Общее положение атмосферной оптики

При изучении оптических явлений в атмосфере из общего спектра лучистой энергии выделяется та часть, которая имеет длину волны в пределах 400—760 ммк, т. е. та часть спектра, которая воспринимается нашим глазом. Поскольку чувствительность глаза к лучистой энергии различных длин волн в видимой части спектра различна, то энергетическая оценка светового потока, о которой упоминалось в гл. 10, не будет характеризовать ощущение интенсивности светового потока, воспринимаемого глазом. Этим объясняется то, что в оптике вводятся свои единицы (фотометрические), характеризующие интенсивность света, воспринимаемого зрением.

Отношение величины светового потока, выраженного в фотометрических единицах (F_λ), к его энергетической величине (Ф_λ) называют коэффициентом видности, или видностью. Таким образом, Обратный ему коэффициент называют механическим эквивалентом света

Как коэффициент видности, так и механический эквивалент света из-за различной чувствительности глаза к различным частям спектра изменяются с изменением длины волны. Кроме этого, они различны для дневного и сумеречного света. Последнее объясняется тем, что дневной и сумеречный свет воспринимается различными светочувствительными элементами глаза (соответственно колбочками и палочками). Максимальное световое воздействие дневного света на глаз приходится на длину волны λ = 555 ммк (темно-зеленый участок спектра), минимальное воздействие приблизительно на λ = 420 ммк и λ = 700 ммк. Максимум светового воздействия сумеречного освещения приходится на волну λ = 507 ммк, а минимум на λ = 400 ммк и λ = 620 ммк. В обоих случаях кривые относительной чувствительности глаза к свету почти симметричны относительно максимумов.

За единицу светового потока принят люмен (лм), который равен световому потоку точечного источника света силой в одну эталонную свечу, заключенному в телесном угле, равном единице (стерадиан) 650 лм создают энергию в 1 вт.

Кроме величины светового потока, в фотометрии используются следующие понятия.

- сила света I точечного источника как световой поток, рассчитанный на единицу телесного угла, т. е. Единицей силы света является эталонная свеча (св);

- освещенность Е некоторой поверхности как плотность падающего на нее светового потока, т. е. Единицей освещенности является фот (ф), соответствующий потоку в 1 люмен на 1 см² или люкс (лк), равный 10^-4 фот;

- светимость R как отношение светового потока, испускаемого светящейся поверхностью, к ее площади, т. е. Единицы измерения те же, что и для освещенности;

- яркость В как сила света поверхности в данном направлении, приходящаяся на единицу площади проекции этой поверхности на плоскость, перпендикулярную к рассматриваемому направлению, т, е. . Единицей яркости является стильб (сб), равный яркости равномерно светящейся площадки, каждый квадратный сантиметр которой в направлении, перпендикулярном к площадке обладает силой света в одну эталонную свечу.

Глаз человека воспринимает световой поток в широком диапазоне яркостей и приспосабливается к ее изменениям, меняя соответствующим образом свою чувствительность. Эта приспособляемость глаза к перемене яркости называется адаптацией. Следует иметь в виду, что при переходе от большой яркости к малой перестройка глаза идет медленно (несколько десятков минут), его чувствительность в это время увеличивается в 50000—100 000 раз; при переходе от малой яркости к большой глаз приспосабливается довольно быстро (за несколько минут); при этом чувствительность его резко уменьшается. Чувствительность глаза к восприятиям яркостей (спектральная) имеет предел. Наименьшее значение светового потока, попадающего в глаз, при котором он перестает ощущать свет, называется световым порогом.

Видимая часть спектра при распространении в атмосфере испытывает поглощение, рассеяние и преломление. Воспринимая этот измененный световой поток, человеческий глаз в силу присущих ему особенностей оказывается неспособным дать правильную оценку расстояний, угловых высот, формы небесного свода и т. д. В самом деле, если мы внимательно посмотрим на небесный свод, то увидим, что он воспринимается нами не в виде полусферы, а несколько приплюснутым в зените. В результате оценка на глаз высоты точки, находящейся посредине между зенитом и горизонтом, оказывается неверной: вместо истинной высоты 45° она будет оценена величиной около 22°.

При наличии в атмосфере примесей максимум рассеяния смещается в сторону более длинных волн. Присутствие большого количества водяного пара вызывает значительное поглощение светового потока в красном участке спектра. Эти факторы обусловливают то, что цвет неба становится более белесоватым.

С удалением от земной поверхности насыщенность цвета неба увеличивается и он постепенно переходит из голубого в фиолетовый, а на высотах более 20 км в черно-серый, что объясняется все большим преобладанием в рассеянном свете наиболее коротких волн видимой части спектра.

Свет, рассеянный атмосферой, оказывается в той или иной степени поляризованным. Он имеет направленность действия в плоскостях, поперечных лучу, вследствие различия амплитуд световых колебаний в других плоскостях. Степень поляризации в любой точке пространства непостоянна и зависит главным образом от состояния неба в месте наблюдения. Наибольшая поляризация имеет место в точках, отстоящих от Солнца на 90° (солнечный зенит), где она обычно составляет 85%.

Степень поляризации света зависит от высоты Солнца, прозрачности воздуха, количества водяного пара, характера подстилающей поверхности и других факторов. Например, при сильном помутнении атмосферы и большой абсолютной влажности воздуха степень поляризации очень мала. В случае, когда Солнце находится ниже горизонта на 3°,5, имеет место максимум поляризации солнечного света. Поляризация наблюдается и для лунного света. Свет, отраженный от облаков, не поляризован.