Центральный Дом Знаний - Атмосферная оптика

Информационный центр "Центральный Дом Знаний"

Заказать учебную работу! Жми!



ЖМИ: ТУТ ТЫСЯЧИ КУРСОВЫХ РАБОТ ДЛЯ ТЕБЯ

      cendomzn@yandex.ru  

Наш опрос

Я учусь (закончил(-а) в
Всего ответов: 2656

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0


Форма входа

Логин:
Пароль:

Атмосферная оптика

Атмосферная оптика, раздел физики атмосферы, в котором изучаются оптические 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 физической 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 физической химии, астрофизики, океанологии, техники, а методы и результаты А. о. часто находят применение в этих науках.

Изучение оптических свойств воздуха, моря и суши составляет прямые задачи А. о. Обратные задачи А. о. — разработка оптических методов зондирования, т. е. определения по измеренным оптическим свойствам воздуха, моря и суши других их физических характеристик.

Оптические явления в нижних и верхних слоях атмосферы (слой озона и выше) различны. В верхних слоях под влиянием солнечного излучения происходят главным образом фотохимические 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 оптическим 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 русский геофизик П. И. Броунов (30-е гг. 20 в.). Однако более подробные исследования показали, что хотя между оптическими и другими физическими явлениями в атмосфере связь несомненно существует, но часто она бывает очень сложной и неоднозначной; оптические признаки погоды иногда противоречат друг другу. Постепенно стало ясно, что найти связь между оптическими явлениями и погодой можно, лишь изучая природу оптических явлений и одновременно проникая в механизм физических 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 начале 18 в. И. Ньютон объяснял цвет неба интерференционным отражением солнечного света от мельчайших капель воды, всегда взвешенных в воздухе. В 1809 французский физик Д. Араго открыл, что свет неба сильно поляризован (см. Поляризация света).

Первое правильное объяснение синего цвета неба дал английский физик Рэлей (Дж. У. Стрётт) (1871, 1881). По теории Рэлея цветные лучи, образующие солнечный спектр, рассеиваются молекулами воздуха пропорционально l-4 (где l — 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 русский 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 хаотического теплового движения в среде всегда возникают флуктуации плотности (т. е. случайно расположенные области сгущений и разрежений), на которых и происходит рассеяние. Строгая теория флуктуационного рассеяния, разработанная польским физиком М. Смолуховским (1908) и А. Эйнштейном (1910), привела к тем же формулам, которые 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 органической и минеральной пылью, частицами дыма, капельками воды или растворов. Эти частицы очень малы (радиус около 0,1 нм), 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, который 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 оптических явлениях в атмосфере играют водяной пар, углекислый газ и озон, хотя они составляют всего несколько % от объёма газов, из которых 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 н дополнена советскими учёными В. В. Шулейкиным (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифриным (1951) и голландским учёным ван Хюлстом (1957). Расчёты показывают, что характер рассеяния зависит от отношения радиуса частицы a к длине волны l и от вещества частицы. Малые частицы (a/l " 1) ведут себя так же, как молекулы в теории Рэлея, но чем больше частицы, тем слабее зависимость рассеяния от длины волны. Большие частицы (a/l " 1) рассеивают свет нейтрально — все волны одинаково. Это, в частности, относится к каплям облаков, радиусы которых 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 советские учёные В. Г. Фесенков, И. И. Тихановский, Е. В. Пясковская-Фесенкова, а в исследование прозрачности облаков, туманов, нижних слоев атмосферы — А. А. Лебедев, И. А. Хвостиков, С. Ф. Родионов, американские учёные Д. Стреттон и Г. Хаутон, французские учёные Э. и А. Васей, Ж. Брикар.

Наряду с экспериментальными 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 русским физиком О. Д. Хвольсоном (1890) было предложено уравнение переноса излучения. Для безоблачного неба влияние многократного рассеяния не очень велико, но для облаков, которые представляют собой сильно мутные среды, это — основной фактор, без которого нельзя правильно рассчитать прозрачность облаков, отражение и световой режим внутри них. Большой вклад в разработку методов решения уравнения переноса внесли советские учёные В. А. Амбарцумян (1941—43), В. В. Соболев (1956), Е. С. Кузнецов (1943—45) и индийский учёный С. Чандрасекар (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 некоторого 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 метеорологических элементов, наблюдения над которыми ведут метеорологические станции. Исследование условий, влияющих на горизонтальную и наклонную видимость (на фоне неба или Земли) — важная прикладная задача А. о. В её решении значительные результаты получили советские учёные В. В. Шаронов, Н. Г. Болдырев, В. А. Берёзкин, В. А. Фаас, немецкий учёный Х. Кошмидер, канадский учёный Д. Мидлтон.

Большое значение имеет изучение условий распространения в атмосфере невидимых инфракрасных волн длиной 3— 50 мкм, которые обусловливают лучистую передачу тепла (механизм её состоит в поглощении и последующем переизлучении). Очень важны прямые измерения в свободной атмосфере, которые могут быть выполнены с самолётов или с искусственных 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 оптической 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 советские учёные Г. В. Розенберг, Н. М. Штауде. Удалось разработать несколько 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 температуры земной поверхности или облаков по инфракрасному излучению, приходящему на спутник. Исследуется также способ определения вертикальных профилей температуры и влажности по характеру приходящего излучения. В разработке этого метода важные результаты получены советским 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; Шифрин 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.


АТМОСФЕРНАЯ ОПТИКА — раздел геофизики, посвященный изучению оптическнх явлений в атмо­сфере, вызываемых рассеянием, поглощением, пре­ломлением, отражением и дифракцисй света в воз­духе. Многие из этих явлений весьма сложны, и их теоретическое истолкование выдвигает ряд самосто­ятельных вопросов большого научного значения. Развитие А.о. в конечном счёте определяется запро­сами метеорологии, астрономии, авиации, медицины и других наук.

Прежде оптическими явлениями в атмосфере ин­тересовались преимущественно с метеорологической

точки зрения, и А. о. называли метеорологиче­ской оптикой. Но связи оптических явлений в ат­мосфере с погодой сложны, и чем требовательнее относились с течением времени к их научному объ­яснению, тем больше убеждались в трудности тако­го объяснения. Связь оптических явлений в атмо­сфере с общим комплексом физических свойств ат­мосферы и, следовательно, с предстоящими изме­нениями погоды, несомненно, существует. Важней­шей задачей А. о. является исследование и научное объяснение погоды. Можно надеяться, что в бу­дущем А. о. станет существенным подспорьем в прогнозах погоды. Сейчас подобная задача более да­лека от разрешения, чем это представлялось лет 20—30 назад, но теперь гораздо яснее видны пути решения этой задачи, идущие в направлении не эмпирических описаний, а применения физических и математических методов к объяснению суще­ства явлений.

Основоположником А. о. в России был М. В. Ло­моносов. Его исследования полярных сияний по своему конкретному содержанию сохраняют зна­чение до сих пор, а в методическом отношении оста­ются непревзойдённым образцом комплексного рас­смотрения проблемы. Значительную роль в разви­тии А. о. сыграли исследования (1905—24) русского геофизика П. И. Броунова.

Главным источником лучистой энергии в атмо­сфере является Солнце. Энергия солнечных лучей не полностью доходит до земной поверхности, ча­стично поглощаясь воздухом. Определение энергии солнечных лучей, достигающей земной поверхности при различных условиях, имеет большое научное и практическое значение, поскольку эта энергия служит главным источником тепла не только для ат­мосферы, но и для почвы и океанов, оказывая су­щественное влияние на климат. Систематически­ми определениями энергии солнечных лучей за­нимается актинометрия. Советская шко­ла актинометрии, созданная В. А. Михельсоном и Н. Н. Калитиным, занимает видное место в науке.

Лучистая энергия проникает в атмосферу не толь­ко от небесных светил, но также от земной поверх­ности, излучающей как серое тело при температуре 275—280° абс. (в среднем), и из высоких слоёв самой атмосферы (светимость ночного неба и поляр­ные сияния).

Наибольшее практическое значение имеют рассея­ние и поглощение солнечных лучей. Рассеяние света чистым воздухом, т. н. молекулярное рассея­ние, изучалось английским физиком Рэлеем, со­гласно теории которого интенсивность рассеяния зависит от цвета лучей, изменяясь обратно пропор­ционально 4-й степени длины световой волны. В ви­димой части спектра особенно интенсивно рассеи­вается синяя его часть. Этим объясняется голубой цвет неба. Если бы воздух всегда был совершенно чистым, то солнечный луч, проходя под углом 45° к горизонту, терял бы 33% синих лучей, 16% зе­лёных и 7% красных. Прп высоте Солнца 5° над го­ризонтом эти потери на рассеяние составили бы 96%, 70% и 44% соответственно (меньшее рассеяние крас­ных лучей является причиной красного оттенка сол­нечного диска при восходе и заходе). Но в действи­тельности воздух никогда не является совершенно чистым: в нём постоянно присутствуют частицы аэро­золя (пылинки, частицы морской соли, капельки воды и кристаллики льда), размер к-рых (10~6—см) много больше размера молекул газов, составляю­щих воздух (10~8сж), и сравним с длиной световой волны или превосходит её. Поэтому законы рассеяния лучистой энергии такими частицами значительно сложнее; они не могут быть описаны теорией Рэлея.

Теория рассеяния света в атмосфере получила зна­чительное развитие в трудах советских ученых И. И. Тихановского, В. Г. Фесенкова, В. А. Амбарцумяна, Г. И. Покровского, Н. М. Штауде, В. В. Шулёйкяна, В. В. Соболева, Е. С. Кузнецова и др., но всё еще далека от завершения. Наименее разра­ботанными остаются вопросы, относящиеся к учёту рассеяния нерэлеевского типа (рассеяние света ча­стицами аэрозоля). Крупные частицы аэрозоля рас­сеивают почти одинаково свет различных длин волн: облака, состоящие из капелек воды размером 10_3— 10~2 см, имеют белый или серый цвет, а не голу­бой, как у чистого воздуха, освещаемого теми же солнечными лучами. Изменение голубизны неба, его белесоватость зависят от присутствия в воздухе ча­стиц аэрозоля. Размер капелек воды, взвешенных в воздухе, изменяется при изменении температуры и влажности воздуха, что влияет па цвет неба, осо­бенно на стороне восходящего или заходящего Солн­ца. Вследствие этого световые явления на небе (особенно зори) давно ставили в связь с явлени­ями погоды.

Среди т. н. местных признаков погоды оптические признаки запимают важное место; они были уста­новлены исследованиями (1910—20) гл. обр. русских учёных П. И. Броунова, В. А. Михельсона и др. Особый интерес в этом отношении представляют оптические явления, возникающие непосредственно перед восходом и после захода Солнца (зори). Зоревые явления, отличаясь наибольшим разнообра­зием и красочностью, весьма чувствительны к ма­лейшим изменениям физического состояния воздуш­ных масс, простирающихся у горизонта и за гори­зонтом наблюдателя. Советские учёные К. Томсоп, Н. И. Кучеров, Б. В. Кирюхип, М. Д. Заморский и др. систематически изучали зоревые явления с ме­теорологической точки зрения. Их работы позволи­ли составить классификацию зорь и найти (пока эм­пирические) зависимости, связывающие типы зорь и типы воздушных масс. Строгая теория зоревых явлений, принадлежащих к числу сложнейших в А. о., пока отсутствует; её разработка составляет одну из актуальных задач А. о., поскольку в зоревых явлениях с особой силой проявляются самые ха­рактерные черты атмосферного поглощения, рас­сеяния и рефракции света. Работа в этом направле­нии поднимет на более высокий уровень всю А. о. и, в конечном счёте, даст важные для метеорологии практические результаты.

Общая картина рассеяния света в атмосфере ус­ложняется явлением многократного рассеяния, математич. описание к-рого весьма трудно; тем не менее, за последние 5—10 лет уже получены известные результаты в значительной степени в трудах совет­ских геофизиков и астрофизиков (Н. М. Штауде, И. А. Хвостиков, Е. С. Кузнецов).

Рассеяние света, создавая воздушную дымку, влияет на дальность видимости удалённых объек­тов, затрудняет фотосъёмку с больших расстояний; применение жёлтых, красных светофильтров и ин­фракрасной плёнки при аэрофотосъёмке связано с меньшим рассеяыием света большой длины волны. Активное участие астрофизиков в решении проб­лемы видимости вызывается тем, что эта проблема имеет большое практическое значение п вне об­ласти, относящейся к прогнозу погоды. Эта область А.о. усиленно развивается за последние 10— 20 лет. В СССР её разрабатывают В. Г. Кастров и В. Шаронов.

Характерная особенность рассеяния света круп­ными частицами состоит в преимущественной на­правленности рассеянного света вперёд, что про­является, напр., в появлении околосолнечного орео­ла. В работах Г. И. Покровского, II. А. Крылова, В. Г. Фесенкова, Н. Н. Калитина и др. дана тео­рия этих ореолов и показана возможность практиче­ски использовать наблюдение за ними (для опре­деления прозрачности атмосферы и т. д.).

Рассеяние света создаёт значительную поляриза­цию света дневного неба. В точках неба, рас­полагающихся под углом 90° относительно Солнца, степень поляризации всегда наибольшая. Теоре­тически для совершенно чистого воздуха она состав­ляет 92%, но благодаря присутствию в воздухе взве­шенных крупных частичек степень поляризации не превосходит 70—80%, заметно изменяясь в зависимо­сти от прозрачности воздуха. В нек-рых точках неба поляризация равна нулю —это т. н. нейтральные точки, обнаруженные более 100 лет назад, но теоре­тически объяснённые русскими учёными лишь срав­нительно недавно (с учётом многократного рассея­ния света). Поляризация света, рассеиваемого об­лаками, ничтожно мала. Систематические наблю­дения за поляризацией, яркостью и цветом дневного неба ведутся, гл. обр. за рубежом, уже в течение мно­гих десятилетий, но накопленный громадный фак­тический материал имеет ограниченное научное и практическое значение. Лишь за последнее время, благодаря работам Е. В. Пясковской-Фесенковой, получены интересные результаты определения про­зрачности атмосферы по яркости неба и др. Трудности получения строгих выводов в этой области объяс­няются тем, что наблюдаемый в таких условиях свет создаётся рассеянием по всей толще атмосферы, которая состоит из многих слоёв, существенно отличающихся друг от друга по своим свойствам. Физическая интерпретация может стать надёжной только в таких условиях, когда наблюдается рас­сеяние света отдельными, достаточно тонкими слоя­ми. В этом отношении выдающееся значение имеет метод сумеречных наблюдений, разработанный В. Г. Фесенковым. По мере того, как после захода и перед восходом Солнца глубина догружения Солнца иод горизонт изменяется, разные атмосферные слои последовательно попадают в тень Земли. Измере­ние быстро меняющейся в течение сумерек яркости неба позволяет, по формулам теории В. Г. Фесен­кова, вычислять рассеивающую способность, а из пеё — нлотиость и температуру воздуха послойно, до высот свыше 100 км. Самые полные и тщатель­ные исследования выполнены советскими учёными Т. Г. Мегрелишвили и Н. М. Штауде. Особое зна­чение сумеречного метода определяется тем, что с применением его открылась новая глава геофизики: систематическое изучение косвенными методами высоких слоёв атмосферы (стратосферы и ионосферы), которые до 1923 оставались недоступными для пря­мых методов.

Позже для этой цели стали применять и другие косвенные методы: метеорные наблюдения, отраже­ния радиоволн и звуковых волн и др. Эти косвенные методы сыграли исключительную роль в изучении верхних слоёв атмосферы, получившем столь боль­шое практическое и научное значение в настоящее время (ракетная техника, дальняя радиосвязь, вы­сотная авиация, прогноз погоды и т. д.). Из А. о. были взяты и многие другие косвенные методы изу­чения стратосферы и ионосферы, остающиеся весьма важными до сих пор. Измерениями поляризации света, рассеиваемого во время сумерек отдельными слоями атмосферы, была установлена связь электри­ческих свойств ионосферы с оптическими. Измере­ния интенсивности ультрафиолетовых лучей Солнца с длиной волны около 0,3 ft при разной высоте Солнца привели к открытию слоя озона, наибольшая плотность которого приходится на высоту 25 км, а верхняя граница — 60 км. Систематические из­мерения содержания озона на разных высотах приоб­ретают сейчас серьёзное значение для метеорологии, поскольку оказалось, что свойства озонного слоя и их изменения связаны с процессами общей атмо­сферной циркуляции. Значение озона для геофизики определяется и его способностью сильно поглощать ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Самые точные сведения о высоте озонного слоя были полу­чены путём измерений интенсивности ультрафиоле­товых солнечных лучей, рассеиваемых атмосферой в зените наблюдателя. Непосредственные измерения содержания озона на разных высотах, выполненные за последние 2—3 года с помощью приборов, под­нимаемых ракетами на высоту свыше 50 км, полно­стью подтвердили данные косвенных оптических ме­тодов. Систематические и существенные по своим результатам озонные исследования проводятся в СССР С. Ф. Родионовым. Есть все основания пола­гать, что исследования атмосферного озона будут способствовать дальнейшему развитию советской ме­теорологии.

Успешное применение разнообразных оптических методов к изучению верхних слоёв атмосферы (до 250 км и более), значительно изменившее весь облик современной А. о., явилось одним из итогов плодо­творной деятельности Комиссии по изучению стра­тосферы при Академии наук СССР.

Поглощение лучистой энергии воздухом оказывает большое влияние на тепловой режим атмосферы. Однако в этом отношении главную роль играет не поглощение солнечных лучей на их пути сквозь ат­мосферу, а поглощение так называемого обратного (земного) излучения. Солнечные лучи, достигнув земной или водной поверхности, отражаются или поглощаются. Снег отражает до 80% солнечного све­та, но почва без снега, растительный покров, моря и океаны отражают 5—30%, остальное поглощается земной или, соответственно, водной поверхностью. Температура почвы зависит от погло­щения солнечной энергии. Но будучи нагретой, зем­ля сама излучает. Земное излучение сильно погло­щается воздухом и оказывает главное влияние на тем­пературный режим атмосферы. Согласно законам тем­пературного излучения, максимум энергии излучает­ся нагретым абсолютно чёрным телом в той части спектра, где длина световой волны, если её измерять в микронах, равна 2884/71, где 2' — абсо­лютная температура излучающей поверхности (за­кон смещения Вина). Поэтому излучение солнечной поверхности (Г=около 6000°) имеет максимум энер­гии в золёной части спектра, но атмосфера весьма прозрачна для зелёных и вообще для всех видимых лучей. Земная поверхность, имея среднегодовую температуру около 280° абс., излучает преимущест­венно инфракрасные лучи большой длины волны, для к-рых атмосфера является сильно поглощающей средой. Если бы приток тепла в воздухе создавался только за счёт поглощения прямых солнечных лу­чей, то температура воздуха возрастала бы с высотой. В действительности же температура воздуха умень­шается на 4—8° на каждый 1 км удаления от земной поверхности. На уровне 10—12 км она равна при­мерно — 60°С. С этого уровня начинается стратосфе­ра. Постоянство темиературы воздуха в нижней стратосфере связано с особенностями поглощения и испускания лучистой энергии воздухом. Азот и кислород, являющиеся главными составными частя­ми воздуха, почти совершенно прозрачны для ин­фракрасных лучей. Главное влияние на тепловой режим атмосферы оказывает поглощение инфра­красной радиации водяным паром, а в стратосфере, повидимому, — озоном, которые хотя и присут­ствуют в воздухе в малом количестве, но обла­дают сильным поглощением в инфракрасной части спектра.

Атмосфера совершенно непрозрачна для ультра­фиолетовых лучей, длина волны к-рых меньше 0,3 ц. Эти лучи поглощаются в верхних слоях атмосферы, чем вызываются такие процессы, как диссоциация и ионизация молекул воздуха. Эм процессы определяют главные особенности физического строе­ния верхних слоёв атмосферы. Поглощение солнеч­ных лучей с длиной волны меньше 0,175 ц мо­лекулами кислорода вызывает их диссоциацию. Выше 100 км весь кислород находится в атомарном состоянии, ниже этого уровня присутствуют и атомы и двухатомные молекулы кислорода, соедине­ние к-рых друг с другом приводит к образованию трехатомных молекул кислорода, т. е. озона. В свою очередь, молекулы озона сильно поглощают лучи с длиной волны 0,2—0,3ц. Это поглощение вызывает обратную диссоциацию озона на двухатомные мо­лекулы и атомы кислорода. Таким образом, в стра­тосфере и ионосфере постоянно происходят фотохи­мические реакции, т. е. химические реакции, возни­кающие в результате поглощения света. Концент­рация озона на той или иной высоте определяется фотохимическим равновесием, т. е. таким состоянием, при к-ром число молекул озона, исчезающих за 1 сек. в 1 см3 воздуха вследствие фотодиссоциации, равно числу молекул, образующихся путём присоединения атомов кислорода к двухатомным молекулам. Воз­можно, что выше 100—200 км и азот является частич­но диссоциированным, но окончательного доказа­тельства этому пока по получено.

Поглощение ещё более коротковолнового ультра­фиолетового излучения Солнца вызывает ионизацию азота и кислорода. Наличие этих ионизированных (проводящих) слоёв обеспечивает дальнюю радио­связь, поскольку от них отражаются обратно к Зем­ле радиоволны.

Поглощаемая ультрафиолетовая радиация Солнца накапливается в стратосфере и ионосфере в виде энер­гии диссоциации и ионизации. Часть этой энергии выделяется при постоянно происходящих реакциях воссоединения (рекомбинации) диссоциированных и ионизированных частиц. Выделяемая энергия превра- щается в добавочную кинетическую энергию частиц (что приводит к повышению температуры воздуха в ионосфере до +500°С и более) и в энергию возбуж­дения атомов и молекул. При самопроизвольных пе­реходах возбуждённых частиц в невозбуждённое состояние энергия возбуждения излучается в виде света, характерного для каждого данного рода ча­стиц. Таким образом, воздух на больших высотах непрерывно светится. Это свечение слишком слабо, чтобы его можно было обнаружить днём, при ярком свете Солнца, но зато ночыо свечение удаётся изу­чать во многих подробностях (свечение ночного неба). По спектру свечеиия можно определять химический состав воздуха на высоте более 100 км. Таким путём и был обнаружен в ионосфере атомарный кислород (к-рого нет в нижних слоях), а кроме того было установлено отсутствие водорода в верхних слоях. Это — исключительно важное открытие, поскольку прежде предполагалось, что водород является глав­ной составной частью воздуха выше 100 км. Этот факт выдвинул одну из важных проблем современной геофизики, относящуюся к механизму перемешива­ния воздуха в стратосфере, выравнивающего состав воздуха на разных высотах.

Другой тип свечения атмосферы — это полярные сияния; они представляют собой кратковре­менные вспышки света на фоне ночного неба, воз­никающие под действием мощных вторжений в ат­мосферу корпускулярных потоков, идущих на Зем­лю от Солнца и направляемых в полярные об­ласти магнитным полем Земли. Проблема поляр­ных сияний нуждается в дальнейшей разработке; исследования в этом направлении проводятся в СССР А. И. Лебединским, Н. А. Козыревым и др. Наконец, наблюдается ещё фотолюминесценция ат­мосферы, т. е. свечение воздуха под действием пря­мых солнечных лучей, настолько яркая, что её можно наблюдать во время сумерек. Важнейший случай такого свечения был открыт в СССР в 1936 В. И. Черняевым и М. Ф. Вуксом— это свечение натрия. Оказалось, что в атмосфере на уровне 60— 80 км существует слой, содержащий пары натрия или частички хлористого натрия. На основе изу­чения сумеречной фотолюминесценции атмосферы были получены данные о высоте расположения атомного кислорода (100 км и более). В изучении лю­минесценции атмосферы советские геофизики за последние годы во многом опередили иностран­ных учёных. Важные сведения о воздушных те­чениях на больших высотах (до 80—90 км) получены с помощью измерений дрейфа метеорных следов (В. В. Федынский, II. С. Астапович, Б. 10. Левин) и серебристых облаков. Эти последние, распола­гаясь на громадной и всегда одной и той же высоте 82 км, относятся к числу интереснейших «загадок» природы. Основные данные о свойствах этих обла­ков были получены русскими учёными (В. К. Цеаский, А. А. Белопольский, С. Я. Орлов и др.). Сейчас становится всё более очевидным, что свой­ства серебристых облаков связаны с особенностями пограничного слоя между стратосферой и ионосфе­рой, и их изучение позволит лучше понять меха­низм взаимодействия этих двух частей атмосферы. В частности на этот слой приходится резко выра­женный минимум температуры воздуха.

Преломление (рефракция) световых лучей в ат­мосфере создаёт кажущееся смещение видимого поло­жения небесных тел, чем затрудняются точные астрономич. измерения (астрономич. рефракция); пре­ломление является также причиной возникновения миражей, депрессии и расширения горизонта и дру­гих явлений (земная рефракция). Преломление, отра­жение и диффракция света на дождевых каплях вызывают явление радуги; венцы около Луны и Солнца возникают вследствие диффракции на капельках тумана и облаков, размер которых в 10— 100 раз меньше, чем размер дождевых капель. Пре­ломление света в ледяных кристалликах и отра­жение от пх граней создаёт круги, или гало в 22° и 46° вокруг Солнца и Луны.

Трудность изучения и объяснения многих опти­ческих явлений в атмосфере зависит главным обра­зом от двух причин: 1) но всегда можно разделить явления (например зори, т. е. сложная окраска небосвода при восходе и заходе Солнца, зависят одновременно от поглощения, рассеяния, рефракции и диффракции; полной теории зорь нет до сих пор); 2) в большинстве случаев наблюдаются явления, вы­званные действием сразу всей толщи атмосферы или значительной её части, но в действительности в раз­личных слоях воздуха явления протекают по-раз­ному. Для изучения оптических явлений в отдельных атмосферных слоях за последние годы с успехом при­меняется оптическое зондирование атмосферы про­жекторным лучом, позволившее значительно расши­рить возможности применения методов А. о. к изу­чению физических процессов и строения атмосферы.

Лит.: Б р о у н о в П. И.. Атмосферная оптика, М.. 1924; О Со лене кий В. Н., Курс метеороло- гии, М,— Свердловск, 1944; Актинометрия. [СО. статей], под ред. II. II. Калитина, JI., 1947; Фесенков В. Г.. О строении атмосферы (фотометрический анализ сумерек), «Труды Главной астрофизической обсерватории», 1923, т. 2; е г о ж е, Об исследовании строения атмосферы на основании сумеречных явлений, «Астрономический жур­нал», 1930, т. 7, вып. 2; е г о ж е, Researches on the noc- turn sky luminosity including the zodiacal light and the Milky Way, «Труды гос. Астрономического института им. Штернберга», 1937, т. 10, вып. 1; е г о ш е, К во­просу исследования стратосферы путем фотометрического анализа сумерек, в кн.: Труды Всесоюзной конференции по изучению стратосферы, Л.—М., 1935; Ш т а у д е Н. М., Фотометрические наблюдения сумерек, как метод изуче­ния верхней стратосферы, «Труды Комиссии по изучению стратосферы», 1936, т. 1; Шулейкин В. В.. Физи­ка моря, 2 изд., М,—Л., 1941; Кучеров Н. И., Зо- ревые наблюдения, как метод зондирования нижних слоёв атмосферы, «Известия Акад. наук СССР. Серия гео­графическая и геофизическая», 1947, т. 11, Л? 6; Ш а- р о н о в В. В.. Измерение и расчет видимости далёких предметов, М,—Л., 1947; Хвостиков И. А., Теория рассеяния света и ее применение к вопросам прозрачно­сти атмосферы и туманов, «Успехи физических наук», 1940, т. 24, вып. 2; е г о ж t , Свечение ночного неба, 2 изд., М.—Л., 1948; его же. Об исследовании атмосферы с по­мощью прожекторного луча, «Известия Акад. наук СССР, Серия географическая и геофизическая», 1945, т. 9, JA 5/6; е г о же, Оптическое зондирование атмосферы прожектор­ным лучом, «Известия Акад. наук СССР. Серия физиче­ская», 1946, т. 10, 4.

Loading

Календарь

«  Сентябрь 2019  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
      1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
30

Архив записей

Друзья сайта

  • Заказать курсовую работу!
  • Выполнение любых чертежей
  • Новый фриланс 24