Рефракция света в земной атмосфере доклад
Обновлено: 17.05.2024
1. Оптические явления в атмосфере были первыми оптическими эффектами, которые наблюдались человеком. С осмысления природы этих явлений и природы зрения человека начиналось становление проблемы света.
Общее число оптических явлений в атмосфере очень велико. Здесь будут рассмотрены лишь наиболее известные явления – миражи, радуга, гало, венцы, мерцания звёзд, голубой цвет неба и алый цвет зари. Образование этих эффектов связано с такими свойствами света как преломление на границах раздела сред, интерференция и дифракция.
2. Атмосферная рефракция – это искривление световых лучей при прохождении через атмосферу планеты. В зависимости от источников лучей различают астрономическую и земную рефракцию. В первом случае лучи идут от небесных тел (звёзд, планет), во втором случае – от земных объектов. В результате атмосферной рефракции наблюдатель видит объект не там, где он находится, или не той формы, какую он имеет.
3. Астрономическая рефракция была известна уже во времена Птолемея (2 в. н.э.). В 1604 г. И. Кеплер предположил, что земная атмосфера имеет независимую от высоты плотность и определённую толщину h (рис.199). Луч 1, идущий от звёзды S прямо к наблюдателю A по прямой, не попадёт в его глаз. Преломившись на границе вакуума и атмосферы, он попадёт в точку В.
В глаз наблюдателя попадёт луч 2, который при отсутствии преломления в атмосфере должен был бы пройти мимо. В результате преломления (рефракции) наблюдатель будет видеть звезду не в направлении S, а на продолжении преломлённого в атмосфере луча, то есть в направлении S1.
В действительности плотность атмосферы Земли уменьшается с высотой. Поэтому нижние слои воздуха оптически плотнее, чем верхние. Лучи света, идущие наклонно к Земле, преломляются не в одной точке границы вакуума и атмосферы, как в схеме Кеплера, а искривляются постепенно на всём протяжении пути. Это подобно тому, как проходит луч света через стопу прозрачных пластинок, показатель преломления которых тем больше, чем ниже расположена пластинка. Однако суммарный эффект рефракции проявляется так же, как и в схеме Кеплера. Отметим два явления, обусловленные астрономической рефракцией.
а. Видимые положения небесных объектов смещаются к зениту на угол рефракции γ. Чем ниже к горизонту находится звезда, тем заметнее приподнимается её видимое положение на небосклоне по сравнению с истинным (рис.200). Поэтому картина звёздного неба, наблюдаемая с Земли, несколько деформирована к центру. Не смещается только точка S, находящаяся в зените. Благодаря атмосферной рефракции могут наблюдаться звёзды, находящиеся несколько ниже линии геометрического горизонта.
Значения угла рефракции γ быстро убывают с ростом угла β высоты светила над горизонтом. При β = 0 γ = 35'. Это максимальный угол рефракции. При β = 5º γ = 10', при β = 15º γ = 3', при β = 30º γ = 1'. Для светил, высота которых β > 30º, рефракционное смещение γ 2 .
В таблице 25.1 приведены значения углов φ, коэффициента ρ и отношения интенсивности I3çI0, вычисленные при разных расстояниях уçR входа луча для жёлтой линии натрия λ = 589,3 нм. Как видно из таблицы, при у ≤ 0,8R в луч I3 попадает меньше 4 % энергии от падающего на каплю луча. И лишь начиная с у = 0,8R и более вплоть до у = R интенсивность вышедшего луча I3 увеличивается в несколько раз.
Таблица 25.1
Итак, лучи, выходящие из капли под предельным углом φ, имеют значительно большую по сравнению с другими лучами интенсивность по двум причинам. Во-первых, за счёт сильного углового сжатия пучка лучей в тонкой стенке конуса, а во-вторых, за счёт меньших потерь в капле. Лишь интенсивность этих лучей достаточна для того, чтобы вызвать в глазу ощущение блеска капли.
8. Образование главной радуги. При падении на каплю света вследствие дисперсии луч расщепляется. В результате стенка конуса яркого отражения расслаивается по цветам (рис.208). Фиолетовые лучи (l = 396,8 нм) выходят под углом j = 40°36', красные (l = 656,3 нм) – под углом j = 42°22'. В этом угловом интервале Dφ = 1°46' заключён весь спектр выходящих из капли лучей. Фиолетовые лучи образуют внутренний конус, красные – внешний. Если освещённые солнцем дождевые капли видит наблюдатель, то те из них, лучи конуса которых попадают в глаз, видятся наиболее яркими. В итоге все капли, находящиеся по отношению к солнечно-му лучу, проходящему через глаз наблюдателя, под углом красного конуса, видятся красными, под углом зелёного -зелёными (рис.209).
9. Образование вторичной радуги происходит благодаря лучам, выходящим из капли после второго отражения (рис.210). Интенсивность лучей после второго отражения примерно на порядок меньше по сравнению с лучами после первого отражения и имеет примерно такой же ход с изменением уçR.
Лучи, выходящие из капли после второго отражения образуют конус с углом при вершине ≈ 51º. Если у первичного конуса гладкая сторона снаружи, то у вторичного изнутри. Между этими конусами практически нет лучей. Чем крупнее капли дождя, тем ярче радуга. С уменьшением размеров капель радуга бледнеет. При переходе дождя в морось с R ≈ 20 – 30 мкм радуга вырождается в белесоватую дугу с практически неразличимыми цветами.
10. Гало (от греч. halōs - кольцо) – оптическое явление, представляющее собой обычно радужные круги вокруг диска Солнца или Луны с угловым радиусом 22º и 46º. Эти круги образуются в результате преломления света находящимися в перистых облаках ледяными кристаллами, имеющими форму шестигранных правильных призм.
Снежинки, падающие на землю, очень разнообразны по форме. Однако кристаллики, образующиеся в результате конденсации паров в верхних слоях атмосферы, имеют, в основном, форму шестигранных призм. Из всех возможных вариантов прохождения луча через шестигранную призму наиболее важны три (рис.211).
В случае (а) луч проходит через противоположные парал-лельные грани призмы, не расщепляясь и не отклоняясь.
В случае (б) луч проходит через грани призмы, образующие между собой угол 60º, и преломляется как в спектральной призме. Интенсивность луча, выходящего под углом наименьшего отклонения 22º, максимальна. В третьем случае (в) луч проходит через боковую грань и основание призмы. Преломляющий угол 90º, угол наименьшего отклонения 46º. В обоих последних случаях белые лучи расщепляются, голубые лучи отклоняются больше, красные – меньше. Случаи (б) и (в) обуславливают появление колец, наблюдающихся в проходящих лучах и имеющих угловые размеры 22º и 46º (рис.212).
Обычно наружное кольцо (46º) ярче внутреннего и оба они имеют красноватый оттенок. Это объясняется не только интенсивным рассеиванием голубых лучей в облаке, но и тем, что дисперсия голубых лучей в призме больше, чем красных. Поэтому голубые лучи выходят из кристаллов сильно расходящимся пучком, из-за чего их интенсивность уменьшается. А красные лучи выходят узким пучком, имеющим значительно большую интенсивность. При благоприятных условиях, когда удаётся различать цвета, внутренняя часть колец красная, внешняя – голубая.
10. Венцы – светлые туманные кольца вокруг диска светила. Их угловой радиус много меньше радиуса гало и не превышает 5º. Венцы возникают вследствие дифракционного рассеяния лучей на образующих облако или туман водяных каплях.
Если радиус капли R, то первый дифракционный минимум в параллельных лучах наблюдается под углом j = 0,61∙lçR (см. формулу 15.3). Здесь l - длина волны света. Дифракционные картины отдельных капель в параллельных лучах совпадают, в результате интенсивность светлых колец усиливается.
По диаметру венцов можно определять размер капель в облаке. Чем крупнее капли (больше R), тем меньше угловой размер кольца. Самые большие кольца наблюдаются от самых мелких капель. На расстояниях несколько километров дифракционные кольца ещё заметны, когда размер капель не менее 5 мкм. В этом случае jmax = 0,61lçR ≈ 5 ¸ 6°.
Окраска светлых колец венцов проявляется очень слабо. Когда она заметна, то наружный край колец имеет красноватый цвет. То есть распределение цветов в венцах обратно распределению цветов в кольцах гало. Помимо угловых размеров это также позволяет различать венцы и гало между собой. Если в атмосфере присутствуют капли широкого спектра размеров, то кольца венцов, налагаясь друг на друга, образуют общее светлое сияние вокруг диска светила. Это сияние называют ореолом.
11. Голубой цвет неба и алый цвет зари. Когда Солнце находится выше горизонта, безоблачное небо видится голубым. Дело в том, что из лучей солнечного спектра в соответствии с законом Рэлея Iрасс ~ 1/l 4 наиболее интенсивно рассеиваются короткие синие, голубые и фиолетовые лучи.
Если Солнце находится низко над горизонтом, то его диск воспринимается багрово-красным по этой же причине. Благодаря интенсивному рассеянию коротковолнового света до наблюдателя доходят, в основном, слабо рассеивающиеся красные лучи. Рассеяние лучей от восходящего или заходящего Солнца особенно велико ещё потому, что лучи проходят большое расстояние вблизи поверхности Земли, где концентрация рассеивающих частиц особенно велика.
Утренняя или вечерняя заря – окрашивание близкой к Солнцу части неба в розовый цвет – объясняется дифракционным рассеянием света на кристалликах льда в верхних слоях атмосферы и геометрическим отражением света от кристаллов.
12. Мерцание звёзд – это быстрые изменения блеска и цвета звёзд, особенно заметные вблизи горизонта. Мерцание звёзд обусловлено преломлением лучей в быстро пробегающих струях воздуха, которые из-за разной плотности имеют разный показатель преломления. В результате слой атмосферы, через который проходит луч, ведёт себя как линза с переменным фокусным расстоянием. Она может быть как собирающей, так и рассеивающей. В первом случае свет концентрируется, блеск звезды усиливается, во втором – свет рассеивается. Такая перемена знака регистрируется до сотни раз в секунду.
Вследствие дисперсии луч разлагается на лучи разных цветов, которые идут по разным путям и могут расходиться тем больше, чем ниже звезда к горизонту. Расстояние между фиолетовыми и красными лучами от одной звезды может достигать у поверхности Земли 10 метров. В результате наблюдатель видит непрерывное изменение блеска и цвета звезды.
Атмосферная рефракция - явление отклонения световых лучей в атмосфере Земли . Если свет, достигающий земного наблюдателя из-за пределов атмосферы (от других небесных тел), отклоняется , это явление называется астрономическим преломлением . Это вызывает явное смещение наблюдаемого положения астрономических объектов на небе. Если свет от других объектов на Земле отклоняется, это называется преломлением Земли . Это важно в геодезии и навигации . Рефракция Земли также ответственна за образование миражей .
Атмосфера Земли - неоднородная среда. Показатель преломления воздуха зависит от его плотности (согласно формуле Лоренца-Лоренца ), а также, в некоторой степени, от влажности . Плотность воздуха зависит от давления и температуры , которые, в свою очередь, зависят от высоты. Так, показатель преломления в атмосфере изменяется с высотой от 1 в космическом пространстве до примерно 1 000293 у поверхности Земли (при 0 ° C и нормальном давлении) [1] .
Луч света, падающий на такую неоднородную среду под определенным углом к направлению изменения показателя преломления, преломляется и движется по кривой в среде. Хорошее приближение к гетерогенной среде - это среда, состоящая из тонких однородных слоев, каждый из которых имеет свой постоянный показатель преломления. Радиус преломляется на границе последовательных слоев согласно закону Снеллиуса , поэтому луч проходит по ломаной линии, меняя свое направление на границе каждого слоя [2] (рисунок). На пределе бесконечно малой толщины слоев ломаный переходит в плавную кривую.
Эффект такого движения света - изменение направления - луч, покидающий среду, обычно движется под другим углом, чем луч, входящий в нее. Величина этого отклонения зависит от изменчивости показателя преломления, а также от угла, под которым луч входит в среду. Нет отклонения для лучей, падающих параллельно градиенту показателя преломления.
Хотя преломление чаще всего относится к видимому свету, оно также в той или иной степени влияет на другие типы электромагнитного излучения, проходящего через атмосферу Земли.
Изменение зенитного расстояния небесных тел
Атмосферная рефракция, по-видимому, изменяет положение объектов на небе, смещая их в сторону зенита, то есть уменьшая зенитное расстояние. Этот эффект исчезает для объектов в зените и усиливается с увеличением зенитного расстояния. На расстоянии 45 ° от зенита смещение составляет примерно 1 угловую минуту, 3,5 минуты при 75 °, а у горизонта он очень быстро растет, достигая примерно 35 угловых минут на горизонте (для температуры 0 ° C). и давление 760 мм рт. Приведенные выше значения поправок положения сильно зависят от местных условий в месте наблюдения (в основном, от температуры и давления воздуха). Повышение температуры на 10 ° C снижает поправку примерно на 3%, увеличение давления на 10 мм рт. Ст. Увеличивает ее примерно на 2% [3] . Таким образом, фактическая поправка на рефракцию на горизонте находится в диапазоне 30–40 угловых минут.
Чтобы свести к минимуму влияние этого эффекта на определение положений небесных тел, астрономы пытаются спланировать наблюдения так, чтобы наблюдаемый объект находился вблизи зенита, и добавляют поправку рефракции к обозначенным положениям. Для зенитных расстояний ниже 45 ° поправку на рефракцию можно рассчитать по формуле [2] :
Δ с участием знак равно А ТАКЖЕ тг с участием z>
Зенитальная рефракция
Утверждение, что преломление исчезает для световых лучей, движущихся вертикально, верно для идеальной атмосферы, плотность которой зависит только от высоты (нет горизонтальных градиентов плотности). На самом деле это предположение обычно не выполняется. Слои с постоянной плотностью могут иметь небольшой наклон от горизонтали, а также небольшой сдвиг преломления для объектов в зените. Этот эффект называется зенитной или аномальной рефракцией. Это отклонение небольшое; в обычных условиях это несколько сотых угловых секунд . В особых ситуациях, например в горных районах, оно может быть больше и превышать 0,1 секунды [5] .
Изменение времени восхода и захода солнца
В астрономии моментом восхода или заката небесного тела считается момент, когда зенитное расстояние этого тела составляет 90 °, то есть его центр находится на геометрическом горизонте места наблюдения, при условии, что наблюдатель находится на Нижний этаж. Поскольку преломление изменяет зенитное расстояние небесных тел, оно также влияет на время восхода и захода солнца. На самом деле объект, наблюдаемый на горизонте, находится на несколько десятков угловых минут ниже него. Таким образом, преломление заставляет объекты подниматься раньше и садиться позже, чем в отсутствие атмосферы.
Величина этого изменения зависит от склонения наблюдаемого объекта, широты места наблюдения и состояния атмосферы. Например, для широты Варшавы в самый длинный день года рефракция ускоряет восход солнца в среднем на 7 минут и задерживает закат на такую же величину, таким образом удлиняя день почти на четверть часа [2] . Особенно большой эффект наблюдается на полюсах , где рефракция ускоряет восход солнца на два дня и задерживает закат на такую же величину (начало полярной ночи). Такое явление можно наблюдать, например, в Мурманске, где в первый и второй дни (т.е. 11 и 12 января) солнце видно после полярной ночи, даже если оно находится за горизонтом даже в зените.
Астрономические календари и компьютерные программы, рассчитывающие время восхода и захода Луны и Луны, всегда принимают во внимание среднюю рефракцию в рассчитанное время. Однако из-за описанных выше изменений рефракции в связи с состоянием атмосферы фактическое время восхода и захода солнца может отличаться от рассчитанного. Для не очень высоких широт эти различия не превышают нескольких минут. Поскольку параметры атмосферы непредсказуемы более чем на несколько дней вперед, календари никогда не показывают время восхода и захода солнца с точностью более одной минуты.
Искажение дисков Солнца и Луны у горизонта
Как и в случае с другими явлениями преломления, горизонтальные и вертикальные градиенты температуры в атмосфере могут значительно изменить ход явления, придавая целям более сложные формы или создавая их дополнительные изображения. Примером такого редкого и более сложного явления преломления является зеленый луч, который иногда можно увидеть на закате.
Вибрации атмосферы и видение
Изменчивость негативного изображения звезды ε Aur в телескопе, вызванная колебаниями атмосферы. Фильм замедляется, на самом деле тряска быстрее
Эффект вибрации - это непрерывное движение изображения объекта в телескопе, вызывающее размытие изображения и потерю деталей. Неоднородность, в свою очередь, означает, что при большом увеличении изображение точечного источника не является точечным или однородным пятном, а имеет сложную структуру, видимую на фотографиях, сделанных с короткой выдержкой (изображение напротив). Эта структура быстро меняется. Даже для телескопов с апертурой в несколько десятков сантиметров эти эффекты ограничивают разрешающую способность инструмента больше, чем дифракция света на его линзе. Эти эффекты представляют собой наиболее серьезное ограничение разрешения для астрономических наблюдений с поверхности Земли.
Для уменьшения влияния атмосферных колебаний на астрономические наблюдения и повышения разрешения используются различные методы. Выбор места наблюдения важен - большие телескопы обычно устанавливают на возвышенностях и отличаются спокойной атмосферой. Влияние атмосферных колебаний минимально вблизи зенита (потому что тогда свет имеет кратчайший путь для распространения в атмосфере), поэтому точные наблюдения проводятся для объектов, расположенных как можно ближе к зениту. Кроме того, разрешение изображений ярких объектов, полученных с помощью классических телескопов, можно улучшить с помощью таких методов, как спекл-интерферометрия .
В больших современных телескопах используются передовые технические решения: активная оптика или адаптивная оптика , чтобы исключить влияние атмосферных колебаний на изображение наблюдаемого объекта. В этих решениях неоднородности и колебания атмосферы корректируются соответствующим быстрым изменением формы специального зеркала, входящего в оптическую систему телескопа [6] .
Рефракция Земли - это влияние атмосферной рефракции на наблюдение объектов на Земле на определенном расстоянии от наблюдателя. Луч света, излучаемый объектом на поверхности Земли, не движется по прямой линии, а изгибается в атмосфере. По тем же причинам, по которым астрономическая рефракция максимальна для объектов, расположенных близко к горизонту, эффект преломления Земли сильнее всего для лучей, направленных параллельно поверхности Земли. Это явление важно прежде всего в геодезии , где производятся точные измерения углов, под которыми видны далекие объекты. Отклонение световых лучей в атмосфере вызывает небольшие изменения этих углов, влияя на результаты измерений.
Как и в случае астрономической рефракции, величина отклонения зависит от состояния атмосферы: давления, температуры и влажности. Приближение, часто используемое в геодезии, - это предположение, что кривизна пути светового луча постоянна (т.е. что свет следует по дуге окружности ), и описывает его одним числом, называемым показателем преломления . Она определяется как отношение из радиуса Земли кривизны к радиусу кривизны пути света:
Предположение о постоянной кривизне не выполняется, если луч света проходит под большим углом к поверхности Земли, например, при определении высоты горных вершин с использованием метода тригонометрического нивелирования . Изменчивость давления и температуры воздуха с высотой приводит к тому, что градиент показателя преломления на пути света непостоянен, так что дорожка не является дугой окружности. Уравнение траектории луча может быть решено, предполагая конкретную зависимость давления и температуры от высоты, и, таким образом, получить поправку на рефракцию [8] .
Также в случае точного геометрического нивелирования с использованием горизонтально бегущих лучей света предположение о постоянной кривизне может оказаться недостаточным из-за локальных неоднородностей атмосферы. Они приводят к тому, что луч, проецируемый параллельно поверхности Земли, проходит не по дуге окружности, а по более сложной кривой. В таких ситуациях используются обширные математические модели, позволяющие на основе таких параметров, как температура и давление атмосферы, инсоляция, влажность и местность, воссоздать распределение температуры воздуха и атмосферные движения на месте наблюдения, и на этой основе для точного расчета отклонения световых лучей, то есть поправки на рефракцию [9] .
Явление рефракции Земли приводит к тому, что видимый горизонт ( горизонт ) в море в среднем на 8% дальше, чем геометрический горизонт, рассчитанный с допущением о прямолинейном распространении света [10] .
Миражи
Приведенные выше значения рефракции Земли относятся к типичным условиям, в которых вертикальные изменения плотности воздуха возникают в основном из-за изменений давления с высотой. Большой вертикальный градиент температуры может значительно изменить величину преломления. Если температура воздуха у поверхности Земли намного выше, чем в верхних слоях, можно изменить направление отклонения от Земли. В такой ситуации мы наблюдаем явление нижнего миража - кажущееся отражение света от поверхности Земли (явление, часто видимое над поверхностью асфальта, нагретой солнцем). И наоборот, когда температура воздуха у поверхности Земли намного ниже, чем в более высоких слоях, прогиб может быть больше, чем кривизна земной коры. Затем происходит явление верхнего миража - над ним становятся видны объекты, расположенные за горизонтом.
Рефракция - это преломление светового луча в атмосфере, обусловленное неодинаковым распределением плотности воздуха. Известно, что плотность атмосферы уменьшается с высотой.
Поэтому световые лучи, идущие к земле от солнца и других небесных светил,
переходя в нижние слои атмосферы, отклоняются от первоначального направления в сторону более плотных слоев воздуха. В результате траектория движения луча принимает форму кривой линии, обращенной выпуклостью вверх от земной поверхности (рис. 16). Глаз человека видит предмет по тому направлению, по которому луч входит в глаз.
Поэтому при нормальной рефракции источник света представляется наблюдателю лежащим выше своего действительного положения. Угол рефракции зависит от высоты светила: чем высота меньше, тем рефракция больше.
Около самого горизонту. она достигает 0°.5 Поэтому солнце и другие светила видны на своих местах только тогда, когда они находятся в зените, во всех других случаях они кажутся несколько приподнятыми, Вследствие рефракции можно наблюдать светило над горизонтом, когда оно на самом деле скрылось за него.
Вот почему в умеренных широтах фактическая продолжительность дня увеличивается на 8 - 13 мин, а в высоких широтах полярная ночь сокращается почти на две недели против теоретической.
Рефракция оказывает влияние на форму дисков солнца и луны у горизонта. При нахождении солнца или луны низко над горизонтом разность углов рефракции для нижнего и верхнего краев светила получается настолько большой, что нижний их край оказывается относительно более приподнятым, чем верхний. Поэтому диски солнца или луны иногда кажутся немного сплюснутыми.
Рис. 16 Рефракция
Рефракция и называется астрономической , если источником светового луча являются небесные светила ( солнце, луна, звезды), или земной, если луч света идет от земных предметов. Вследствие земной рефракции, например, линия берега с моря кажется выше, чем на самом деле.
Из-за земной рефракции истинная дальность бывает на 6 - 7% больше теоретической, благодаря чему предметы, в действительности уже скрытые за горизонтом, оказываются еще видимыми.
Тонкий слой легкого тумана на горизонте при восходе или заходе солнца и луны, особенно при ясной, теплой и тихой погоде, вызывает вследствие больших изменений плотности в самых нижних слоях атмосферы причудливые искажения контуров диска солнца или луны.
Это явление называется деформацией солнца и луны у горизонта. При этом иногда наблюдается появление второго солнца на некотором расстоянии от первого.
Мираж - явление анормальной рефракции: помимо самого предмета в его истинном положении наблюдатель видит его мнимое изображение. Отдаленные предметы при этом кажутся видоизмененными - увеличенными или уменьшенными,перевернутыми или искаженными в зависимости от отклонения, получаемого лучом света. Мираж часто наблюдается в степях жарких стран, пустынях, на океанах и морях, особенно в высоких широтах.
При плавании в этих широтах нередко можно видеть несколько изображений одного и того же судна, причем некоторые из них обращены мачтами вниз. Иногда же очертания берегов и других предметов так сильно искажаются, что даже при хорошем знании местности бывает трудно ее опознать.
В Антарктике, у самой линии горизонта океана, можно видеть айсберги, сильно вытянутые в высоту, причем иногда такие ледяные горы кажутся повисшими в воздухе в перевернутом виде.
Миражи возникают при ясной погоде и высоком атмосферное давлении, когда в нижних слоях воздуха плотность изменяется с высотой нс плавно, а скачкообразно. В этом случае лучи света, идущие к наблюдателю от различных предметов, испытывают полное внутреннее отражение на границе слоев воздуха с различными плотностями.
Иначе говоря, причина возникновения миража - необычная, повышенная рефракция света, образующаяся при резком изменении плотности воздуха по вертикали в нижнем слое атмосферы. Последняя в основном зависит от быстроты изменения температуры воздуха в вертикальном положении.
24 апреля 2012 года в городе Вентспилс, Латвия был заснят зеркальный мираж. Комментарий автора видео:
Например, если теплый воздух распространяется над холодной водой и особенно над ледяным или снежным покровом, то у самой подстилающей поверхности образуется относительно сильно охлажденный воздух, в этом случае с высотой температура будет заметно увеличиваться, а плотность резко уменьшаться.
Световой луч от отдельных предметов идет по выпуклой кривой, в результате чего сами предметы кажутся наблюдателю приподнятыми. Известны случаи, когда с побережья Крыма был виден берег Турции, находящийся на расстоянии 400 км. Такое явление называется верхним миражем (рис. 17)
Наоборот при распространении холодного воздуха над сравнительно теплым морем или над пустыней нижние слои воздуха прогреваются больше, чем верхние В этом случае траектория светового луча имеет выпуклость вниз, в результате чего отдаленные предметы кажутся наблюдателю в перевернутом виде Это явление называется нижним миражем (рис. 18)
Как било сказано выше мираж обусловливается либо сильным охлаждением либо сильным нагреванием земной поверхности и предметов, То и другое может происходить как местное явление при тихой ясной погоде.
Кратковременные миражи довольно часто наблюдаются в прибрежной зоне морей и океанов и указывают на устойчивую антициклональную погоду.
Нижний отчетливо видимый мираж возникающий после тихой жаркой погоды при сильном нагреве приземного слоя воздуха обусловливает неустойчивое состояние атмосферы которое может в любое время привести к ненастной ветреной погоде.
Признаками наступления миража и чрезвычайно сильной рефракции на море может служить кажущееся дрожание горизонта, а также наличие мглы на горизонте.
Деформация формы диска солнца луны и других светил у горизонта при восходе или заходе предвещает тихую, ясную погоду без осадков.
Устойчивый верхний мираж - признак наступления ненастной циклональной погоды.
Длительный нижний мираж указывает на ненастную погоду.
Кратковременный мираж на берегу моря - признак устойчивой антициклональной погоды.
Сумерками называется переходное время от дневного свет к темноте вечером или от темноты к свету утром Различают сумерки гражданские и астрономические.
Гражданские сумерки - это промежуток времени, за которое солнце прячется за горизонт до угла 6 - 8° над ним. В этот период на открытом воз духе можно читать и писать без искусственного освещения.
Астрономические вечерние сумерки заканчиваются, когда солнце опускается за горизонт и наступает полная темнота.
Продолжительность сумерек зависит от широты места, времени года и состояния атмосферы (погоды). Наиболее короткие сумерки наблюдаются на экваторе, где через 24 мин после захода солнца наступает темнота. С широтой продолжительность сумерек значительно увеличивается.
На широте, например, Ленинграда продолжительность сумерек бывает летом настолько большой, что вечерние сумерки сливаются с утренними: это время называют белыми ночами. В Арктике и Антарктике при переходе от полярного дня к полярной ночи или наоборот сумерки могут продолжаться подряд несколько суток.
При большой влажности и запыленности воздуха продолжительность сумерек в среднем больше, чем при менее влажном и чистом. Облака тоже влияют на продолжительность сумерек:
при наличии облаков верхнего яруса сумерки удлиняются, а при облаках среднего и нижнего ярусов - укорачиваются.
Короткие сумерки свидетельствуют о большой прозрачности атмосферы (о небольшой влажности и малой запыленности воздуха) - можно ожидать наступления или сохранения ясной, тихой антициклональной погоды.
Продолжительные сумерки свидетельствуют о большой влажности и запыленности атмосферы - признак приближения циклона и наступления влажной ветреной погоды.
Фотография Луны, частично закрытой атмосферой Земли, сделанная с космического корабля "Дискавери" . Кажущаяся форма Луны в ее нижней части больше не круглая из-за атмосферной рефракции.
Атмосферная рефракция представляет собой явление , оптическая , который состоит из не-прямолинейного пути света , проходящих через атмосферу , что в связи с изменением плотности воздуха с высотой. Для объектов, погруженных в атмосферу, это явление носит название земного преломления и приводит к миражам, а также к эффектам мерцания и ряби для удаленных объектов. В наблюдении астрономии в астрономической рефракции приводит к погрешности в оценке фактического углового положения звездынаблюдается: он виден в небе выше, чем есть на самом деле. Поэтому необходимо выполнить поправку на высоту, известную как атмосферная рефракция.
Это явление влияет не только на световые лучи, но и на все электромагнитные волны . Эффект также зависит от длины волны (явление дисперсии ). Таким образом, это явление влияет на синий свет больше, чем на красный. Вот почему астрономические объекты, благодаря своему спектру, могут видеть свои изображения с высоким разрешением в разложенном виде. Зеленый луч может также частично быть интерпретированы атмосферной рефракции и дисперсии.
Наблюдение за Солнцем на горизонте продолговатой, слегка приплюснутой формы - еще один эффект атмосферной рефракции, который также можно наблюдать для Луны .
Атмосферная рефракция намного больше для объектов вблизи горизонта, чем для объектов ближе к зениту . Поэтому, чтобы ограничить эффекты, астрономы планируют как можно больше наблюдений за объектами в самой высокой точке их траектории в небе. Точно так же моряки ориентируются не на звезды, расположенные близко к горизонту, а только на звезды, расположенные как минимум на 20 ° выше. Если невозможно избежать наблюдений вблизи горизонта, с помощью некоторых оптических инструментов можно компенсировать сдвиги, вызванные атмосферной рефракцией, а также эффекты дисперсии. Однако атмосферная рефракция также зависит от атмосферного давления и температуры , системы, позволяющие правильно компенсировать все эффекты, являются технологически сложными и часто непомерно дорогими. Проблема еще более усложняется, когда атмосферная рефракция неоднородна, в частности, когда в воздухе есть турбулентность. Эта турбулентность лежит в основе явления мерцания звезд.
Резюме
Эмпирическая формула
Существуют различные формулы, позволяющие рассчитать угол преломления для заданной угловой высоты ; можно также найти таблицы в эфемеридах .
Предлагаемая формула: пусть R - угол преломления, h - высота рассматриваемой звезды в градусах ; следующая формула дает точность лучше 0,2 угловых минут для всех высот от 0 до 90 ° с результатом R в угловых минутах.
р знак равно 1 , 02 загар ( час + 10 , 3 час + 5 , 11 ) 02> 3> 11>> \ right)>>>
Эта формула предполагает , что наблюдение осуществляется на море, при атмосферном давлении 1010 мбар , и при температуре 10 ° C .
Числовые значения
Обратите внимание, что:
- рефракция увеличивается при повышении давления и уменьшается при понижении давления (1% на 10 мбар);
- преломление увеличивается при понижении температуры и уменьшается при повышении температуры - горячий воздух менее плотный, эффект слабее (1% на 2,8 ° C).
Диаграмма, показывающая смещение между фактическим положением и видимым положением Солнца на горизонте. S (желтым цветом) - фактическое положение. S ' (красным) - это видимая позиция, которую видит наблюдатель O, находящийся на земле. Синяя линия представляет горизонт.
При расчете времени восхода и захода солнца также учитывается атмосферная рефракция. Расчетное время не соответствует моменту, когда Солнце достигает высоты 0 °, но когда оно достигает высоты -50 ': само является суммой двух данных: -16' для учета углового радиуса Солнца, это значение соответствует видимому половинному диаметру звезды, выраженному в минутах (астрономические таблицы обычно указывают ее гелиоцентрическое положение), и -34 'для атмосферной рефракции на горизонте. В случае Луны необходимо учитывать явление параллакса , угловой диаметр и лунную фазу (даже если эта последняя точка редко принимается во внимание).
История
Арабский Альхазен изучал атмосферную рефракцию около 1000 года, сосредоточив внимание на сумерках и обнаружив, что явление прекращается (или начинается), когда Солнце проходит через положение 19 ° над горизонтом.
Примерно в 1050 году китайский астроном Шен Куо также предложил интерпретацию радуги с использованием атмосферной рефракции.
До 1602 года на Западе Тихо Браге был первым, кто определил путем наблюдений значение преломления азимутальным методом ( Astronomiae instauratae progymnasmata , 1602): он измеряет азимут Солнца или звезды, чтобы определить его истинное значение. зенитное расстояние , затем измеряется видимое зенитное расстояние этой же звезды. Разница в зенитных расстояниях дает соответствующий угол преломления.
Кеплер в Паралипоменах к Вителлиону (1604 г.) публикует первую таблицу на Западе, прочитав работу Альхазена в 1603 г. и посоветовавшись с наблюдениями своего учителя Тихо Браге.
В 1637 году Декарт разработал закон преломления света при его прохождении через среду с плотностью, отличной от его исходной среды .
В 1662 году Жан-Доминик Кассини смоделирует это явление на основе двух наблюдений: одно на горизонте с коэффициентом преломления R = 32 '20 дюймов, а другое под углом 80 ° от зенитного расстояния z, где коэффициент преломления r = 5 '28 дюймов; он выводит толщину атмосферы, предположительно однородной, порядка 4 км, которую он будет использовать для своей модели. Последнее позволит ему получить значение r для каждой степени z и составить из него первую таблицу. Вторая, более точная таблица будет опубликована в 1684 году; он будет включен в Connaissance des temps до 1765 года.
В 1814 году Деламбр упростил метод Кассини, предложив общую формулу: r = 58,7265 дюймов ( z - 1,6081 r ).
Лаплас, а затем Био (1828 г.) в конечном итоге дали полную (довольно сложную) теорию явления.
Случай электромагнитных волн
На большие волны , что небольшие волны имеют индекс п меньше , чем 1: мираж становится очень большой , и мы можем даже говорить о квази-отражения волны на ионосферу : мы получаем радиоприемники за горизонт, в вечернее время, в частности.
Читайте также: