АТМОСФЕРНАЯ ОПТИКА
раздел
физики атмосферы, в к-ром изучаются оптич. явления, возникающие при прохождении
света в атмосфере. Сюда относятся не только такие красочные явления, как
зори, радуги, изменения цвета неба, а и менее заметные, но очень важные
для практики явления, как рассеяние и излучение атмосферой видимой и невидимой
радиации, поляризация небесного света, видимость предметов и т. д. А. о.
составляет часть физич. оптики; она тесно переплетается с оптикой коллоидов
и аэрозолей, планетных атмосфер, моря, с радиационной теплопередачей и
др. Важные для А. о. результаты были получены при решении проблем физ.
химии, астрофизики, океанологии, техники, а методы и результаты А. о. часто
находят применение в этих науках.
Изучение оптич. свойств воздуха,
моря и суши составляет прямые задачи А. о. Обратные задачи А. о. - разработка
оптич. методов зондирования, т. е. определения по измеренным оптич. свойствам
воздуха, моря и суши других их физ. характеристик.
Оптич. явления в нижних и
верхних слоях атмосферы (слой озона и выше) различны. В верхних слоях под
влиянием солнечного излучения происходят гл. обр. фотохим. реакции. Возникающие
при этом возбуждённые частицы высвечивают запасённую энергию (полярные
сияния, свечение ночного неба и др.). Изучением этих явлений занимается
аэрономия. В данной статье они не рассматриваются.
Интерес к оптич. явлениям
в атмосфере возник очень давно. Цвет неба и облаков, зори, ложные солнца
и т. д. с давних пор считались предвестниками погоды. Таких примет довольно
много и одно время считалось даже, что их изучение и есть главная задача
А. о. Этой точки зрения придерживался рус. геофизик П. И. Броунов (30-е
гг. 20 в.). Однако более подробные исследования показали, что хотя между
оптическими и др. физ. явлениями в атмосфере связь несомненно существует,
но часто она бывает очень сложной и неоднозначной; оптич. признаки погоды
иногда противоречат друг другу. Постепенно стало ясно, что найти связь
между оптич. явлениями и погодой можно, лишь изучая природу оптич. явлений
и одновременно проникая в механизм физ. явлений, вызывающих изменения погоды.
Первые попытки объяснить
синий цвет неба относятся к 16 в. Леонардо да Винчи объяснял синеву небесного
свода тем, что белый воздух на тёмном фоне мирового пространства кажется
синим. Л. Эйлер считал (1762), что "сами частицы воздуха имеют синеватый
оттенок и в общей массе создают интенсивную синеву". В нач. 18 в. И. Ньютон
объяснял цвет неба интерференционным отражением солнечного света от мельчайших
капель воды, всегда взвешенных в воздухе. В 1809 франц. физик Д. Араго
открыл, что свет неба сильно поляризован (см. Поляризация света).
Первое правильное объяснение
синего цвета неба дал англ. физик Рэлей (Дж. У. Стрётт) (1871, 1881). По
теории Рэлея цветные лучи, образующие солнечный спектр, рассеиваются молекулами
воздуха пропорционально Л-4 (где Л-длина световой волны). Синие
лучи рассеиваются, примерно, в 16 раз сильнее, чем красные. Поэтому цвет
неба (рассеянный солнечный свет) - синий, а цвет Солнца (прямой солнечный
свет), когда оно низко над горизонтом и лучи его проходят большой путь
в атмосфере,- красный. При этом рассеянный свет должен быть сильно поляризован,
а под углом 90° от направления на Солнце поляризация должна быть полной.
Измерения яркости, цвета
и поляризации света неба подтвердили теорию Рэлея. Но в 1907 рус. физик
Л. И.Мандельштам показал, что если тело, в том числе и воздух, строго однородно,
то лучи, рассеянные отдельными молекулами, должны в результате взаимной
интерференции гасить друг друга так, что никакого рассеяния вообще наблюдаться
не будет. В действительности из-за хаотич. теплового движения в среде всегда
возникают флуктуации плотности (т. е. случайно расположенные области сгущений
и разрежений), на к-рых и происходит рассеяние. Строгая теория флуктуационного
рассеяния, разработанная польск. физиком М. Смо-луховским (1908) и А. Эйнштейном
(1910), привела к тем же формулам, к-рые были ранее получены в молекулярной
теории Рэлея. Однако все эти работы не учитывали запылённости атмосферы.
Воздух, даже самый чистый,- высоко в горах, в Арктике и Антарктике - всегда
засорён органич. и минеральной пылью, частицами дыма, капельками воды или
растворов. Эти частицы очень малы (радиус ок. 0,1 "м), их масса, а следовательно,
и вес ничтожны, поэтому они так медленно падают на Землю, что малейший
ток воздуха снова вздымает их вверх. Т. к. воздух непрерывно перемешивается,
то в атмосфере всегда парит как бы сеть из мельчайших пылинок и капель,
особенно густая в нижних приземных слоях. Это атмосферный аэрозоль, к-рый
и является главной причиной мутности воздуха. Он уменьшает дальность видимости
в реальной атмосфере, по сравнению с идеальной, приблизительно в 20 раз.
Кроме аэрозоля, большую роль в оптич. явлениях ватмосфере играют водяной
пар, углекислый газ и озон, хотя они составляют всего несколько % от объёма
газов, из к-рых состоит воздушная смесь. Только эти газы поглощают солнечное
и земное излучение и сами излучают радиацию.
В рассеянии света в атмосфере
решающее значение имеет аэрозоль. Немецкий физик Г. Ми (1908) построил
теорию рассеяния света частицей произвольного размера, которой широко пользуются
в А. о. Эта теория была существенно развита и дополнена сов. учёными В.
В. Шулейки-ным. (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифриным (1951) и голл.
учёным ван Хюлстом (1957). Расчёты показывают, что характер рассеяния зависит
от отношения радиуса частицы а к длине волны X и от вещества частицы. Малые
частицы (а/л"1) ведут себя так же, как молекулы в теории. Рэлея, но чем
больше частицы, тем слабее зависимость рассеяния от длины волны. Большие
частицы (a/л"1) рассеивают свет нейтрально - все волны одинаково. Это,
в частности, относится к каплям облаков, радиусы к-рых в 10-20 раз больше
длины волны видимого света. Именно поэтому облака имеют белый цвет. По
этой же причине небо становится белесоватым, если воздух пыльный или содержит
капельки воды. В исследование яркости и поляризации неба большой вклад
внесли сов. учёные В. Г. Фесенков, И. И. Тихановский, Е. В. Пясковская-Фесенкова,
а в исследование прозрачности облаков, туманов, ниж. слоев атмосферы -
А. А. Лебедев, И. А. Хвостиков, С. Ф. Родионов, амер. учёные Д. Стрет-тон
и Г. Хаутон, французские учёные Э. и А. Васси, Ж. Брикар.
Наряду с эксперимент. работами
создавались также методы расчёта распределения яркости и поляризации по
небу, для чего необходимо учитывать многократность рассеяния света и отражения
от земной поверхности. Для этого случая рус. физиком О. Д. Хвольсоном (1890)
было предложено уравнение переноса излучения. Для безоблачного неба влияние
многократного рассеяния не очень велико, но для облаков, к-рые представляют
собой сильно мутные среды, это - основной фактор, без к-рого нельзя правильно
рассчитать прозрачность облаков, отражение и световой режим внутри них.
Большой вклад в разработку методов решения уравнения переноса внесли сов.
учёные В. А. Амбарцумян (1941-43), В. В. Соболев (1956), Е. С. Кузнецов
(1943-45) и индийский учёный С. Чанд-расекар (1950).
Видимость предметов обусловлена
прежде всего прозрачностью воздуха, а также их отражательными свойствами.
Отражение диффузно, т. е. рассеяно во все стороны (за исключением отражения
от поверхности спокойной воды) и для разных поверхностей происходит по-разному,
в результате чего (для несамосветящихся тел) возникает яркостный контраст
предмета с фоном. Если контраст больше нек-рого порогового значения, то
предмет виден; если меньше, то предмет теряется на общем фоне. Дальность
видимости предмета зависит от прозрачности воздуха и от освещённости (в
сумерки и днём порог различения неодинаков). Видимость (прозрачность атмосферы)
входит в число основных метеорологич. элементов, наблюдения над к-рыми
ведут метеорологич. станции. Исследование условий, влияющих на горизонтальную
и наклонную видимость (на фоне неба илиЗемли) - важная прикладная задача
А. о. В её решении значит. результаты получили сов. учёные В. В. Шаронов,
Н. Г. Болдырев, В. А. Берёзкин, В. А. Фаас, нем. учёный X. Кошмидер, канад.
учёный Д. Мидлтон.
Большое значение имеет изучение
условий распространения в атмосфере невидимых инфракрасных волн длиной
3- 50 мкм, к-рые обусловливают лучистую передачу тепла (механизм её состоит
в поглощении и последующем переизлучении). Очень важны прямые измерения
в свободной атмосфере, к-рые могут быть выполнены с самолётов или с искусств.
спутников Земли (ИСЗ). В исследовании лучистой теплопередачи существенные
результаты были получены советскими учёными А. И. Лебединским, В. Г. Кастровым,
К. Я. Кондратьевым, Б. С. Непорентом, Е. М. Фейгельсоном и американскими
- Д. Хоуардом и Р. Гуди.
При постановке обратных задач
А. о. возникают две трудности: во-первых, нужно установить, что в оптич.
информации содержатся нужные данные, и, во-вторых, - указать способ их
извлечения и необходимую точность измерений. В. Г. Фесенков ещё в 1923
показал, что по изменению яркости сумеречного неба можно судить о строении
атмосферы на высотах более 30 км. Через 30 лет сведения о строении стратосферы
и ионосферы, полученные непосредственно с помощью ракет, подтвердили данные
сумеречного метода. В развитие сумеречного метода внесли значительный вклад
сов. учёные Г. В. Розенберг, Н. М. Штауде. Удалось разработать неск. методов,
позволяющих исследовать строение мутных сред по особенностям их светорассеяния,
которые нашли применение не только в геофизике. Наибольший интерес вызывает
разработка методов зондирования атмосферы с ИСЗ для определения темп-ры
земной поверхности или облаков по инфракрасному излучению, приходящему
на спутник. Исследуется также способ определения вертикальных профилей
темп-ры и влажности по характеру приходящего излучения. В разработке этого
метода важные результаты получены сов. учёным М. С. Малкевичем, американским
- Л. Капланом и японским - Г. Ямамото.
Работу по развитию и согласованию
исследований в области А. о. проводит Академия наук СССР совместно с Главным
управлением гидрометеорологической службы СССР.
Лит.: Броунов П.И., Атмосферная
оптика, М., 1924; Ш и ф р и н К.С., Рассеяние света в мутной среде, М.-
Л., 1951; Пясковская-Фесенкова Е.В., Исследование рассеяния света в земной
атмосфере, М., 1957; Розенберг Г. В., Сумерки, М., 1963; Кондратьев К.
Я., Актинометрия, Л., 1965. К. С. Шифрин.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я