Атмосферная оптика

Атмосферная оптика — раздел физики атмосферы, в котором изучаются оптические явления, возникающие при прохождении света в атмосфере: зори, радуги, изменения цвета неба, рассеяние; поглощение, преломление, отражение, дифракция ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения атмосферной радиации, поляризация небесного света в атмосферах Земли и планет.

Главная задача в атмосферной оптике — установить связь между термодинамическими и аэрозольными (определяемыми запыленностью) характеристиками слоев атмосферы и их оптическими свойствами: прозрачностью, характеристиками рассеяния, излучения и поляризации

Атмосферная оптика переплетается с оптикой коллоидов и аэрозолей, планетных атмосфер, оптикой моря, с радиационной теплопередачей и др. С атмосферной оптикой связано открытие явления рассеяния излучения, определение числа Авогадро, доказательство молекулярного строения атмосферы и кинетическая теория газов и др. Атмосферная оптика находит применение в решении проблем физической химии, астрофизики, океанологии, техники, метеорологии, транспорта, агротехники, светотехники, курортологии, астрофизики и т. д.

Некоторые явления, изучающиеся атмосферной оптикой.

Атмосферная оптика объясняет синий цвет неба рэлеевским рассеиванием, потому что синий цвет неба рассеивается легче, чем красный. Гало объясняется из-за рассеивания света от кристалликов льда и других частиц в атмосфере. Миражи объясняются тем, что лучи света загибаются из-за тепловых колебаний и производят тем самым перемещение образа объекта. Фата-моргана объясняется температурной инверсией. Радуга объясняется сочетанием внутреннего отражения и дисперсионной рефракцией света в каплях дождя.

Паргелий - это один из видов гало, выглядит как «ложное Солнце» на уровне Солнца. Возникает в результате преломления света Солнца в кристаликах льда атмосферы. На гигантских газовых планетах: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — другие кристаллы образуют облака аммиака, метана и других веществ, которые могут производят ореолы с четырьмя или более ложных солнц..

Мираж — оптическое явление в атмосфере, в котором лучи света изгибаются так, что происходит перемещение изображения предмета.

В отличие от галлюцинаций, мираж является реальным оптическим явлением, которое может быть снято на камеру, так как лучи света на самом деле преломляются и формируют ложное изображение, которое наблюдается при мираже. разновидностью миража является фата-моргана, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями.

Зелёный луч — оптическое явление, которое происходит вскоре после заката или перед восходом солнца и выглядит как вспышка зелёного света, длящаяся несколько секунд. Зелёный луч можно наблюдать и с Луны, и на ярких планетах на горизонте, в том числе на Венере и Юпитере.

Фата-моргана является очень сложной формой миража, которая видна в узкой полосе прямо над горизонтом. Название произошло от Феи Моргана и относится к персонажам короля Артура. По легенде этот мираж создала колдунья. Он демонстрирует сказочные замки в воздухе или несуществующие земли предназначенные для того, чтобы заманить моряков на их смерть.

Фата-моргану можно увидеть на суше или на море, в полярных регионах или в пустынях. Этот вид миража может включать практически любой вид удаленного объекта, в том числе такие вещи, как лодки, острова и побережья.

Мираж выглядит как перевёрнутый (вверх ногами). Это оптическое явление происходит из-за того, что лучи света сильно согнуты, когда они проходят через слои воздуха с различной температурой в крутой тепловой инверсии, где формируется атмосферный проток. В безветренную погоду слой значительно более теплого воздуха переходит за слой холодного плотного воздуха, образуя атмосферный канал, который действует как преломляющая линза и производит перевернутое изображение.

Эффект Новой Земли является полярным миражом и обусловлен высоким преломлением солнечного света и разницей температуры. Эффект состоит в том, что солнце всходит раньше своего реального времени. В зависимости от метеорологической обстановки солнце представляется в виде линии или квадрата. Первым человеком, который записал феномен, был Геррит де Веер, участник экспедиции на Новой земле. По названию места экспедиции было дано название феномену.

Сумеречные лучи — это почти параллельные лучи солнечного света, проходящие через атмосферу Земли, но кажущиеся расходящимися из-за линейной перспективы. Сумеречные лучи можно иногда рассмотреть под водой, особенно в арктических районах. Они появляются из шельфовых ледников или трещин во льду.

Астрономическая рефракция - Это преломление в атмосфере световых лучей от небесных светил происходит таким образом, что фактическое положение светила находится ниже, чем кажущиеся (наблюдаемое). По этой причине моряки не делают вычисления по звёздам, когда они на высоте 20° и ниже над горизонтом. А астрономы наблюдают только звёзды, которые расположены высоко в небе.

Голубая Луна и зелёное Солнце - Другой цвет светила можно наблюдать из-за световых явлений, которые рассеиваются на крупных частицах: песок, дым или капельки воды. Это связано с тем, что длинные волны (красные, оранжевые, желтые) сильней рассеиваются в прямом свете Солнца или Луны, и остаются короткие (синие, голубые, зелёные).

Примеры:

Солнце можно наблюдать зелёным во время песчаных или пыльных бурь или после них. Другими словами, в атмосфере должно находится много мелких частиц. При этом солнце может принимает желтоватую или даже красноватую окраску.

Если посмотреть на Солнце днём через клубы пара с мелкими капельками (то есть в первые его моменты), то можно наблюдать голубое Солнце.

Голубая окраска Луны или Солнца происходит при восходе или заходе когда идёт задымление от интенсивного извержения вулкана взрывного типа или сильных пожарах, например:

26—28 сентября 1951 года, когда по Европе распространился дым от громадных лесных пожаров, в Канаде наблюдали голубое Солнце при восходе жители стран Западной Европы.

В 1985 году после извержения вулкана Мауна-Лоа на Гавайских островах наблюдали голубую восходящую Луну. Такая окраска Солнца или Луны при восходе или заходе имела место и при других интенсивных вулканических извержениях.

Цвет облака.

Цвет облака говорит о том, что происходит внутри облака. Плотные облака в тропосфере демонстрируют высокую отражательную способность (от 70 % до 95 %) по всей видимой области спектра. Мелкие частицы воды плотно соприкасаются, и солнечный свет не может проникнуть далеко в облако, прежде чем он отразится, давая этим самым облаку характерный белый цвет. Капельки на облаках, как правило, рассеивают свет эффективней, так что интенсивность солнечного излучения уменьшается. В результате цвет нижней границы облаков может измениться от светлого до очень тёмно-серого в зависимости от толщины облака и количества отражаемого или передаваемого света к наблюдателю.

Если облако достаточно велико, и капли разнесены достаточно далеко друг от друга, то свет, который входит в облако, не отражается, а поглощается. Этот процесс отражения и поглощения вызывает ряд цветов в облаке от белого до чёрного.

Голубовато-серый цвет облака является результатом рассеяния света в облаке. В видимой области спектра, синий и зелёный находятся на короткой длине волны света, в то время красный и жёлтый являются на длинной длине. Короткие лучи легче рассеиваются каплями воды, а длинные лучи поглощаются. Синеватый цвет говорит о скором дожде.

Зеленоватый оттенок в облаке присутствует тогда, когда солнечный свет рассеивается на льду. Если кучево-дождевые облака окрашиваются в зелёный цвет, то это знак того, что будет сильная гроза, сильный дождь, град, сильный ветер и возможно торнадо.

Желтоватый цвет облака обычно происходит в периоде от конца весны и до первых осенних месяцев, когда идёт сезон лесных пожаров. Жёлтый цвет обусловлен присутствием загрязняющих веществ в дыме. Желтоватый цвет облака объясняется наличием диоксида азота, поэтому его иногда можно увидеть в городских районах с высоким уровнем загрязнения воздуха.

Красные, оранжевые и розовые облака возникают на восходе и закате и являются результатом рассеяния солнечного света в атмосфере. Когда угол между Солнцем и горизонтом составляет менее 10 градусов. Облака отражают длинные и не рассеяные лучи солнечного света, которые являются преобладающими в эти часы.

Иризация облаков.

Облака могут иризировать: зелёным, пурпурно-красным, синим и т. д. Такие иризирующие облака появляются во все времена года, но особенно часто они появляются осенью. Их можно наблюдать около Солнца. Кучевые, кучево-дождевые и слоисто-кучевые облака показывают иризацию лишь на краях. Сверкающие, белые, перисто-кучевые и высококучевые облака, особенно имеющие линзообразную форму, которые быстро возникают до или после бури являются самыми красивыми иризациями облака. Цвета располагаются лентами, полосами и «глазками». Радужность видна и тогда, когда облако быстро меняет форму незадолго до или тотчас после бури.

Разноцветные облака на Юпитере.

Известно, что на Юпитере есть разноцветные облака. Такие облака объясняются атмосферой Юпитера, которая имеет температуру ?153 °C. При такой температуре атмосфера должна быть бесцветной. Красочный цвет облаков можно объяснить тем, что водородные соединения поднимаются из теплых слоев атмосферы в верхний холодный слой, тем самым его окрашивая. Также цвет облаков объясняется примесями соединений серы. По цвету облака можно определить его высоту. Например, голубые облака — низкие, красные — высокие. Окраска облаков постоянно меняется.

Задачи атмосферной оптики.

Актуальной задачей является исследование оптических характеристик атмосферы на разных высотах. Исследование необходимо производить экспериментально для различных участков спектра и при различных гелиогеофизических условиях. Эти исследования необходимо производить с земли и с летательных аппаратов. Наземные измерения должны обеспечить материалом для исследования в оптической характеристике приземного слоя. Можно производить оптическое зондирование с земной поверхности более высоких слоев атмосферы, при помощи следующих методов: прожекторные, лазерные, сумеречные. Однако придётся столкнуться с трудностями методического характера по освобождению получаемой информации от влияния нижних (плотных) слоев атмосферы. Эту проблему решают аэростатные, ракетные и спутниковые методы исследований. Тем не менее, здесь также возникают проблемы, связанные с высотной привязкой результатов наблюдений, с определением ориентации оптической оси аппаратуры при наблюдениях, с решением обратных задач (особенно при спутниковых измерениях).

Прямые задачи: изучение оптических свойств воздуха, моря и суши.

Обратные задачи: определение по измеренным оптическим свойствам воздуха, моря и суши других их физических характеристик; оптические методы исследования стратосферы по наблюдениям сумеречного света с применением эмпирических данных; определение спектра частиц по особенностям светорассеяния; определение температуры земной поверхности или облаков по характеру излучения; определение вертикального профиля температуры и влажности; решение задач с разработкой методов зондирования атмосферы с метеорологических искусственных спутников Земли (например, определение температуры земной поверхности или облаков по характеру излучения, достигающего спутник) и другие. Задачи состоят в разработке оптических методов зондирования. Однако существуют проблемы при такой разработке: нужно установить, что в оптической информации содержатся нужные данные; необходимо указать способ их извлечения и необходимую точность измерений.

Прикладная задача: исследование условий, влияющих на горизонтальную и наклонную видимость (на фоне неба или Земли). По этой теме занимались советские учёные В. В. Шаронов (рассмотрел различные факторы, определяющие дальность видимости, 1947), Н. Г. Болдырев, В. А. Берёзкин, В. А. Фаас (разработал специальную классификацию атмосферной дымки в связи с задачами аэрофотосъемки и наклонной видимости, 1932)[2]; немецкий учёный Х. Кошмидер; канадский учёный Д. Мидлтон.

Производить прямые измерения в свободной атмосфере при помощи самолётов и искусственных спутников Земли.

Институты атмосферной оптики.

Работу по развитию и согласованию исследований в области атмосферной оптики проводит Академия наук РФ совместно с Федеральным управлением гидрометеорологической службы РФ.

Институт оптики атмосферы имени В. Е. Зуева СО РАН в Томске. Институт публикует журнал «Оптика атмосферы и океана» (издаётся с 1988 года), издаваемый на русском и английском языках, и проводит ряд научных конференций.

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН.

Институт актинометрии и атмосферной оптики при Главной геофизической обсерватории (основанный Н. Н. Калитиным в 1930 году и просуществовавший до войны. В нём велись систематические наблюдения над десятью различными радиационными характеристиками, в том числе над суммарной освещенностью и рассеянной освещенностью. На базе этих наблюдений в 1945 году В. В. Шароновым были изданы фундаментальные таблицы, являющиеся единственным справочным изданием подобного типа как у нас, так и за рубежом).

Университет Пьера и Марии Кюри (Франция).

Оптическое общество (OSA, США).

Проводятся всесоюзные межведомственные совещания по актинометрии и атмосферной оптике.

Проводятся Международные симпозиумы по отдельным проблемам.

Источник: vk.com