Атмосферная оптика

Северная Дакота. Ложные солнца

Это один из видов гало, выглядит как «ложное Солнце» на уровне Солнца. Возникает в результате преломления света Солнца в кристалликах 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[6].

Различные виды миражей за 6 минут. Вторая вставка показывает зелёную вспышку

Мираж — оптическое явление в атмосфере, при 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, состоящая из нескольких форм миражей, когда 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[7][8].

Фата-моргана в море

Фата-моргана является очень сложной формой миража, которая видна в узкой полосе прямо над горизонтом. Название произошло от Феи Морганы, одной из действующих лиц цикла легенд о короле Артуре. По легенде, этот мираж создаёт колдунья. Он демонстрирует сказочные замки в воздухе или несуществующие земли, предназначенные для того, чтобы заманить моряков на смерть.

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

Мираж выглядит как перевёрнутый объект. Это оптическое явление происходит из-за того, что лучи света сильно изгибаются, когда проходят через слои воздуха с быстро меняющейся по высоте температурой в температурной инверсии, которые формируют атмосферный волновод. В безветренную погоду слой значительно более тёплого воздуха, лежащий над слоем холодного плотного воздуха (температурная инверсия), образует атмосферный канал, который действует как преломляющая линза и создаёт перевёрнутое изображение[9].

Эффект Новой Земли является полярным миражом и обусловлен высоким преломлением солнечного света и разницей температуры. Эффект состоит в том, что солнце восходит раньше своего реального времени. В зависимости от метеорологической обстановки солнце представляется в виде линии или квадрата. Первым человеком, описавшим это явление, был Геррит де Веер, участник экспедиции на Новую Землю. По названию места экспедиции было дано название феномену[10] .

Сумеречные лучи.
Плато Намибии

Сумеречные лучи — 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[11].

Схема смещения изображения Солнца на восходе и закате

Это преломление в атмосфере световых лучей от небесных светил, которое происходит таким образом, что фактическое положение светила находится ниже, чем 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.

Другой цвет светила можно наблюдать, когда свет рассеивается на крупных частицах, взвешенных в атмосфере: пыль, дым или капельки воды. Это связано с тем, что здесь, в отличие от случая, когда свет проходит сквозь чистый воздух, длинные волны (красные, оранжевые, жёлтые) в свете от Солнца или Луны сильнее рассеиваются, чем короткие (синие, голубые, зелёные).

Примеры:

1. Солнце можно наблюдать зелёным во время песчаных или пыльных бурь или после них. Другими словами, в атмосфере должно находиться много мелких частиц. При этом солнце может принимать желтоватую или даже красноватую окраску.
2. Если посмотреть на Солнце днём через клубы пара с мелкими капельками (то есть в первые его моменты), то можно наблюдать голубое Солнце[12].
3. Голубая окраска Луны или Солнца возникает 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.
• 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.

Высоко-кучевые и перисто-кучевые 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 расположены близко друг к другу; солнечный свет, рассеиваясь на них, не может проникнуть далеко в облако и быстро выходит наружу, придавая 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 к наблюдателю света[13].

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[14].

Голубовато-серый цвет облака является результатом рассеяния света в облаке. В видимой области спектра коротковолновые (синие и зелёные) лучи света легче рассеиваются каплями воды, а длинноволновые (красные и оранжевые) лучи поглощаются. Синеватый цвет говорит о скором дожде[15].

Зеленоватый оттенок в облаке присутствует, когда солнечный свет рассеивается на льдинках. Если кучево-дождевые облака окрашиваются в зелёный цвет, то это признак того, что будет сильная гроза, сильный дождь, град, сильный ветер и возможно торнадо[16] .

Желтоватый цвет облаков обычно наблюдается летом, 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[17].

Красные, оранжевые и розовые облака возникают на восходе и закате и являются результатом рассеяния солнечного света в атмосфере, когда высота Солнца менее 10 градусов. Облака отражают длинноволновые нерассеянные лучи солнечного света, которые являются преобладающими в эти часы[16].

Облака могут иризировать: зелёным, пурпурно-красным, синим и т. д. Такие иризирующие облака появляются во все времена года, но особенно часто осенью. Их можно наблюдать около Солнца. Кучевые, кучево-дождевые и слоисто-кучевые облака показывают иризацию лишь на краях. Сверкающие, белые, перисто-кучевые и высотно-кучевые облака, особенно имеющие линзообразную форму, которые быстро возникают до или после бури, проявляют самые красивые иризации. Цвета располагаются лентами, полосами и «глазками». Радужность видна и тогда, когда облако быстро меняет форму незадолго до или тотчас после бури[18].

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[19].

Сравнительные размеры Луны и облака, по мере их продвижения выше

В IV в. до н. э. Аристотель в своей «Метеорологике» писал об иллюзии увеличения размеров Солнца, Луны, созвездий и других объектов на небосводе, находящихся близко к горизонту (примерная разница в размерах достигает 3—4 раза). Во II веке Птоломей объяснил иллюзию тем, что в расстоянии от человека до Луны нет последовательности промежуточных объектов, поэтому Луна кажется больше на горизонте. В XI веке арабский ученый Альгазен в «Book of Optics» писал, что это происходит в голове у человека и является субъективным явлением. В XIII веке Роджер Бэкон, Витело и Джон Пекхам (John Peckham), основываясь на Альгазене, объясняли иллюзию психофизиологическим особенностями нашего зрения, подтверждая тем самым теорию Альгазена и отвергая теорию Птоломея. В наши дни это явление объясняется сплюснутостью неба. Всё, что видит человек в небе, он проецирует на него. Небо от нас далеко в направлении на горизонт и значительно более близко в направлении на зенит. Поэтому линейные размеры при проектировании на зенит кажутся маленькими, а при проектировании на горизонт — большими[12]. Тем не менее, в книге Хелена Росса (2002) «Тайна иллюзии луны» говорится: «Нет единой теории и никто в ней не вышел победителем»[21].

Гало. Человек и нимб вокруг него

Глория

Двойная радуга

В XVI веке 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 XVIII века И. Ньютон объяснял цвет неба интерференционным отражением солнечного света от мельчайших капель воды, всегда взвешенных в воздухе. Вопрос синего неба настолько волновал учёных, что они проводили эксперименты по рассеянию света в жидкостях и газах. Об этом говорят названия их работ: «О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще» Д. Тиндаля, «Моделирование голубого цвета неба» и т. п.[12] Физики Рэлей, Л. И. Мандельштам и др. объяснили это тем, что синие лучи рассеиваются флуктуациями плотностью воздуха (случайно расположенными сгущениями и разрежениями) 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. В 1908 и 1910 году теория рассеяния света на флуктуациях воздуха была развита М. Смолуховским и А. Эйнштейном[1].

В 1818 году был обнаружен эффект Пуркинье. Этот эффект связан с изменением освещённости объектов. Например, когда смотрим в ясный солнечный день на два цветка: красный мак и синий василёк, то видим, что оба цветка имеют яркие цвета, мак видится даже более ярким. Ночью всё выглядит иначе. Мак видится чёрным, а василек светло-серым. Объясняется это кривой видимостью сумеречного зрения, красный цвет лежит за пределами этой кривой. Красные лучи не производят за этой кривой световое раздражение сетчатки, поэтому мак и выглядит чёрным. А василёк стал светло-серым от того, что палочковый аппарат в сетчатке глаза (который работает в сумерках) бесцветен (ахроматичен)[12].

Необходимо учитывать поляризацию света при расчётах рассеивания света, так как рассеяние света сильно зависит от его поляризации. Для описания состояния поляризации светового пучка использовали параметры Дж. Г. Стокса, установленные им в 1852 году, которые обладают свойством аддитивности для некогерентных (не интерферирующих) пучков. В 1946 году Г. В. Розенберг ввёл эти параметры в задачи атмосферной оптики. Задача о многократном рассеянии света без правильного учёта его поляризации является неправильно поставленной задачей или некорректной. Впервые все компоненты матрицы рассеяния как для приземного воздуха, так и для слабых туманов были измерены Розенбергом с сотрудниками[22].

В 1890 году было предложено уравнение, на котором основан метод расчёта распределения яркости и поляризации по небу с учётом многократности рассеяния света и отражения от земной поверхности. Оно получило название «уравнение переноса». Впервые его предложил российский физик О. Д. Хвольсон. Влияние многократного рассеяния не очень значимо для безоблачного неба. Однако для облаков у которых сильно мутные среды это многократное рассеяние является основным фактором. Без этого фактора нельзя правильно рассчитать отражение, прозрачность облаков и световой режим внутри них.

Е. С. Кузнецов (1943—1945) отказался от попытки получить аналитическое решение уравнения, так как необходимо учитывать большое количество факторов при расчётах видимости. Он решал задачу методом последовательных приближений в численной форме и изучил сходимость последовательных приближений. Также рассчитал совместно с Б. В. Овчинским (1949) подробные таблицы яркости атмосферы для различных оптических толщин, величин альбедо и разной высоты Солнца[22]. Обширное исследование как разнообразных факторов, влияющих на наклонную дальность видимости, так и теоретических основ её расчета было проведено В. А. Краттом в 1946 году. По этой теме работали: советские учёные В. А. Амбарцумян (1941—1943, он получил уравнения для непосредственного определения коэффициентов яркости отраженного пучка), В. В. Соболев (1956, разработал метод расчета свечения мутных сред при произвольном расположении источников излучения); индийский учёный С. Чандрасекар (1950) и другие[1].

Исследованиями яркости и поляризации неба занимались такие советские учёные как В. Г. Фесенков, И. И. Тихановский, Е. В. Пясковская-Фесенкова (основной её вывод заключается в том, что если исключить случаи высокой мутности, то большую часть наблюдений над яркостью неба можно интерпретировать при учете только рассеяния прямого солнечного света. Это связано с прозрачностью атмосферы для видимой радиации), Г. Д. Стамов[22] и их учениками, а в исследование прозрачности облаков, нижних слоев атмосферы, туманов: А. А. Лебедев, И. А. Хвостиков, С. Ф. Родионов; американские учёные Д. Стреттон и Г. Хаутон; французские учёные: Э. и А. Васей, Ж. Брикар[1].

При рассеивании света необходимо учитывать запылённость реальной атмосферы аэрозолем (природного вида: капельки воды и водных растворов и т. п.; антропогенного вида: частицы органической и минеральной пыли, частицы сажи и др.). Теорию рассеяния и поглощения света частицами аэрозоля разработал Г. Ми (1908). В этой теории описаны характеристики поглощения и рассеяния света частицами любых размеров и показателей преломления. Установлено, что ослабление падающих лучей происходит от молекулярного и аэрозольного рассеяния. Пучок рассеиваемого аэрозолем света описывают четырьмя характеристиками: степенью эллиптической поляризации, интенсивностью, степенью поляризации и угловым положением плоскости максимальной поляризации. Это описывается аддитивными параметрами Стокса, которые получили название: матрица четвёртого ранга из параметров Стокса или матрица рассеяния света[2].

Из-за производственной деятельности человека, лесных пожаров, извержений вулканов, биологических процессов и т. п. происходит образование аэрозолей. В образовании аэрозолей занимают видное место следующие газы: SO₂, H₂S, NH₂. Содержание аэрозольных частиц в стратосфере увеличивается тогда, когда проходят мощные вулканические извержения, что приводит к изменению оптических характеристик стратосферы, которые сохраняются в ней в течение одного-двух лет после извержения[20].

Теория рассеяния и поглощения света частицами аэрозоля была дополнена и развита советскими учёными В. В. Шулейкиным (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифриным (рассматривал прозрачность дождей для видимой радиации, 1951)[22] и голландским учёным ван Хюлстом (1957). Было установлено, что характер рассеяния зависит от отношения радиуса частицы к длине волны и от вещества частицы. Молекулы в теории Рэлея ведут себя так же, как и малые частицы. Однако всё меняется при увеличении размера частицы, что приводит к ослаблению зависимости рассеяния от длины волны. Большие частицы рассеивают свет нейтрально. Это объясняет белый цвет облаков, так как радиусы капли облаков в 10—20 раз больше длины волны видимого света. Так же объясняется белесоватый цвет неба, так как воздух пыльный или содержит капельки воды[1].

В 1936 году было обнаружено, что облака на Эльбрусе имеют различные спектральные зависимости. Поэтому высказали гипотезу, что в облаках присутствует, помимо обычных капель (радиусом 5—10 мк), большое число субмикроскопических частиц (радиусом 0,1 мк, то есть аэрозолей). По этой теме работали А. А. Лебедев, В. И. Черняев (1936), Е. И. Бочаров (1955), В. Е. Зуев (1966) и другие сотрудники[22].

В 1953 году изучали прозрачность дождей для видимой радиации Е. А. Поляков и К. С. Шифрин (1953)[22].

В 1960 году изучал прозрачность снегопадов И. Л. Зельманович[22].

Постоянно делались попытки установить прямые связи между световыми явлениями неба и изменениями погоды. В 1924 году была опубликована монография П. И. Броунова, главная идея которой: зародить начало изучения признаков погоды по световым явлениям атмосферы. В книге систематизированы наблюдения Г. А. Тихова, Г. И. Вильда, Б. И. Срезневского и других авторов. В книге установлен ряд эмпирических закономерностей[22]. Это направление, однако, в дальнейшем не получило большого развития. Тем не менее, изучая физику оптических явлений и изучая явления, вызывающие изменения погоды, можно попытаться найти связь между погодой и оптическими явлениями[1].

По этому направлению работали И. И. Тихановский (1927, разработал измеритель видимости), В. В. Шаронов (1934, разработал дымкомер) Е. С. Кузнецов (1943), Б. В. Овчинский (1943), О. Д. Бартенева, Н. Г. Болдырев и другие. Были созданы приборы по измерению видимости такие как ДМ-7 (1948), ИВ-ГГО (1953), нефелометры КОЛ-8 и КОЛ-10, регистратор прозрачности М-37 (1960, применяется для аэропортов), специальный поляризационный измеритель видимости М-53 (1963) и другие[22].

При помощи переноса теплового излучения происходит теплопередача в атмосфере. Это излучение находится в диапазоне 3…50 мкм, и его не учитывают, так как для длинных волн эффект рассеяния в «чистой» атмосфере не существенен. Тем не менее расчет переноса тепловых волн оказывается трудным, так как есть участки спектра, в которых нет сильных полос поглощения или излучения газов атмосферы: это спектр поглощающих газов (H₂O, CO₂, O₃), и он очень сложен. Дело затрудняется тем, что этот спектр изменяется с температурой и давлением и, следовательно, весьма изменчив в реальной атмосфере. Впервые эту проблему проанализировал А. В. Либединский (1939)[22]. Также был разработан метод определения в атмосфере содержания Н₂О[22]. По теме переноса теплового излучения занимались советские учёные В. Г. Кастров, Б. С. Непорент (разработал метод определения в атмосфере содержания H₂O[22], Е. М. Фейгельсон и американские — Д. Хоуард и Р. Гуд[1].

К. Я. Кондратьев выполнил подробные расчеты по этой теме (1949, 1950, 1956, 1966). В монографии, вышедшей в 1956 году, он рассмотрел вопросы радиационного теплообмена в атмосфере: данные о спектре поглощающих газов, методы измерения потоков радиации, приближенные методы расчетов, результаты расчетов и измерений радиационных потоков в атмосфере. В его трудах — монографии о лучистой энергии Солнца (1954) и книге о лучистом теплообмене (1956) — показан обзор исследований в области актинометрии и атмосферной оптики[22].

В 1962 и 1964 годах К. Я. Кондратьев, К. Е. Якушевский, М. С. Малкевич и Л. Н. Копров произвели расчёты распределения энергии по спектру и угловой структуре излучения Земли. По этим расчётам проводят оценку точности ориентировки искусственного спутника Земли по полю теплового излучения, а также определяют по измерениям яркости со стороны искусственного спутника Земли точность потоков излучений[22].

По этой теме измеряли потоки теплового излучения на разных уровнях в том числе проводили наблюдения над потоками в Антарктике. Был разработан актинометрический радиозонд для получения систематических сведений о радиационных потоках[22].