Оптические явления в атмосфере

Рассеяние солнечных лучей в атмосфере является источников радиации, посылаемой небесным сводом, и в то же время причиной многих оптических явлений в атмосфере. В частности, благодаря рассеянию освещаются места, куда не проникают прямые солнечные лучи, рассеянием объясняется цвет неба, освещенность в сумерки, уменьшение видимости и пр.

Рассеяние на молекулах и комплексах молекул называют молекулярным, а на аэрозольных частицах – аэрозольным.

Интенсивность молекулярного рассеяния (закон Релея) обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Поэтому рассеяние ультрафиолетовых лучей с длиной волны l_ф = 0,4 мкм в 16 раз больше, чем красных лучей с длиной волны l_к = 0,8 мкм. В связи с этим в рассеянном свете процентное содержание лучей фиолетового, синего и голубого цвета будет гораздо больше, чем оранжевых и красных, этим и объясняется голубой цвет неба. В то же время прямой солнечный свет, теряя вследствие рассеяния больше всего сине-голубых лучей, становится относительно более красным. Это особенно заметно при восходе и заходе Солнца, когда лучи принизывают всю толщу атмосферы (m = 34) и потеря сине-голубых лучей особенно велика. Солнце горизонта принимает красный цвет.

Интенсивность аэрозольного рассеяния обратно пропорциональна длине волны в степени меньшей, чем четыре. Это приводит к тому, что свет, рассеянный более крупными частицами (пыль, дым, продукты конденсации), будет приближаться по своей окраске к белому цвету.

Достаточно крупные частицы с радиусом больше 10^{-2 мм (это размеры облачных частиц) рассеивают радиацию в одинаковой степени независимо от длины волны. Поэтому цвет облачного неба, а также цвет тумана – белый.}

Так как атмосфера всегда содержит некоторое количество взвешенных частиц, то цвет безоблачного неба является сочетанием синего цвета (свет, рассеянный молекулами) с белым (свет, рассеянный крупными частицами). В итоге наблюдаются различные оттенки синевы неба от темно-синего до бледно-голубого и белесоватого. Чем чище воздух, тем гуще синева неба. Таким образом, степень синевы неба является показателем прозрачности атмосферы.

Для атмосферы справедливо следующее правило: если вдоль направления распространения светового луча плотность воздуха (а значит, и показатель преломления) изменяется, то световой луч будет изгибаться так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения плотности (и показателя преломления) воздуха.

При значительном контрасте температур между поверхностью моря и приводным слоем атмосферы возникают необычные явления земной рефракции:

а) Холодное море и теплый воздух над ним. Световые лучи обращены к Земле своей вогнутой стороной Удаленные предметы, обычно скрытые горизонтом, поднимаются и приближаются к нам. Горизонт расширился. Поверхность воды кажется вогнутой – как огромное блюдце (рис. 4.2,а.).

б) Теплое море и холодный воздух над ним. Световые лучи обращены к Земле выпуклой стороной. Горизонт кажется близким, суженным. Как будто увеличилась кривизна Земли. Поверхность воды кажется выпуклой и все предметы на воде выглядят непомерно большими (рис. 4.2,б.).

Рис. 4.2.

а – далекий горизонт, б – близкий горизонт

Миражи

Верхние миражи возникают при резком уменьшении плотности воздуха с высотой (при сильных инверсиях), нижние – при больших вертикальных градиентах температуры и неустойчивости стратификации, боковые – при неравномерном распределении плотности на уровне наблюдателя. Верхние и боковые миражи чаще всего наблюдаются в прибрежных водах полярных районов, нижние – в пустынях.

При резком уменьшении плотности воздуха с высотой световые лучи, исходящие от предмета АВ (рис. 4.3.), могут дойти до глаза наблюдателя, переходя от одного слоя атмосферы к другому, постепенно искривляются и на границе одного из слоев могут испытать полное внутреннее отражение и снова повернуть к Земле.

Рис. 4.3. Верхний мираж

Наблюдатель из точки О увидит по направлению касательных к траекториям лучей вторичное изображение предмета А¢В¢, расположенное выше.

Очертания предметов при мираже более или менее, а иногда сильно, искажаются. В частности, значительные деформации претерпевают видимые диски Солнца и Луны при восходе и заходе. Сложные явления миража с резким искажением вида предметов носят название фата-морганы (коварная фея Моргана).

Рис. 4.4. Нижний мираж