Название: Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы (Браже Р. А.)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1314


3.1. рефракция, поглощение и рассеяние света в атмосфере

 

Атмосфера Земли является оптически неоднородной средой. Изменение ее плотности с высотой приводит к соответствующему изменению показателя преломления света. На больших высотах значение показателя преломления меньше, чем  у поверхности Земли. В результате луч света, идущий к Земле от какой-либо звезды, преломляясь в атмосфере, изгибается таким образом, что звезда кажется выше, чем ее истинное положение (рис. 3.1 [5]). Это явление но- сит название астрономической рефракции, а угол ∆υ – угла рефракции.

 

Атмосфера

 

Земля

 

Рис. 3.1. Изгибание луча света в атмосфере

 

Благодаря атмосферной рефракции, Солнце у горизонта кажется слегка приплюснутым, а его видимое положение приподнято над истинным. Это ведет к некоторому увеличению продолжительности дня. Неоднородности темпера- туры воздуха по высоте над поверхностью разогретой земли и над морем в лет- нее время являются причиной миражей. Они возникают в пустынях и над мо- рем, т. е. над ровной  хорошо прогретой  поверхностью, где градиент показате- ля  преломления особенно велик.

Проходя через атмосферу, световые лучи поглощаются и рассеиваются на неоднородностях среды (взвешенных частицах пыли и сажи, капельках воды и пр.). Рассеяние света имеет место даже в чистом воздухе из-за флуктуаций плотности, обусловленных молекулярно-кинетической природой строения ве- щества. Такое  молекулярное рассеяние света было открыто Л. И. Мандель- штамом и М. Смолуховским в начале XX в.

Электрическое поле световой волны вызывает периодическую поляриза- цию рассеивающих частиц. Из электромагнитной теории известно, что ампли-

туда волны, излучаемой диполем, пропорциональна квадрату частоты его коле-

баний. Соответственно интенсивность рассеянного света пропорциональна час- тоте в четвертой степени или обратно пропорциональна длине волны в четвер- той степени [5]:

 

 

 

 
I ~        4  ~

1  .       (3.1)

4

 

 

Выражение (3.1) называется законом Рэлея.

Таким  образом, свет идущий к наблюдателю через атмосферу, ослаблен по двум причинам: из-за поглощения и бокового рассеяния. Его интенсивность можно вычислить по формуле [5]:

 

 

 
-(         )l

I t         I 0 e     ,           (3.2)

 

где It , I0 – соответственно интенсивности проходящего и первоначально па- дающего на слой среды толщиной l света, α – коэффициент поглощения, а κ – коэффициент экстинкции (от лат. exstinctio – гашение).

Молекулярным рассеянием света объясняется голубой цвет неба и крас- ный цвет зари. По закону Рэлея голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем оранжевые и красные. Поэтому в проходящем свете преобладают послед- ние, а Солнце у горизонта кажется более красным, чем в зените.

Интенсивность рассеянного света зависит  от угла рассеяния [5]:

 

 

 
I ~ (1

cos 2    )

(3 .3)

 

 

 

 
и графически выражается кривой, изображенной на рис. 3.2 [5].

Из (3.3) и рис. 3.2  ясно, почему небо над полюсами не столь голубое, как в южных широтах. Действительно, в высоких широтах Солнце поднимается

низко над горизонтом, и мы  видим небо, окрашенное световыми лучами, рас-

сеянными под большими углами. Их интенсивность существенно ниже, чем на умеренных, а тем более на тропических широтах.

 

Направление распространения светового луча

 

Рис. 3.2. Зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния

 

Из-за поперечного характера электромагнитных волн рассеянный свет поляризован   (рис. 3.3 [5]):  полностью при  угле рассеяния  υ = 90º и частично при υ < 90º. По этой причине в полярных широтах с помощью поляризатора можно оценить местонахождение Солнца даже тогда, когда оно находится ниже уровня горизонта (полярной ночью). Для этого достаточно, постепенно повора- чивая голову вдоль линии горизонта, рассматривать ее через поляризатор, од- новременно вращая его. Направление, в котором при вращении поляризатора возникает полное гашение проходящего света, соответствует направлению на Солнце.

 

E          Рассеиваемый пучок

 

E

 

Наблюдатель

 

Рис. 3.3. К объяснению поляризации рассеянного света

Большое влияние на оптические свойства атмосферного воздуха оказы- вают капельки воды и кристаллики льда. Когда Солнце освещает завесу дождя, на противоположной от него стороне неба в отраженных лучах наблюдается дифракция света на капельках воды. Хотя они расположены в целом хаотиче- ски, все же расстояния между ними не сильно различаются между собой. По- этому возникает нечто похожее на пространственную дифракционную решетку, и мы можем наблюдать радугу – часть дифракционного круга ограниченного Землей. Внешний край радуги окрашен в красный цвет, а внутренний в фиоле- товый, что соответствует меньшим углом дифракции для более коротких волн. Похожая ситуация имеет  место, когда в морозном воздухе скапливается много мелких кристалликов льда. Тогда вокруг Солнца возникает гало (от греч. hálōs

– круг) – круги, кольца, столбы или пятна. Гало не столь красочно, как радуга, и наблюдается реже.