуги. Наблюдать радугу можно и в брызгах морских волн.
Гало - могут возникать, как многообразные оптические явления, в ледяных облаках верхнего яруса, особенно в перисто-слоистых. Наиболее повторяющиеся их формы можно разделить на две группы. Слегка окрашенные в различные цвета (красный цвет располагается со стороны Солнца или Луны) - круги радиусом 22° и 46°, касательные дуги к ним, ложные солнца и гало; не имеющие окраски - горизонтальный круг, вертикальные столбы, проходящие через солнечный диск, кресты и др. Окрашенные гало объясняются преломлением света в шестигранных призматических кристаллах ледяных облаков, а неокрашенные (бесцветные) - отражением света от граней кристаллов. Разнообразие форм гало зависит главным образом от типов кристаллов, суммарного движения и пространственной ориентацией их осей (граней), а также от высоты Солнца;
Венцы. В тонких капельножидких облаках, сквозь которые просвечивают Солнце или Луна, могут возникать радужные кольца - венцы. Венцы могут наблюдаться также в тумане вокруг искусственных источников света. Первый световой круг венца (ореол) непосредственно примыкает к свету, далее он сменяется концентрическими менее яркими цветными кольцами - венцами второго, третьего порядков. Размеры венцов колеблются от 1 до 10 °. Венцы образуются за счет дифракции света при прохождении через мельчайшие капли и кристаллы облаков и туманов световых лучей;
Глории - подобны венцам, но наблюдаются они в противоположной от Солнца или Луны стороне с центром в антисолярной точке. Это явление объясняется также дифракцией света, уже отраженного в капельках облаков так, что он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал.
Видимость. Отдаленные предметы видны хуже, чем близкие, не только потому, что уменьшаются их видимые размеры. Даже и очень большие предметы на том или ином расстоянии от наблюдателя становятся плохо различимыми вследствие мутности атмосферы, сквозь которую они видны. Эта мутность обусловлена рассеянием света в атмосфере. Понятно, что она увеличивается при возрастании аэрозольных примесей в воздухе.
Для многих целей очень существенно знать, на каком расстоянии перестают различаться очертания предметов за воздушной завесой. Это расстояние называют дальностью видимости, или просто видимостью. Дальность видимости чаще всего определяется на глаз по определенным, заранее выбранным объектам (темным на фоне неба), расстояние до которых известно. Но имеется и ряд фотометрических приборов для определения видимости.
В очень чистом воздухе, например арктического происхождения, дальность видимости может достигать сотен километров. Рассеяние света в таком воздухе производится преимущественно молекулами атмосферных газов. В воздухе, содержащем много пыли или продуктов конденсации, дальность видимости может понижаться до нескольких километров и даже до метров. Так, при слабом тумане дальность видимости составляет 500-1000 м, а при сильном тумане или сильной песчаной буре может снижаться до десятков и даже нескольких метров.
Дальность видимости . Различают геометрическую, оптическую и метеорологическую дальность видимости. Геометрическая дальность видимости АС (рис. 1.5.2) определяется кривизной Земли и светового луча и зависит от высоты наблюдателя и наблюдаемого объекта. Оптическая дальность видимости - это расстояние, на котором реальный объект при данных условиям погоды, освещения и наблюдения находится на границе восприятия зрением. Она зависит от прозрачности атмосферы, остроты зрения наблюдателя, свойств наблюдаемого объекта и фона, на котором наблюдается объект. Все указанные факторы весьма изменчивы, поэтому оптическую дальность видимости затруднительно применять в практических целях в качестве метеорологического элемента.
Рис. 1.5.2. Дальность видимости горизонта.
Дальность видимости реальных объектов и огней в море ночью будет равна наименьшему значению одной из трех величин: геометрической, оптической и метеорологической дальности видимости.
Поднятие (снижение) горизонта. К явлениям, связанным с земной рефракцией, относятся случаи поднятия и снижения горизонта. При отсутствии рефракции дальность видимого горизонта Д 0 определяется геометрической дальностью.
где Д 0 -
геометрическая дальность видимого горизонта в км; h-
высота глаза наблюдателя в м.
С учетом земной рефракции дальность видимого горизонта может быть определена из выражения 
где k = - dn/dr, R-
радиус Земли.
При стандартных значениях давления и температуры Д = 1,08 Д 0 .
В этих условиях поднятие горизонта невелико и мы обычно его не замечаем. Если же k<0, то Д<Д 0 т. е. отмечается отрицательная рефракция, луч вогнут кверху и касается Земли ближе, чем прямолинейный. Наконец, при k>0 Д>Д 0 - положительная рефракция, горизонт приподнят.
Изменение дальности видимого горизонта определяется характером изменения температуры, а следовательно, и плотности воздуха по высоте. При падении температуры отмечается положительная рефракция, а при инверсии - отрицательная. При положительной рефракции происходит поднятие горизонта, и мы видим предметы, обычно скрытые кривизной Земли. В этом случае Д существенно больше Д 0 . При отрицательной рефракции горизонт кажется пониженным, и мы не видим даже тех предметов, которые видны в обычных условиях; в этом случае Д много меньше Д 0 .
Наибольшее поднятие горизонта отмечается в холодных воздушных массах (температура по высоте падает). Понижение горизонта наблюдается в теплых воздушных массах. Это явление особенно характерно в прибрежной зоне, когда с берега натекает на море теплый сухой воздух.
Метеорологическая дальность видимости является одной из характеристик прозрачности атмосферы, и ее следует отличать от реальной дальности видимости различных объектов, которая зависит не только от прозрачности атмосферы, но и от цвета объектов, их размеров, удаленности от пункта наблюдений, освещенности и фона.
Метеорологической дальностью видимости называется то наибольшее расстояние, с которого в светлое время суток можно обнаружить на фоне неба вблизи горизонта (или на фоне воздушной дымки) абсолютно четкое тело достаточно больших угловых размеров (больше 15 угловых минут). Видимость определяется с верхнего мостика. Оценивается она по международной 10-балльной шкале (от 0 до 9 баллов) в метрах, километр кабельтовых, милях.
При плавании вблизи берегов следует определять видимость отдельно в сторону моря и отдельно в сторону берегов и записывать в журнал наименьшую видимость.
Для определения видимости в сторону берегов используются имеющиеся в поле зрения и обозначенные на карте отдельные мысы, горы, здания, маяки, знаки и т.п., расстояние до которых известно Объекты должны быть видимы с места наблюдения под углом не более 5-6° к горизонту. В исключительных случаях, при видимости более 1 мили, допускается использование объектов, видимых под углом к горизонту до 11°.
В открытом море, вдали от берегов, при отсутствии в поле зрения каких бы то ни было объектов, необходимых для определения метеорологической дальности видимости, допускается оценка так называемой реальной поверхности моря. При отсутствии других сведений о видимости, величина реальной видимости используется как вспомогательная характеристика в оперативных целях.
Оценка реальной видимости поверхности моря производится по четкости линии действительного горизонта или по дальности видимости поверхности моря, определяемой визуально (табл. 2.).
При этом следует руководствоваться следующими принципами:
а) если видимость настолько хорошая, что поверхность моря видна вплоть до линии горизонта, то балловая оценка реальной видимости поверхности моря определяется в зависимости от высоты места наблюдений по четкости линии горизонта согласно табл. 2.;
б) если видимость настолько плоха, что линия действительного горизонта не видна, то наблюдатель старается определить на глаз, на каком расстоянии поверхность моря становится невидимой.
Табл. 2. Признаки для оценки реальной дальности видимости моря по четкости действительного горизонта
Ночные определения дальности видимости по объектам нельзя производить сразу же после выхода наблюдателя из светлого помещения. Необходимо выждать, когда глаза привыкнут к темноте. Время, необходимое для адаптации глаз (приспособления к темноте), составляет 10 -15 мин. Другим важным условием правильности определения дальности служит отсутствие огней на судне в поле зрения наблюдателя. Объекты для ночных наблюдений не должны быть источниками света и не должны находиться в поле освещения других искусственных источников света.
Если ночь темная и визуальное определение видимости невозможно, то следует использовать установленную зависимость дальности видимости от атмосферных явлений. Если наблюдается одновременно несколько атмосферных явлений, то указывается наименьшая (из соответствующих им) видимость.
Рефракция астрономическая - явление преломления световых лучей от небесных светил при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность планетных атмосфер всегда убывает с высотой, преломление света происходит таким образом, что своей выпуклостью искривленный луч во всех случаях обращен в сторону зенита. В связи с этим рефракция всегда «приподнимает» изображения небесных светил над их истинным положением (см. рис.).
Величина рефракции, т. е. угол между истинным и видимым положениями светила на небосклоне, связана с длиной пробега луча в атмосфере и углом наклона луча к атмосферным слоям равной плотности. Рефракция равна нулю в зените и возрастает по мере удаления от зенита с приближением к горизонту. Для наблюдений с поверхности Земли величина рефракции г выражается приближенной формулой , где z - видимое зенитное расстояние светила (см. Небесные координаты). Эта формула остается справедливой лишь для . Ближе к горизонту рефракция характеризуется величинами, приведенными в таблице.
Величина рефракции в данный момент времени для данного пункта наблюдений меняется в зависимости от температуры, давления, влажности и других метеорологических факторов. При выполнении высокоточных астрономических измерений (см. Астрометрия) рефракция учитывается путем введения в результаты измерений соответствующих поправок.
Рефракция вызывает на Земле ряд оптикоатмосферных эффектов: увеличение долготы дня вследствие того, что солнечный диск из-за рефракции поднимается над горизонтом на несколько минут раньше момента, в который Солнце должно было бы взойти на основании геометрических соображений; сплюснутость видимых дисков Луны и Солнца близ горизонта из-за того, что нижний край дисков поднимается рефракцией выше, чем верхний; мерцание звезд и др. Вследствие различия величины рефракции у световых лучей с разной длиной волны (синие и фиолетовые лучи отклоняются больше, чем красные) вблизи горизонта происходит кажущееся окрашивание небесных светил.
Приведенные в таблице поправки использую-ются при наблюдениях звезд, планет и других светил, удаленных на очень большие расстояния от Земли.
Для более близких небесных тел, которые находятся, скажем, ближе Луны, влияние рефракции несколько отлично от величин, приведенных в таблице. Связано это с тем, что вследствие искривления луча света в атмосфере направления на близкие светила из точки, где стоит наблюдатель, и из точки, в которой луч света входит в земную атмосферу, непараллельны и составляют небольшой угол. Этот угол называют рефракционным параллаксом. Поправка на рефракционный параллакс вносится в результаты наблюдений Луны (до ) и искусственных спутников Земли (до нескольких десятков минут).
Астрономическая рефракция
Рис1.Астрономическаярефракция
Астрономическая рефракция - явление преломления (искривления) световых лучей
при прохождении через атмосферу, вызванное оптической неоднородностью атмосферного
воздуха. Вследствие уменьшения плотности атмосферы с высотой искривленный луч света обращен выпуклостью в сторону зенита (рис. Астрономическая рефракция). Рефракция изменяет зенитное расстояние (высоту) светил по закону: r = a * tg z,где: z - зенитное расстояние, a = 60,25" - постоянная рефракции для земной атмосферы (при t = 0 о С, p = 760 мм. рт. ст.).
Рис2. Искажение формыи угловых размеров светил атмосферной рефракцией
В зените рефракция минимальна -она возрастает по мере наклона к горизонту
до 35 о и сильно зависит от физических характеристик атмосферы: состава,плотности, давления, температуры. Вследствие рефракции истинная высота небесных светил всегда меньше их видимойвысоты: рефракция "поднимает" изображения светил над их истинными положениями. Искажаются форма и угловые размеры светил: на восходе и закате близ горизонта "сплющиваются" диски Солнца и Луны, поскольку нижний край диска поднимается рефракцией сильнее верхнего (рис.Искажение формы).
Искажается показатель преломления света в зависимости от длины волны: при очень чистой атмосфере человек может увидеть на заходе или восходе Солнца редкий "зеленый луч". Поскольку расстояния до звезд несравнимо превосходят их размеры, можно считать звезды точечными источниками света, лучи которых распространяются в пространстве по параллельным прямым. Преломление лучей звездного света в атмосферных слоях (потоках) разной плотности вызывает мерцание звезд - неравномерные усиления и ослабленияих блеска, сопровождающиеся изменениями их цвета "игрой звезд". Земная атмосфера рассеивает солнечный свет. Рассеяние света происходит на случайных микроскопических неоднородностях плотности воздуха, сгущениях и разрежениях размерами 10 -3 -10 -9 м. Интенсивность рассеяния света обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны (закон Рэлея). Сильнее всего рассеиваются фиолетовые, синие и голубые лучи, слабее всего - оранжевые и красные.
Вследствие этого земное небо имеет днем голубой цвет: наблюдатель воспринимает рассеянный в атмосфере солнечный свет, спектр излучения которого
сдвинут в сторону коротких волн. По той же причине далекие леса и горы кажутся нам голубыми и синими.
Диски Солнца и Луны на восходе и закате приобретают красный цвет: с приближением к горизонту удлиняется путь световых лучей, прошедших без рассеяния, спектр их сдвигается в сторону длинных волн.
Обратите внимание на зори: вначале узенькая,кроваво-красная полоска утренней зари бледнеет, розовеет, наливается желтизной, а небо в зените из темного, почти черного становится густо-фиолетовым, потом сиреневым, синим и голубым, а вечером все происходит наоборот. Ночью на Земле никогда не бывает абсолютно темно: рассеянный в атмосфере свет звезд и давно зашедшего Солнца создает ничтожно малую освещенность в 0,0003 лк.
Продолжительность светового времени суток -дня всегда превышает
промежуток времени от восхода до захода Солнца. Рассеяние солнечных лучей в
земной атмосфере порождает сумерки,плавный переход от светлого времени суток - дня к темному - ночи, и обратно. Сумерки возникают из-за подсвечивания верхних слоев атмосферы Солнцем, находящимся ниже линии горизонта. Продолжительность их определяется положением Солнца на
эклиптике и географической широтой места. Различают гражданские сумерки: период времени от захода Солнца (верхнего края солнечного диска) до его погружения на
6 о -7 о под горизонт; навигационные сумерки - до момента погружения Солнца под горизонт на 12 о и астрономические, - пока угол не составит 18 о.
На высоких (59,5 о) широтах Земли наблюдаются белые ночи - явление прямого перехода вечерних сумерек в утренние при отсутствии темного времени суток.
Сумеречные явления наблюдаются также в плотной атмосфере планеты Венера.
| Космические явления | Небесные явления, возникающие вследствие данных космических явлений |
| Атмосферные явления | 1) Атмосферная рефракция: - искажение небесных координат светил; - необходимость поправки экваториальных координат небесных светил на рефракцию; - искажение формы и угловых размеров небесных светил по высоте на восходе и закате; - мерцание звезд; - "зеленый луч". 2) Рассеяние света в атмосфере |
А. Ю. РУМЯНЦЕВ
МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ АСТРОНОМИИ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
С. В. Зверева
В мире солнечного света
Л., Гидрометеоиздат
1988
160 стр
Объем 5 Мб
Книга вводит читателя в яркий, красочный, а порой и загадочный, мир световых явлений в атмосфере. В ней рассказывается о таких знакомых читателю явлениях, как радуги, большие и малые круги вокруг Солнца или Луны. Многим, видевшим эти явления, небезынтересно узнать, как с научной точки зрения объясняется их возникновение. Почему, например, безоблачное небо голубое, а облачное белое? Почему ночное небо темное, а не ослепительно яркое, как Солнце? Читатель узнает, как возникают полярные сияния, миражи, какие необычные по яркости и краскам световые явления видят космонавты из космоса, и еще многое другое. Описаны и такие явления, которые многие не видели не потому, что они редко возникают, а просто потому, что не знали где, когда и на что надо смотреть. Это и подскажет читателю предлагаемая книга.
Книга рассчитана на широкий круг читателей, которые любят природу. Она будет полезна студентам метеорологических, географических, океанологических специальностей, а также школьникам для расширения представлений об окружающей природе.
Оглавление книги
Предисловие
РАССЕЯНИЕ СВЕТА
Глава 1. Старые и новые загадки небесного свода
Солнце как источник света
Ослабление солнечных лучей в атмосфере
Почему небо голубое? Почему Солнце красное?
Атмосферная дымка
О новых загадках небесного свода
Глава 2. Рассеяние солнечного света и его законы
Универсальность рассеяния света
Как происходит рассеяние света?
Атмосферный аэрозоль
Аэрозольное рассеяние
Количественные характеристики рассеянного света
Видели ли вы голубую Луну или зеленое Солнце?
Почему возможно применение радиолокации в облаках и туманах?
Индикатрисы рассеяния
Поляризация рассеянного света
Глава 3. Небесный свод
Что такое небесный свод?
Изменения цвета неба и его яркости
Распределение яркости по безоблачному небу
Околосолнечный ореол
Поляризация небесного свода
Положение максимумов и минимумов синевы, поляризации и яркости неба
Форма небесного свода
Оптические иллюзии, обусловленные формой небесного свода
Глава 4. Венцы, глории, нимбы
Венцы
Глории
Брокенский призрак
Нимбы
Иризация облаков
Кольцо Бишопа
Глава 5. Радуги
Сколько бывает радуг?
Как возникает радуга?
Лучи радуги
Вторая радуга и следующие
Почему радуга бывает разной?
Размер и форма капель и их влияние на вид радуги
Разгадан "секрет" добавочных дуг!
Радуга без дождя?
Туманная радуга
Лунные радуги
Глава 6. Гало
Многообразие форм гало
Ледяные кристаллы в облаках
Образование окрашенных гало
Белые гало
Редкие формы гало
Гало в Антарктиде
Моделирование гало
Нерешенные проблемы
Какие кристаллы за что "отвечают"?
Поляризация света гало
Скачать
Книга известного голландского астронома профессора Миннарта - не учебник и не популярное изложение давно известных истин. Это поэтический рассказ о больших и малых секретах природы, в которые может проникнуть наблюдательный читатель, не имеющий каких-либо приборов и не обладающий специальными знаниями. Солнечный свет и тени 1. Изображение Солнца (17). 2. Тени (19). 3. Изображение Солнца и тени во время солнечных затмений и заката (20). 4. Двойные тени (21). Отражение света 5. Закон отражения (23). 6. Отражение от проводов (23). 7. Различие между предметом и его отражением (25). 8. Лучи света, отраженные в каналах и реках (27). 9. Необычные отражения (28). 10. Стрельба по отражениям (29). 11. Гелиотроп Гаусса (30). 12. Отражение в садовом зеркальном шаре (31). 13. Отражение в мыльных пузырях (32). 14. Неправильности на поверхности воды (33). 15. Оконное и зеркальное стекла (34). 16. Дорожное зеркало (35). 17. Неправильное отражение на воде, покрытой легкой рябью (36). 18. Подробное изучение световых столбов (41). 19. Отражение от узкой полосы воды, покрытой рябью (42). 20. Отражение от большой водной поверхности, покрытой волнами (43). 21. Видимость очень слабого волнения (46). 22. Пятна света на поверхности грязной воды (47). 23. Пятна света на снегу (47). 24. Пятна света на дорогах (47). 25. Отражения в лужах во время дождя (48). 26. Световые круги в ветвях деревьев (49). Преломление света 27. Преломление света при переходе из воздуха в воду (51). 28. Преломление на выпуклой поверхности воды (52). 29. Преломление в неровных стеклах (53). 30. Двойные отражения от зеркального стекла (53). 31. Множественные изображения в зеркальном стекле в проходящем свете (56). 32. Отражение крон дерева в стекле окна (57). 33. Следы стеклоочистителя (58). 34. Капли воды как линзы (58). 35. Радужные цвета в каплях росы и кристаллах инея (59). Искривление световых лучей в атмосфере 36. Земное искривление лучей (60). 37. Аномальное искривление лучей без отражения (61). 38. Мираж в миниатюре (64). 39. Болье миражи над горячими поверхностями («нижние миражи») (65). 40. Миражи над холодной водой («верхние миражи») (70). 41. Воздушные замки (71). 42. Искажение Солнца и Луны во время восхода и захода (74). 43. Многократные изображения (78). 44. Зеленый луч (79). 45. Зеленый прибой (84). 46. Красный луч (84). 47. Мерцание земных источников света (84). 48. Мерцание звезд (86). 49. Как измерить мерцание звезд? (89). 50. Когда звезды больше всего мерцают? (89). 51. Мерцание планет (90). 52. Бегущие тени (91). Сила и яркость света 53. Звезды как источники света известной силы (93). 54. Ослабление света в атмосфере (94). 55. Сравнение звезды со свечой (97). 56. Сравнение двух уличных фонарей (97). 57. Сравнение Луны с уличным фонарем (98). 58. Яркость лунного диска (98). 59. Некоторые соотношения яркости в пейзаже (99). 60. Отражательная способность (100). 61. Прозрачность проволочной сетки (101). 62. Степень непрозрачности леса (102). 63. Просветы в двойном частоколе (103). 64. Фотографическая фотометрия (105). 65. Видение под водой (108). 66. Как сделать видимой внутренность глаза (ПО). 67. Слепое пятно. 68. Ночная близорукость (111). 69. Несовершенные изображения, создаваемые глазом (112). 70. Пучки лучей, которые кажутся исходящими от ярких источников света (113). 71. Явления, вызываемые очками (114). 72. Острота зрения (115). 73. Чувствительность прямого и бокового зрения (117). 74. Опыт Фехнера (119). 75. Пейзаж при лунном свете (119). 76. Пейзаж при ярком солнечном свете (120). 77. Пороговое значение отношений яркости (120). 78. Белые предметы ночью (121). 79. Действие вуали (121). 80. Цветные оконные стекла (121). 81. Звезды в сумерках и при свете Луны (122). 82. Видимость звезд днем (123). 83. Иррадиация (123). 84. Слепящее действие света (125). 85. Смешение цветов (126). 86. Отражения и игра цвета (127). 87. Цвета коллоидных растворов металлов. Фиолетовые оконные стекла (127). 88. Цвет газосветных трубок; поглощение света в газах (128). 89. Эффект Пуркинье. Колбочки и палочки (129). 90. Цвет очень ярких источников света приближается к белому (130). 91. Впечатление от пейзажа, рассматриваемого сквозь цветные стекла (130). 92. Набюдения цвета с опущенной головой (130). Последовательные образы и контрастные явления 93. Длительность световых ощущений (131). 94. Явление «частокола» (132). 95. Мерцающие источники света (135). 96. Предельная частота мельканий для центрального и периферического полей зрения (136). 97. «Неподвижное» велосипедное колесо (137). 98. «Неподвижное» автомобильное колесо (138). 99. «Неподвижный» пропеллер самолета (139). 100. Наблюдения вращающегося велосипедного коеса (139). 101. Последовательные образы (141). 102. Явление Еливеты Линней (143). 103. Изменение цвета в последовательных образах (144). 104. Контраст, получаемый при «одновременном сравнении» (145). 105. Контрастная кайма па стыке различных яркостей (145). 106. Контрастная кайма вдоль границ тени (146). 107. Черный снег (147). 108. Белый снег и серое небо (147). 109. Цветовой контраст (148). ПО. Цветные тени (149). 111. Цветные тени, возникающие от окрашенных отражений (152). 112. Контрастный треугольник (152). Суждения о форме и движении 113. Оптические иллюзии, связанные с определением положения и навления (154). 114. Как мы видим движения (155). 115. Движущиеся звезды (356). 116. Вращающийся пейзаж и сопровождающая нас Луна (157). 117. Иллюзии, относящиеся к покою и движению (158). 118. Качающиеся двойные звезды (161). 119. Оптические иллюзии, относящиеся к направлению вращения (161). 120. Стереоскопические явления (162). 121. Иллюзии расстояния и величины (164). 122. «Человечек» на Луне (164). 123. Искривление прожекторного лу. Гряды облаков (165). 124. Кажущаяся сплюснутость небесного свода (166). 125. Переоценка угловой высоты (168). 126. Кажущееся увеличение размеров Солнца и Луны близ горизонта (168). 127. Связь между кажущимся увеличением размера небесных тел близ горизонта и формой небесного свода (170). 128. Вогнутая земля (172). 129. Теория «недооценки» (172). 130. Гауссова теория зрительных направлений (174). 131. Как влияют земные предметы на оценку расстояния до небесного свода (176). 132. Кажущиеся размеры Солнца и Луны в сантиметрах. Метод последовательных образов (177). 133. Пейзаж в живописи (178). Радуги, гало и венцы 134. Интерференционные явления в дождевых каплях (179). 135. Как образуется радуга (181). 136. Описание радуги (182). 137. Близкие к глазу радуги (184). 138. Декартова теория радуги (185). 139. Дифракционная теория радуги (188). 140. Небо близ радуги (190). 141.Поляризация света в радуге (191). 142. Действие молнии на радугу (192). 143. Красная радуга (192). 144. Туманная или белая радуга (193). 145. Радуга на росе или горизонтальная радуга (194). 146. Отраженная радуга и радуга от отраженного Солнца (195). 147. Отражение горизонтальной радуги (197). 148. Необычные радужные явления (198). 149. Лунная радуга (199). 150. Общее описание явления гало (199). 151. Малый круг (201). 152. Паргелии или ложные солнца на малом гало (204). 153. Горизонтальные касательные дуги у малого гало. Описанное гало (206). 154. Косые касательные дуги малого гало или «косые дуги Ловица» (206). 155. Дуга Парри (207). 156. Большой круг или 46 гало (207). 157. Ложные солнца большого гало (207). 158. Нижние касательные дуги большого гало (208). 159. Верхняя касательная дуга большого гало (208). 160. Околозенитная дуга (208). 161. Горизонтальный или паргелический круг (209). 162. Световые или солнечные столбы (210). 163. Световые кресты (211). 164. Субсолнце (211). 165. Двойное Солнце (211). 166. Очень редкие и сомнительные явления гало (212). 167. Косые и искаженные явления гало (213). 168. Степень развития явлений гало (213). 169. Гало в облаках, образовавшихся вслед за пролетевм самолетом (214). 170. Явления гало, возникающие близ глаза (214). 171. Явления гало на поверхности Земли (216). 172. Цвета интерференции в масляных пятнах (216). 173. Цвета на замерзшем оконном стекле (219). 174. Цвета интерференции в ржавой воде (220). 175. Дифракция света (220). 176. Дифракция света на малых царапинах (221). 177. «Венцы» (222). 178. Объяснение венцов (223). 179. Венцы на оконном стекле (226). 180. Световые венцы, возникающие в глазу (228). 181. Зеленое и синее Солнце (229). 182. Глория (231). 183. Радужные (иризирующие) облака (233). 184. Перламутровые облака (235). 185. Нимбы на росистых лугах (236). 186. Нимбы на поверхностях без росы (238). 187. Нимб вокруг тени воздушного шара (239). Свет и цвет неба 188. Рассеяние света дымом (240). 189. Синее небо (242). 190. Воздушная перспектива (243). 191. Свет и цвет в горных районах. Пейж, видимый с самолета (245). 192. Почему мы прикрываем глаза рукой. Наблюдения цветов сквозь трубку (245). 193. Опыты с нигро- метром (246). 194. Цианометр (прибор для измерения синевы неба) (248). 195. Распределение света по небу (248). 196. Изменчивость цвета синего неба (250). 197. Когда цвет далекого неба оранжевый и когда он зеленый? (251). 198. Цвет неба во время солнечного затмения (253). 199. Поляризация света синего неба (254). 200. Гайдингеровы щетки (пятна Гайдингера) (256). 201. Рассеяние света туманом (259). 202. Рассеяние света в облаках (261). 203. Видимость водяных каель (262). 204. Рассеяние света на траве, покрытой росой (263). 205. Рассеяние света в запотевшем окне (263). 206. Видимость частиц, парящих в воздухе (264). 207. Свет прожектора (265). 208. Видимость (266). 209. Как Солнце «пьет воду» (269). 210. Заря (270). 211. Измеение сумеречных явлений (274). 212. Сумеречные лучи (276). 213. Объяснение сумеречных явлений (277). 214. Есть ли различия между рассветом и закатом? (280). 215. Изменения освещенности во время сумерек (280). 216. «Темнее всего перед рассветом» (281). 217. Утренняя и вечерняя заря как приметы погоды (281). 218. Наруения нормального течения сумерек (282). 219. Ореол вокруг Солнца (283). 220. Сумеречные перистые облака или ультрацирусы (284). 221. Серебристые облака (284). 222. Ночные световые явления (286). 223. Зодиакальный свет (289). 224. Затмения Луны (293). 225. Пеельный свет (294). 226. «Летающие блюдца» (294). Свет и цвет в пейзаже 227. Цвет Солнца, Луны и звезд (296). 228. Цвет облаков (299). 229. Цвет облаков на восходе и на закате Солнца (301). 230. Освещение облаков земными источниками света (302). 231. Причины, определяющие цвет воды (304). 232. Цвет придорожных луж (305). 233. Цвет рек и каналов (306). 234. Цвет моря (308). 235. Свет и цвет на Северном море (310). 236. Цвет моря, наблюдаемого с судна (316). 237. Цвет озер (318). 238. Наблюдения цвета воды при помощи николя (319). 239. Шкалы для оценки цвета воды (321). 240. Тени на воде (321). 241. Световой ореол около нашей тени на воде (323). 242. Ватерлиния корабля (324). 243. Цвета водопадов (325). 244. Цвет твердых тел (325). 245. Рассеяние света ветвями деревьев, покрытых инеем (326). 246. Цвет зеленой листвы (327) 247. Прямое влияние света на цвет зеленых листьев (329). 248 Растительность в пейзаже (329). 249. Тени и темные пятна (332). 250. Освещенность пейзажа в направлении к Солнцу и в противоположном направлении (333). 251. Как влажность влияет на цвета (335). 252. Пейзаж после дождя (335). 253. Силуэты (336). 254. Человеческие фигуры в пейзаже (337).
М. Миннарт "Свет и цвет в природе"
Издательство: Наука
Год: 1969
Страниц: 344
Формат: DJVU
Размер: 2.9 Mb
Эрудиция автора - его удивительное знание мировой, и в частности русской, литературы - делает эту книгу интересной как для простого читателя, так и для специалиста.
Пространственные неоднородности в значениях коэффициента преломления атмосферного воздуха, вызванные пространственными изменениями его физических параметров, приводят к отклонениям в прямолинейном распространении света. Это явление получило название рефракции – искривления траекторий лучей света в неоднородной атмосфере. Принято подразделять рефракцию на ряд видов: Астрономическая рефракция – явление изменения видимого положения внеземных источников света относительно истинного положения их на небесной сфере.
Земная (атмосферная) рефракция – явления, связанные с изменением видимого положения источника света (или предмета), находящегося в атмосфере, при наблюдениях его с поверхности Земли или из другой точки в атмосфере.
Космическая рефракция – эффект изменения положения источников света при их наблюдениях из космоса через земную атмосферу. В литературе можно встретить еще определения регулярной (нормальной) и случайной рефракции. Регулярная рефракция обусловлена плавными изменениями параметров атмосферы и, соответственно, плавными изменениями коэффициента преломления. Случайная рефракция обусловлена относительно мелкомасштабными пространственными вариациями параметров атмосферы и коэффициента преломления.
Эти вариации имеют разные пространственные масштабы – от сантиметров до десятков метров. Они обусловлены, например, турбулентностью в атмосфере. Случайная рефракция приводит к хорошо известному явлению мерцаний точечных источников света , например, мерцанию звезд при их наблюдениях с поверхности Земли. Наконец, отметим явление аномальной рефракции – устойчивые, длительные (до нескольких часов) отклонения показателя преломления воздуха от его среднего значения . Явления рефракции можно объяснить с помощью эффекта преломления света на границах слоев с различными оптическими свойствами.
Рассмотрим распространение света от внеземного источника – рис. 4.10 . Разобьем атмосферу на несколько концентрических слоев, достаточно тонких, чтобы считать их однородными, с постоянным показателем преломления. Обозначим соответствующие этим слоям показатели преломления n1, n2, n3 и т. д. Показатель преломления согласно (4.1.12) связан с плотностью воздуха, которая с высотой убывает, поэтому: n1 < n2 < ….. Углы падения θ и преломления ψ на границе двух соседних слоев связаны законом Снеллиуса
Из треугольника 1О2, согласно теореме синусов,
Где и расстояния от точек 1 и 2 до точки О (центра Земли). Аналогично для треугольников 2О3 и т.д.
Перемножив попарно равенства получаем 
Таким образом, в любой точке траектории луча выполняется соотношение
где r – расстояние до центра Земли, n (r) – показатель преломления воздуха, θ – зенитный угол луча света. Уравнение (4.5.3) и есть уравнение траектории луча света в атмосфере или уравнение рефракции. Константа в (4.5.3), очевидно, равна r 0 n sin θ 0 , где r 0 – расстояние от центра Земли до верхней границы атмосферы (где n≡1), θ 0 – угол падения луча на верхнюю границу.
Астрономическая рефракция приводит к тому, что все внеземные источники света – Солнце, планеты, звезды – кажутся приподнятыми над горизонтом на некоторый угол. Важной характеристикой является угол астрономической рефракции β – угол между истинным S и видимым S" направлениями на источник света. Максимальные углы астрономической рефракции достигаются в моменты восхода и захода светил и при небольших отрицательных высотных углах. При средних атмосферных условиях они достигают значений 35", но при низких температурах и высоком давлении у земной поверхности изменения показателя преломления воздуха могут стать значительными и углы рефракции увеличиваются до 2–3-х градусов. За счет этого явления происходит увеличение продолжительности дня (светлого времени суток). В высоких широтах это увеличение может достигать часов и дней. Так, на полюсе продолжительность полярных дней (когда Солнце не заходит за горизонт) больше на 14 суток, чем продолжительность полярной ночи.
Лучи света от наземных предметов также распространяются по криволинейным траекториям. Углом земной рефракции называется угол между направлениями на видимое и действительное положение предмета . Значения этого угла зависят от расстояния до наблюдаемого предмета и термической стратификации приземного слоя воздуха. В зависимости от характера вертикального градиента температуры (и, следовательно, плотности воздуха), которым, согласно (4.1.12), определяется градиент показателя преломления, в приземном слое атмосферы может происходить поднятие и расширение или опускание и сужение видимого горизонта. Следствием этого эффекта является увеличение (при расширении) или уменьшение (при сужении) геометрической дальности видимости предметов.
Разработка космических методов измерений параметров атмосферы сделала актуальным рассмотрение явлений рефракции при наблюдении внеземных источников через атмосферу из космоса. Важным эффектом космической рефракции является рефракционное удлинение элемента луча. При малых высотах распространения излучения в атмосфере рефракционное удлинение может достигать 5−15 %, что необходимо учитывать при решении различных атмосферных оптических задач. При наблюдениях сквозь атмосферу диска Солнца или Луны изменение угла рефракции с высотой луча приводит к рефракционной расходимости – изменению угла между лучами, исходящими от разных краев диска. Это изменение может быть весьма существенным при достаточном удалении точки наблюдения (космического аппарата) от перигеев распространяющихся через атмосферу лучей. При этом атмосфера может действовать как рассеивающая линза, что приводит к видимому уменьшению яркости диска Солнца (Луны). Это явление рефракционного ослабления. Возможны и обратные ситуации рефракционного усиления, когда атмосфера действует как собирающая линза, уменьшая угловые размеры Солнца (Луны). Особенно сильны эти явления при наблюдениях через нижние слои атмосферы.
Там могут происходить разнообразные искажения изображений Солнца и Луны, включая даже их "разрывы". При наблюдениях излучения точечных источников (звезд) при наблюдениях из космоса, что обусловлено случайными вариациями показателя преломления атмосферы .
Различные оптические явления, наблюдаемые в атмосфере, имеют простые физические обоснования. Под сумерками понимают весь комплекс оптических явлений, совершающихся в атмосфере, когда Солнце восходит или заходит за горизонт. Чем ниже Солнце горизонта, тем сильнее оно освещает верхние, следовательно, менее плотные, слои атмосферы, поэтому тем слабее доходящее до поверхности рассеянное излучение. С этим и связан плавный переход от дня к ночи на Земле. Если взглянуть на земной шар из космоса, то он окажется опоясанным широкой полосой сумеречной полутени, неизменно захватывающей от 20 до 25 % земной поверхности в зависимости от состояния атмосферы. По одну ее сторону, на 42–45 % площади земного шара, господствует день, по другую сторону 33–35 % земной поверхности погружено в ночь. В тропиках, где Солнце круче опускается к горизонту, это время меньше – около 10–15 %, тогда как на высоких широтах оно возрастает до 30–40 % длительности года, причем в полярных районах в весенний и осенний периоды непрерывные сумерки – белые ночи − длятся неделями. Радуга возникает при рассеянии солнечных лучей на крупных каплях дождя.
Например, фиолетовые лучи (0,40 мкм) сильнее преломляются, чем зеленые (0,55 мкм), а зеленые - сильнее, чем красные (0,76 мкм).
Показатель преломления прозрачной оптической среды, также называемый коэффициентом преломления, показывает во сколько раз фазовая скорость света меньше скорости света в вакууме.
Комплексный показатель преломления используется, чтобы определить количественно не только изменение фазы на единицу длины, но также и (через его мнимую часть) усиление в оптическом диапазоне или потери при распространении (например, вследствие поглощения).
Комплексный показатель преломления имеет следующую физическую интерпретацию:
а) реальная часть комплексного показателя преломления определяет скорость распространения света в диэлектрике
б) мнимая часть комплексного показателя преломления отвечает за поглощение света в среде.
В стандартной атмосфере коэффициент преломления изменяется с высотой по линейному закону, а в реальной атмосфере изменение N с высотой в среднем происходит по экспоненциальному закону.
Коэффициент преломления тропосферы не зависит от частоты для волн более 1 см. Для волн миллиметрового диапазона существенно сказываются потери, что учитывается путем введения комплексной диэлектрической проницаемости воздуха.
На практике чаще применяют величину N = (n - 1) ×10 6 , называемой индексом преломления тропосферы, где n»Öe - коэффициент преломления тропосферы.
В среднем N изменяется с высотой линейно, причем для средних широт градиент изменения N с высотой в стандартной тропосфере составляет dN/dh = -40 1/км
В реальных условиях часто наблюдается нерегулярное изменение метеорологических параметров, что приводит к сложной зависимости N от высоты.
Суточные изменения коэффициента преломления атмосферы наиболее значительны в нижнем километровом слое и могут достигать 10 – 15N – ед. Они также обусловлены большим суточным ходом температуры и влажности воздуха. Случайные флюктуации коэффициента преломления связаны с атмосферной турбулентностью и могут достигать значения 10N – ед.
Искажения диска Солнца при восходе и заходе
За счет рефракции солнечных лучей при восходе и заходе возникает еще несколько оптических явлений. Прежде всего при восходе и заходе искажается форма солнечного диска. Круглый обычно диск Солнца при приближении к горизонту сплющивается в вертикальном направлении, принимая форму яйца с горизонтальной длинной осью (рис. 10.2). Объясняется сплющивание Солнца тем, что нижний его край, касаясь горизонта, испытывает более сильную рефракцию, чем верхний, который находится на высоте 32" над горизонтом, поскольку угловой диаметр Солнца 32". При нормальном состоянии атмосферы нижний край приподнимается за счет рефракции на 35", а верхний только на 28". В результате солнечный диск оказывается сплющенным на 7". При более низких температурах у поверхности Земли, например в условиях зимних антициклонов в Сибири или в полярных районах земного шара, угол рефракции увеличивается и сплющивание солнечного диска может быть более сильным.
Подчеркнем особенность визуального наблюдения в сравнении с фотографированием и получением телевизионных изображений. При хорошем освещении (днем) и достаточных угловых размерах наблюдаемых предметов (не менее 20-30") порог контрастной чувствительности глаза человека, как уже говорилось, равен 2%, а иногда даже 1%, пороги контрастной чувствительности (т. е. минимально разрешаемые яркостные контрасты) фотографического и телевизионного изображений равны соответственно 10-15 и 15-25%. Поскольку атмосфера вносит свою „лепту" в уменьшение имеющихся контрастов, особенно между облаками и поверхностью Земли, минимальные значения контрастов, необходимые для того, чтобы уверенно различать детали на поверхности Земли, должны быть для визуальных наблюдений, фотографирования и телевизионных изображений по крайней мере удвоены, т. е. должны быть не менее 4, 30 и 50% соответственно. Представляете, насколько глаз человека лучше различает особенности, детали наблюдаемых предметов по сравнению с фотографией и телевизионным изображением! Глазом можно увидеть то, что недоступно пока ни фотографии, ни телевизионному изображению.
По утверждению всех космонавтов, визуальная картина земной поверхности из космоса существенно отличается от фотографий и телевизионных изображений, прежде всего своей четкостью. На фотографиях поверхности Земли, облачных покровов всегда присутствует вуаль или „сеточка", что отчасти объясняется засветкой жестким излучением, имеющимся в космосе. На телевизионное изображение ослабляющее влияние оказывает, в частности, атмосфера, через которую оно должно пройти.
Все космонавты легко узнавали материки и океаны по их характерным очертаниям. На океанах видели движение волн, зыбь, в пустынях - песчаные дюны. Улавливали различие в прозрачности атмосферы над отдельными районами земной поверхности, формы облаков, циклоны, грозы и многие другие особенности суши, океана и атмосферы. С высоты полета станции 250-300 км при наблюдении вниз хорошо различимы объекты размером 1-2 км, а иногда и меньше, порядка 500 м.
2. Радиорефракция
Радиорефракцией называется искривление траектории электромагнитных волн при распространении в атмосфере. Плотность реальной атмосферы убывает с высотой, поэтому радиолуч, направленный с земной поверхности вверх, будет переходить из области с большим значением плотности в области с малыми значениями плотности. Если электромагнитный луч будет распространяться в плоскослоистой атмосфере, в которой коэффициент преломления изменяется постепенно, то будет происходить плавное искривление траектории луча. Радиус кривизны будет определяться величиной градиента коэффициента преломления в соответствии с выражением:
,(16)
где dn/dH – градиент коэффициента преломления.
Представляет практический интерес случай критической рефракции, когда радиус кривизны радиолуча, направленного вдоль земной поверхности, равен радиусу Земли и луч огибает земной шар. Условием критической рефракции будет:
Нормальная радиорефракция соответствует рефракции в нормальной (стандартной) атмосфере, имеющей градиент коэффициента преломления –4·10-8 1/м. Радиорефракция при значениях градиента коэффициента преломления от 0 до –4·10-8 1/м называется положительной пониженной рефракцией. Радиорефракция при – 15,7·10-8 – 4·10-8 1/м называется положительной повышенной рефракцией. При значении градиента = – 15,7·10-8 1/м наблюдается критическая рефракция. При значениях градиента коэффициента преломления менее – 15,7·10-8 1/м имеет место сверхрефракция. Радиус кривизны луча меньше радиуса земного шара, вследствие чего луч испытывает многократное отражение от земной поверхности.
Движение атмосферы является, как правило, турбулентным, и складывается из совокупности неупорядоченных "вихрей" различных размеров и скоростей. Самые крупные вихри образуются в результате неустойчивости основного течения (их размеры L0 сопоставимы с размерами течения), при числе Рейнольдса Re=Vср⋅L0/ν больше критического Reкр, где Vср − скорость основного течения, а ν − кинематическая вязкость. В свою очередь эти вихри, из-за своего большого числа Рейнольдса, разрушаются и порождают возмущения второго порядка, меньшего размера. При этом происходит передача энергии от возмущений большего размера к возмущениям меньшего размера. Порождение вихрей все меньших и меньших размеров l прекращается при уменьшении числа Рейнольдса Re=V⋅l/ν возмущений до критического числа Reкр, где V − скорость перемещения вихрей размером l. Возмущения минимального размера устойчивы и далее не распадаются, а их энергия расходуется на преодоление сил трения и непосредственно переходит в теплоту.
В случае устойчивой стратификации в спектре турбулентности происходит переход энергии турбулентности в потенциальную энергию стратификации в результате работы вихрей против архимедовой силы устойчивой стратификации.
Неустойчивая стратификация приводит к возрастанию энергии турбулентности в определенном интервале частот.
Существование инверсионных слоев температуры, а также слоев с резким падением температуры сопровождается повышенным значением турбулентной энергии.
По сравнению с распространением в однородной атмосфере, в неоднородной атмосфере появляются дополнительные источники излучения, интенсивность которых полностью определяется первичным полем. Электромагнитные волны, испытавшие рассеяние на движущихся неоднородностях показателя преломления, несут в себе информацию об интегральных параметрах воздушных движений в атмосфере.
Как известно, максимум ослабления радиоволн в дождях наблюдается в ММ диапазоне волн. Ослабление обусловлено двумя механизмами: поглощением энергии волны в объеме капли дождя и дифракционным рассеянием излучения каплей во внешнее пространство .
Расчеты коэффициентов ослабления и рассеяния радиоволн в дожде показывают, что ослабление миллиметровых волн в дожде в равной степени обусловлено как поглощением энергии волны в объеме капель, так и дифракционным рассеянием падающей волны на каплях, причем это соотношение (между поглощением и рассеянием) практически не зависит ни от длины волны (в диапазоне ММВ), ни от интенсивности дождя, ни от спектра размеров капель.
В диапазоне СМ волн, напротив, ослабление определяется, главным образом, поглощением, а роль рассеяния падает с увеличением длины волны, с уменьшением интенсивности дождя и зависит от вида распределения капель по размерам.
Тропосферная рефракция - один из главных источников ошибок при ГЛОНАСС/GPS измерениях. Фазовая скорость волнового фронта в тропосфере, показатель преломления которой больше единицы, меньше скорости света в вакууме, вследствие чего "электромагнитная" длина излучаемого электромагнитного сигнала НИСЗ становится больше "геометрической". Тропосферная рефракция вносит ошибку в измерение псевдодальности порядка 2.0 - 2.5 м в направлении зенита и увеличивается приблизительно с косекансом угла места и может достигать значения 20 - 28 м при угле возвышения НИСЗ над горизонтом в 5°. Поэтому для достижения приемлемой точности измерения псевдодальности по коду и фазе несущей необходим учёт и исключение влияния тропосферы при всех видах измерений посредством СРНС ГЛОНАСС/GPS.
Тропосфера - недиспергирующая среда, то есть показатель преломления и скорость распространения электромагнитного сигнала в тропосфере не зависит от частоты электромагнитного сигнала, вследствие чего тропосферная рефракция не зависит от несущей частоты, не исключается посредством комбинации измерений на частотах L1, L2 и одинаково воздействует на измерение псевдодальности и по коду, и на фазе несущей.
Сухая атмосфера вносит приблизительно 90 % полной тропосферной рефракции и может быть смоделирована с точностью до 0.05 м с использованием поверхностного давления и температуры. Различные модели сухой атмосферы основаны на законах идеальных газов; эти модели применяют сферические слои в качестве разложения тропосферы для сухого слоя. Влажный компонент намного более сложно поддаётся моделированию, так как водяной пар не может быть точно предсказан и смоделирован. Даже при нормальных условиях состояния тропосферы имеются ограниченные источники водяного пара, часто в форме жидкой воды. Поэтому эти водные источники пара, наряду с турбулентностью в более низкой атмосфере, причиняют вариации на концентрации водяного пара, который не может быть коррелирован через какое-то время или пространство. Эти вариации не могут быть точно предсказаны от поверхностных измерений с Земли. К счастью, "влажный" вклад приблизительно равен 10 % от полной тропосферной рефракции. Несмотря на изменчивость водяного пара, существует способ его моделирования путём создания экспоненциального вертикального профиля. Высота влажного слоя приблизительно 12 км. Влажная задержка приблизительно составляет 5 - 30 см.
Посредством моделирования средняя квадратическая ошибка определения псевдодальности сводится к 2 - 5 см. Объединенные модели для сухих и влажных слоев вместе предсказывают задержку, вызванную тропосферой.
Радиосигналы при распространении в атмосфере испытывает препятствия, в результате чего задерживаются и доходят до Земли (до приемника) чуть позднее. Нетрудно можно сказать , что путь радиосигналов определяется по формуле:
S=∫cdt=∫c/vds=∫s(n) ds (5.1)
где S – электромагнитная дальность (псевдодальность), м; ds – элементарная электромагнитная дальность, м; c – скорость света в вакууме, м/с; v – групповая скорость распространения радиоволн в среде, м/с; n – показатель преломления. Эта электромагнитная дальность или псевдодальность по сравнению с геометрической дальностью всегда больше.
Суммарная задержка радиосигналов в атмосфере состоит из: ионосферной, тропосферной, сдвига шкал времени, систематической ошибки и случайной ошибки .
Причина запаздывания радиосигналов заключается в том, что атмосфера состоит из слоев с разными физическими характеристиками поэтому происходит все время рефракция радиоволн. Из формулы (5.1) видно, что электромагнитная дальность зависит от коэффициента преломления.
Тропосферная задержка радиосигналов представляет собой самый большой интерес метеорологов потому, что она даст новую возможность получения информации о влагосодержании атмосферы. В данной главе рассматриваются теоретические основы и использование радиосигналов, полученных со спутников ГНСС, в задаче дистанционного зондирования водяного пара, а также возможность реализации нового метода измерения водяного пара с помощью сети ГНСС-приемников для целей ассимиляции данных в системы гидродинамических прогнозов.
Для атмосферы верно следующее выражение:
где N – показатель преломления в N-единицах; Nd – показатель преломления в N-единицах для сухого воздуха; Nv – показатель преломления в N-единицах для водяного пара.
Показатель преломления в N-единицах для сухого воздуха может быть рассчитан по формуле:
Nd=k1⋅P d /(T⋅Zd) (5.7)
где k1 – некий коэффициент, равен 7.76·10 -1 К/Па; P d – давление сухого воздуха, Па; T – температура сухого воздуха, К; Zd – фактор сжимаемости сухого воздуха.
Показатель преломления в N-единицах для водяного пара может быть рассчитан по формуле: Nv= ⋅Zv −1 (5.8)
где k2 – некий коэффициент, равен 7.04·10 -1 К/Па; k3 – некий коэффициент, равен 3.776 10 -1 К 2 /Па; e – парциальное давление водяного пара, Па; T – температура воздуха, К; Zd −1 – фактор сжимаемости водяного пара.
Факторы сжимаемости сухого воздуха и водяного пара могут быть рассчитаны по следующим эмпирическим формулам:
Zd −1 =1+Pd⋅
Zv −1 =1+e⋅⋅[−2.37321⋅10 −3 +2.23366T −1 −710.92T −2 +7.75141⋅10 4 T −3 ]
Известно, что для любого газа выполняется равенство:
Pi=Zi⋅ri⋅Ri⋅Ti (5.11)
где Pi – давление i-го газа, Па;Zi– фактор сжимаемости i-го газа; ri– плотность i-го газа, кг/м3; Ri– газовая постоянная i-го газа, Дж/кг·К; Ti– температура i-го газа, К.
Вертикальная гидростатическая задержка радиосигналов показывает, на сколько радиосигналы задерживаются в вертикальном столбе сухого атмосферного воздуха
Из описания вертикальной влажной задержки радиосигналов (5.34) видно, что необходимо определить среднюю взвешенную температуру по формуле Нетрудно понять, что средняя «взвешенная» температура имеет региональный характер, то есть она для разных районов будет различна. Средняя взвешенная температура получается экспериментальным путем, а именно, с помощью данных радиозондирования и выражается следующим образом: T m =a t +b t ⋅T 0 (5.43)
Вертикальная влажная задержка радиосигналов определяется влагосодержанием водяного пара в атмосфере поэтому точность его определения зависит от точности определения влажной части задержки радиосигналов. В главе 4 мы говорили о том, что влажная задержка составляет всего лишь 10% от тропосферной, а определение гидростатической задержки радиосигналов играет большую роль в точности влажной задержки. Рисунок 5.6 показывает вклад каждой из составляющих общей тропосферной задержки. Видно, что преимущественно имеет гидростатическая задержка, которая главным образом зависит от давления. Нам не трудно видеть, что максимальные значения влажной задержки соответствует максимумам разности между тропосферной и гидростатической задержками, которые нам хорошо видны из рисунка 5.7. Максимальная влажная задержка радиосигналов составляет свыше 14 см, а минимальная - около 2 см.
Проанализировав рисунки 5.9, 5.10 и 5.11 можно сказать, что влажная задержка в большей степени зависит от атмосферного давления и парциального давления водяного пара, так как гидростатическая задержка определяется главным образом приземным давлением поэтому зависимость влажной задержки от приземного давления обратная.
Из сделанных анализов можно прийти к выводу, что метод дистанционного зондирования водяного пара с помощью навигационных приемников позволяет с хорошей точностью определить интегральное количество водяного пара в атмосфере. Поэтому он имеет большое практическое значение, так как знание об интегральном количестве водяного пара будет входить в качество исходных данных гидродинамических моделей, что уточняет прогнозы. Такой метод оперативен и имеет много преимуществ по сравнению с другими методами. Это заключает в экономической значимости, в простой реализации измерения водного пара. И самым главным образом он позволяет с меньшим временным интервалом определить интегрального количества водяного пара
Атмосферная рефракция
Атмосферной рефракцией называется отклонение световых лучей от прямой линии при прохождении ими атмосферы из-за изменения плотности воздуха с высотой. Атмосферная рефракция около земной поверхности создает миражи и может приводить к тому, что далекие объекты будут казаться мерцающими, дрожащими, находящимися выше или ниже своего истинного положения. Кроме того, форма объектов может быть искажена - они могут казаться сплюснутыми или растянутыми. Термин "рефракция" относится так же и к рефракции звука.
Атмосферная рефракция является причиной того, что астрономические объекты приподнимаются над горизонтом несколько выше, чем они есть на самом деле. Рефракция влияет не только на световые лучи но и на все электромагнитное излучение, хотя и в разной степени. Например, в видимом свете, синий цвет больше подвержен воздействию рефракции, чем красный. Это может приводить к тому, что астрономические объекты расплываются в спектр на изображениях с высоким разрешением.
По возможности астрономы планируют свои наблюдения при прохождении небесным светилом верхней точки кульминации, когда оно находится выше всего над горизонтом. Также при определении координат судна моряки никогда не будут использовать светило, высота которого менее 20° над горизонтом. Если наблюдения светила, находящегося близко к горизонту нельзя избежать, то можно оборудовать телескоп системами управления для компенсации смещения, вызванного преломлением света в атмосфере. Если дисперсия тоже является проблемой (в случае использования широкополосной камеры при наблюдениях с высоким разрешением), то может быть использовано корректирование преломления света в атмосфере (используя пару вращающихся стеклянных призм). Но так как степень атмосферной рефракции зависит от температуры и давления, а также влажности (количества водяного пара, что особенно важно при наблюдении в середине инфракрасной области спектра), то количество усилий, необходимых для успешной компенсации может быть непомерно высоким.
Атмосферная рефракция мешает наблюдениям сильнее всего тогда, когда она не является однородной, например, при наличии турбулентности в воздухе. Это является причиной мерцания звезд и деформации видимой формы солнце на закате и восходе.
Значения атмосферной рефракции
Атмосферная рефракция равна нулю в зените, меньше 1" (одна минута дуги) при видимой высоте 45° над горизонтом, и достигают величины 5,3" при 10° высоты; рефракция быстро увеличивается с уменьшением высоты, достигая 9,9" при 5° высоты, 18,4" при 2° высоты, и 35,4" на горизонте (1976 Аллен, 125); все значения получены при температуре 10°С и атмосферном давлении 101,3 кПа.
На горизонте величина атмосферной рефракции немного больше, чем видимый диаметр Солнца. Поэтому когда полный диск солнца виден чуть выше горизонта, то он виден лишь благодаря рефракции, так как если бы не было атмосферы, то ни одной части солнечного диска не было бы видно.
В соответствии с принятым соглашением время восхода и захода Солнца относят к времени, когда верхний край Солнца появляется или исчезает над горизонтом; стандартное значение для истинной высоты Солнца составляет -50"...-34" для рефракции и -16" для полудиаметра Солнца (высота небесного тела обычно дается для центра его диска). В случае с Луной дополнительные поправки необходимы для того, что бы учесть горизонтальный параллакс Луны и ее кажущийся полудиаметр, который меняется в зависимости от расстояния системы Земля-Луна.
Ежедневные изменения погоды влияют на точное время восхода и захода солнца и луны (см. статью "Рефракция у горизонта"), и по этой причине не имеет смысла приводить время видимого захода и восхода светил с точностью большей, чем минута дуги (подробнее это описано в книге "Астрономические алгоритмы", Джин Мееус, 1991 год, стр. 103). Более точные расчеты могут быть полезны для определения происходящих изо дня в день изменений времени восхода и захода светил при использовании стандартных величин рефракции, так как понятно, что реальные изменения могут отличаться из-за непредсказуемых изменений величины рефракции.
Из-за того что атмосферная рефракция составляет 34" на горизонте, и только 29 минут дуги на высоте 0,5° над горизонтом, то при заходе или восходе солнца кажется, что оно сплющено примерно на 5" (что составляет около 1/6 его видимого диаметра).
Расчет атмосферной рефракции
Строгий расчет преломления требует численного интегрирования, используя этот метод, описанный в статье Ауэра и Стендиша Астрономическая рефракция : расчет для всех зенитных углов, 2000. Беннетт (1982) в своей статье "Расчет астрономической рефракции для применения в морской навигации" вывел простую эмпирическую формулу для определения величины рефракции в зависимости от видимой высоты светил, используя алгоритм Гарфинкеля (1967) в качестве опорного, если h a - это видимая высота светила в градусах, то рефракция R в угловых минутах будет равна
точность формулы составляет до 0,07" для высот от 0° до -90° (Meeus 1991, 102). Смардсон (1986) вывел формулу для определения рефракции относительно истинной высоты светил; если h - это истинная высота светила в градусах, то рефракция R в угловых минутах составит
формула согласуется с формулой Беннетта с точностью до 0.1". Обе формулы будут верными при атмосферном давлении равном 101,0 кПа и температуре 10° С; для различных значений давления Р и температуры Т результат расчета рефракции, произведенный по этим формулам следует умножить на
(по данным Мееуса, 1991, 103). Рефракция увеличивается примерно на 1% при увеличении давления на каждые 0,9 кПа и уменьшается примерно на 1% на каждые 0,9 кПа снижения давления. Точно так же рефракция увеличивается примерно на 1% при уменьшении температуры на каждые 3° С и рефракция уменьшается примерно на 1% при повышении температуры на каждые 3° С.
График зависимости величины рефракции от высоты (Беннет, 1982)
Случайные атмосферные эффекты, вызванные рефракцией
Турбулентность атмосферы увеличивает и уменьшает видимую яркость звезд, делая их ярче или слабее за миллисекунды. Медленные компоненты этих колебаний видны нам как мерцание.
Кроме того, турбулентность вызывает небольшие случайные перемещения видимого изображения звезды, а также производит быстрые изменения в его структуре. Эти эффекты не видны невооруженным глазом, но их легко увидеть даже в небольшой телескоп.
