атмосферная оптика

АТМОСФЕРНАЯ ОПТИКА - раздел физики атмосферы, посвящённый изучению рассеяния, поглощения, преломления, отражения и дифракции ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения в атмосферах Земли и планет. А. о.- одна из древнейших наук, занимающая видное место в процессе познания природы; с ней связано открытие явления рассеяния излучения, доказательство молекулярного строения атмосферы и справедливости кинетич. теории газов, определение числа Авогадро и др. Исследования А. о. имеют первостепенное значение для целого ряда отраслей науки и техники, в т. ч. для метеорологии, транспорта, агротехники, светотехники, курортологии, астрофизики и т. д.

До нач. 20 в. осн. содержанием А. о. являлось чисто феноменологич. изучение связей между оптич. и метеорологич. явлениями в атмосфере, а методами наблюдений - визуальные. Осн. явлениями, изучавшимися А. о.,были зори, радуги, гало, венцы, глории, миражи и цвет неба.

Заря - совокупность световых явлений в атмосфере, сопровождающих восход и заход Солнца. Явления зари определяются состоянием атмосферы, главным образом её замутнённостью; чем больше в атмосфере пыли и водяного пара, тем интенсивнее окраски зари. Радуга - разноцветная дуга на небосводе, возникающая в результате разложения солнечного света в каплях дождя на спектральные составляющие. Первая радуга с угловым радиусом 42° образуется за счёт двукратного преломления и однократного отражения солнечного луча от внутр. поверхности капли, вторая - с угловым радиусом 53° возникает за счёт двукратного преломления и двукратного отражения луча в капле воды. Гало - светлые круги около Солнца и Луны радиусом 22 и 46°, ложные Солнца и Луны, дуги, столбы, пятна, образующиеся за счёт отражения и преломления света чаще всего ледяными кристаллами перисто-слоистых облаков. Венцы - светлые радужные кольца, окружающие Солнце, Луну, яркие звёзды, фонари и др., обусловленные дифракцией света на взвешенных в воздухе каплях или кристаллах льда.

Глории - цветные кольца, образующиеся вокруг тени наблюдателя (обычно в горах) или наблюдаемые с самолёта вокруг тени самолёта на фоне облаков. Преломление (рефракция) световых лучей в атмосфере приводит к кажущемуся смещению видимого положения светил, к депрессии или расширению видимого горизонта, к возникновению разл. рода миражей. Кроме того, при прохождении света через турбулентные неоднородности воздуха возникают такие атмосферно-оптич. явления, как мерцание звёзд, случайная рефракция, пятнистая структура световых пучков и др. Для уменьшения искажающего влияния атмосферы разрабатываются спец. методы и средства компенсации (т. н. адаптивная оптика).

В связи с общим науч--техн. прогрессом содержание науки А. о. изменилось. Визуальные наблюдения вытесняются инструментальными с использованием лазеров, ракет, космич. аппаратов и др. Всё шире применяются автоматизир. системы, телеметрия, машинные методы обработки получаемой информации. Осн. содержанием А. о. становятся молекулярная и аэрозольная оптика, теория видимости, теория переноса излучения, решение прямых и обратных задач и построение атмос-ферно-оптич. моделей атмосферы.

Основы молекулярной оптики заложены Рэлеем (Дж. У. Стрётт, J. W. Strutt) (1871, 1899). По его теории, солнечные лучи при прохождении через атмосферу рассеиваются молекулами воздуха. Теоретич. исследования Л. И. Мандельштама (1907) показали, что свет рассеивается не молекулами воздуха, а флуктуациями плотности воздуха (случайно расположенными сгущениями и разрежениями). Теория флуктуац. рассеяния, разработанная M. Смолуховским (M. Smoluchowski, 1908) и А. Эйнштейном (A. Einstein, 1910), приводит к тем же ф-лам, к-рые ранее были получены Рэлеем. T. к. флуктуации плотности обусловлены молекулярно-кинетич. природой строения вещества, флуктуац. рассеяние по-прежнему наз. молекулярным.

В реальной атмосфере всегда содержится значит. кол-во аэрозоля (капельки воды и водных растворов, частицы органич. и минеральной пыли, частицы сажи и др.). Теория рассеяния и поглощения света частицами аэрозоля, разработанная Г. Ми (G. Mie, 1908), описывает характеристики рассеяния и поглощения света частицами любых размеров и показателей преломления.

Как молекулярное, так и аэрозольное рассеяние приводит к ослаблению падающих лучей. Интенсивность I излучения, прошедшего через слой атмосферы толщиной l (без учёта интенсивности рассеянного излучения), равна: , где -интенсивность падающего монохроматич. излучения, -коэф. прозрачности атмосферы, -оптич. толща вертик. слоя атмосферы, - атм. (оптич.) масса в направлении на Солнце (при зенитных углах Солнца ), и -объёмные коэф. молекулярного и аэрозольного рассеяния

N - число Авогадро, п - показатель преломления воздуха, - фактор деполяризации, r-радиус аэрозольной частицы, -функция Ми, n(r) -плотность распределения частиц по размерам,- относит. размер частиц, -длина волны монохроматич. света, т - комплексный показатель преломления аэрозольных частиц.

Кроме ослабления излучения за счёт рассеяния, обычно наблюдается ослабление в результате поглощения излучения молекулами воздуха и аэрозолем. Применительно к ослаблению солнечных лучей имеет место закон Бугера:

где -оптич. толща поглощения. Величину наз. бугеровской толщей атмосферы. При наблюдении в широких участках спектра закон Вугера не выполняется. С увеличением коэфф. прозрачности атмосферы р при оптически стабильной атмосфере не остаётся постоянным, а возрастает. Вся б. ч. проходящего излучения приходится на длинноволновые составляющие, для к-рых воздух более прозрачен. Изменение коэф. прозрачности воздуха с изменением высоты Солнца наз. эффектом Форбса. Для характеристики степени замутнённости атмосферы предложен ряд характеристик, менее зависящих от . Наиб. распространение и использование получил фактор мутности Линке , где - прозрачность идеально чистой (молекулярной) атмосферы. В этом случае эффект Форбса действует одноврем. как на р, так и на р_М, благодаря чему фактор мутности почти не зависит от.

С горизонтальной прозрачностью атмосферы тесно связан один из осн. метеоэлементов - метеорологическая дальность видимости (МДВ), под к-рой понимается предельная дальность видимости S_М чёрного экрана с угловыми, размерами более 15 угловых минут на фоне горизонта в светлое время суток. Величина МДВ однозначно связана с горизонтальной прозрачностью атмосферы:

где - порог контрастной чувствительности среднего глаза. Дальность видимости реальных (несамосветящихся) объектов всегда меньше МДВ, В сумеречных и ночных условиях для характеристики горизонтальной прозрачности атмосферы используется дальность видимости точечных источников света.

Пучок рассеиваемого аэрозолем света может быть описан четырьмя характеристиками: интенсивностью, степенью поляризации, степенью эллиптич. поляризации и угловым положением плоскости макс. поляризации. Во MH. случаях световой пучок удобнее характеризовать аддитивными параметрами, впервые предложенными Дж. Г. Стоксом (G. G. Stokes). Матрица четвёртого ранга из параметров Стокса наз. матрицей рассеяния света. В случае рассеяния на шарообразных частицах при совпадении плоскостей рассеяния и наблюдения (референции) матрица аэрозольного рассеяния содержит только четыре независимые компоненты .

Компонента является индикатрисой рассеяния. При чисто молекулярном рассеянии (без поглощения) индикатриса рассеяния выражается ф-лой

где - фактор, учитывающий анизотропию молекул. При рассеянии на аэрозолях

где - угол рассеяния, - угловая ф-ция Ми. Приведённые соотношения характеризуют акты первичного рассеяния света. В действительности, проходя через атмосферу, свет испытывает многократное рассеяние и поглощение. Отразившись от подстилающей поверхности, он вносит дополнит. вклад в рассеянное излучение атмосферы. Рассеиваемый атмосферой свет в значит. мере поляризован. В точках неба, удалённых от Солнца на 90°, степень поляризации максимальная (до 85%). Но имеются точки (Араго, Бабине, Брюстера), в к-рых поляризация света отсутствует. Это т. н. нейтральные точки. Нулевая поляризация рассеянного излучения в этих точках получается вследствие влияния многократного рассеяния света в атмосфере.

Важными являются оптич. характеристики, отнесённые ко всей атмосфере, в т. ч. индикатриса яркости неба при и соответствующая ей оптич. толща. Развиты методы решения обратных задач А. о. в части восстановления атмосферных и аэрозольных индикатрис рассеяния света по данным измерений характеристик и. Всё большее применение получают методы решения обратных задач аэрозольной оптики для восстановления микрофиз. характеристик атм. аэрозоля по данным измерений поля рассеиваемого им излучения. В общем случае для достаточно строгого решения задач распространения, рассеяния, отражения и поглощения света в атмосфере приходится обращаться к решению интегродифференциального ур-ния переноса излучения.

В случае прохождения через атмосферу высокоинтенсивного оптич. излучения (напр., лазерного) могут возникать разл. рода нелинейные атмосферно-оптич. явления (пробой, насыщение ослабления, просветление среды, тепловая самофокусировка лучей и др.). Исследования такого рода эффектов входят в задачи нелинейной оптики.

Актуальная задача А. о.- эксперим. исследование оптич. характеристик атмосферы на разных высотах, в разл. участках спектра и разл. гелиогеофиз. условиях. Для этого проводятся как наземные измерения, так и измерения с летат. аппаратов. Наземные измерения призваны исследовать гл. обр. оптич. характеристики приземного слоя. В то же время развит ряд методов (прожекторные, лазерные, сумеречные), позволяющий производить с земной поверхности оптич. зондирование и более высоких слоев атмосферы. Однако в этих случаях возникают большие сложности методич. характера по освобождению получаемой информации от влияния нижних (значительно более плотных) слоев атмосферы. От этих недостатков свободны аэростатные, ракетные и спутниковые методы исследований. Но здесь возникают свои трудности, связанные с высотной привязкой результатов наблюдений, с определением ориентации оптич. осей аппаратуры при наблюдениях, с решением обратных задач (особенно при спутниковых измерениях).

Важную роль в понимании закономерностей формирования климата, погоды и для целого ряда отраслей нар. х-ва имеют регулярные измерения потоков прямой и рассеянной солнечной радиации, осуществляемые в сети актинометрич. станций как в СССР, так и за рубежом.

Лит.: Пясковская-Фесенкова E. В., Исследование рассеяния света в земной атмосфере, M., 1957; Xюлст Г., Рассеяние света малыми частицами, пер. с англ , M., 1961; Pозен6ерг Г. В., Сумерки, M., 1963; Кондратьев К. Я., Актинометрия, Л., 1965, Зуев В. D., Распространение видимых и инфракрасных чолн в атмосфере, M., 1970; Метод Монте-Карло в атмосферной оптике, Новосиб., 1976, Мак-Картни Э., Оптика атмосферы, пер. с англ., M., 1979. В. А. Смеркалов.

   <<      Предметный указатель      >>