Прозрачность земной атмосферы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Прозрачность земной атмосферы - способность атмосферы пропускать направленное излучение. Различают понятия "прозрачность среды" и "пропускание излучения средой". Среда может быть непрозрачной (облака, молочное стекло и др.) и в то же время может пропускать рассеянный свет. Но применительно к атмосфере под пропусканием обычно понимают долю пропускания атмосферой только направленного излучения, поэтому характеристики пропускания и прозрачность земной атмосферы близки между собой.

Понятие прозрачности земной атмосферы связывалось обычно с возможностью чёткого видения удалённых предметов и огней, т. е. с условиями пропускания атмосферой видимого излучения. В настоящее время это понятие используется для характеристики излучения в широком диапазоне длин волн - от рентг. и гамма-излучения вплоть до микроволнового.

Различают спектральную и интегральную прозрачности земной атмосферы. Под спектральной прозрачностью земной атмосферы понимают способность атмосферы пропускать направленное квазимонохроматич. излучение, т.е. излучение в сравнительно узких участках спектра. Под интегральной прозрачностью земной атмосферы понимается способность атмосферы пропускать направленное излучение в широких участках спектра. Для количественного выражения прозрачности земной атмосферы используются разные характеристики. Наиб. употребительными из них являются: коэф. пропускания, коэф. прозрачности, фактор мутности и метеорологич. дальность видимости.

В общем случае прозрачность среды характеризуется коэф. пропускания t - отношением потока, прошедшего через среду, к потоку, упавшему на неё. Величину, обратную t, наз. коэф. ослабления. Отношение потока излучения Ф, прошедшего атмосферу в вертикальном направлении, к внеатмосферному значению потока

наз. коэф. прозрачности земной атмосферы

Эта характеристика непосредственно из измерений не определяется, т. к. источник излучения (обычно используют Солнце) бывает в зените лишь в редких случаях. Зависимость потока прошедшей через атмосферу квазимонохроматич. радиации F от воздушной (оптич.) массы т в направлении на Солнце (т. е. от отношения оптич. путей наклонного и вертикального лучей) имеет вид

Коэф. пропускания среды t может быть представлен в виде

где интеграл берётся вдоль пути распространения излучения,

- длина пути. В случае однородной среды

Величина

наз. объёмным показателем ослабления. Он складывается из объёмного показателя рассеяния

и объёмного показателя поглощения

При прохождении излучения через атмосферу в вертикальном направлении

Закон Бугера - Ламберта (см. Бугера - Ламберта - Бера закон)получен для квазимонохроматич. излучения. При использовании его для расчётов интегральных потоков обнаруживается кажущийся дневной ход коэф. прозрачности. С увеличением воздушной массы т (т. е. с уменьшением высоты Солнца над горизонтом) в проходящем потоке увеличивается доля ДВ-ра-диации, для к-рой атмосфера более прозрачна, что приводит к кажущемуся увеличению П. з. а. (эффект Fорбса). Для исключения влияния этого эффекта коэф. интегральной прозрачности р, полученные при разл. высотах Солнца, приводятся по специальным номограммам к коэф. интегральной прозрачности

при определённой воздушной массе

Обычно принимается

= 2 (т. е. высота Солнца равна

Коэф.

регулярно определяются на метеостанциях и широко используются в актинометрии, при изучении атм. процессов, при расчётах радиац. потоков, радиац. баланса земной поверхности и т. д.

Определение коэф. прозрачности земной атмосферы производится по данным абс. и относит. измерений. При абс. измерениях поток лучистой энергии Солнца преобразуется в тепловую энергию, к-рая и регистрируется. Зная солнечную постоянную, а следовательно, и внеатмосферное значение потока

по ф-ле (1) определяют коэф. прозрачности земной атмосферы. Измерения проводятся на актинометрич. станциях с помощью пиргелиометров и актинометров. Данными относит. измерений прямой солнечной радиации пользуются при определении коэф. прозрачности земной атмосферы методами Бугера - "долгим" и "коротким". При определении прозрачности земной атмосферы "долгим" методом измерения потоков F проводят при разной высоте Солнца (т. е. при разных т). Коэф. r определяется по наклону прямой зависимости IgФ от т, в предположении, что в течение измерений прозрачности земной атмосферы оставалась постоянной. При известном для данного фотометра значении внеатмосферной константы

(в относит. единицах) определение p может производиться т. н. коротким методом внеатмосферного блеска по ф-ле (1).

Более чувствительной характеристикой прозрачности земной атмосферы является т.н. фактор мутности атмосферы Т - отношение оптич. толщ реальной

и идеальной

(релеевской, т. е. когда прозрачность земной атмосферы определяется только релеевским рассеянием света) атмосфер. Рассматривая оптич. толщу реальной атмосферы как сумму оптич. толщ идеальной атмосферы

, водяного пара

и аэрозоля

получают

- остаточной мутностью атмосферы. Т. к. эффект Форбса сказывается одновременно на прозрачности как реальной, так и идеальной атмосфер, фактор мутности почти не зависит от высоты Солнца.

Прозрачность земной атмосферы в разл. участках спектра резко изменяется. Так, КВ-излучение Солнца (l < 290 нм) практически полностью поглощается верх. слоями атмосферы и до поверхности Земли почти не доходит. На рис. 1 показаны высоты, достигая к-рых при вертикальном падении солнечный поток ослабляется в е раз. В диапазоне 8-80 нм солнечное излучение поглощается молекулами и атомами азота и кислорода. В области 80-

200 нм осн. часть излучения поглощается молекулярным кислородом. Немонотонная часть кривой поглощения кислорода на участке 175-202,6 нм формируется системой полос Шумана - Рунге. На участке 200-345 нм УФ-излучение Солнца поглощается озоном в полосе поглощения Хартли (220-320 нм), к к-рой примыкают полосы Хёггинса (300-345 нм).

Коротковолновое УФ-излучение (l < 290 нм) может разрушать мн. органич. молекулы (включая ДНК), повреждать земные экосистемы, способствует возникновению рака и др. заболеваний кожи, катаракты, имунной недостаточности. Наиб. губит. биол. действие

оказывает УФ-излучение в диапазоне 250-260 нм, но как раз на этот участок спектра приходится максимум поглощения озоном в полосе Хартли. Общее содержание озона в атмосфере составляет менее

содержания остальных газов, но этого оказывается вполне достаточно, чтобы защитить Землю от воздействия УФ-из-лучения. Длинноволновая часть УФ-излучения Солнца (l > 300 нм) достигает поверхности Земли и оказывает в осн. благотворное влияние на развитие биол. систем.

В области спектра 350-4200 нм земная атмосфера имеет ряд "окон прозрачности" (рис. 2; приведённая кривая соответствует летним условиям в ср. широтах и общему содержанию водяного пара, равному 2 см осаждённой воды) и в целом относительно прозрачна.

Ок. 94% общего потока солнечной энергии на верх, границу атмосферы приходится именно на эту область, причём осн. часть энергии доходит до поверхности Земли. Благодаря этому Земля имеет благоприятный для жизни климат. Ослабление солнечной радиации в КВ-части этой области спектра происходит гл. обр. за счёт рассеяния излучения на молекулах (релеев-ское рассеяние) и на частицах аэрозоля (аэрозольное рассеяние). В ДВ-части этой области солнечное излучение ослабляется в полосах поглощения водяного пара, углекислого газа, озона и ряда др. малых газовых составляющих (NO₂, CH₄ и др.).

Имеется также "окно прозрачности" в области спектра 8000-12000 нм. Коэф. пропускания солнечного излучения в этом "окне" колеблется в ср. в пределах 60-70%. На участках спектра 5200-8000 нм и более 15000 нм солнечное излучение практически полностью поглощается водяным паром.

В связи с использованием лазеров развиваются исследования особенностей распространения лазерного луча в атмосфере. Из-за высокой монохроматичности лазерного излучения даже в "окнах прозрачности" атмосферы лазерный луч может сильно ослабляться. В тонкой структуре спектра поглощения атмосферы в этих "окнах" имеются относительно узкие, но сильные полосы поглощения. Количественные оценки П. з. а. для лазерного излучения требуют знания (с весьма высокой точностью) положения, интенсивности и формы линий тонкой структуры спектров атм. газов. Большая мощность излучения лазеров

может вызывать разл. рода нелинейные эффекты (многофотонные эффекты, приводящие к пробою в газах; спектроскопич. эффекты насыщения, вызывающие частичное просветление газов; эффекты самофокусировки оптич. пучков, вызываемых зависимостью коэф. преломления среды от мощности потока излучения, и др.). При малой длительности оптич. импульсов (

с) могут возникать явления, приводящие к отклонению ослабления излучения от закона Бугера.

Характеристикой горизонтальной П. з. а. чаще всего служит метеорология, дальность видимости

- наиб. расстояние, на к-ром в светлое время суток можно различить (обнаружить) невооружённым глазом на фоне неба вблизи горизонта или на фоне воздушной дымки чёрный объект, имеющий размеры более чем

Величина

связана с показателем рассеяния

соотношением

Широко используются инструментальные методы определения метеорологич. дальности видимости, при этом измерит. приборы часто градуируются также в единицах

по ф-ле (4). В табл. приводятся шкала видимости (в баллах), соответствующие ей пределы

и объёмные показатели рассеяния

Шкала видимости, соответствующие ей пределы и объёмные показатели рассеяния

Для идеальной атмосферы в табл. приводится средневзвешенное для видимого участка спектра значение объёмного показателя рассеяния

Гидрометеослужбой регулярно проводятся измерения, рассчитываются и выдаются краткосрочные прогнозы дальности видимости для разл. регионов.

Литература по прозрачности земной атмосферы

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Баллы видимости	Погодные условия	L_M, км
0	Плотный туман	<0,05	>78,2
2	Густой туман Обычный туман	0,05-0,2 0,2 - 0,5	78,2-19,6 19,6-7,82
3	Лёгкий туман	0,5-1,0	7,82-3,91
4	Слабый туман	1-2	3,91 - 1,96
5	Дымка	2-4	1 ,96 - 0,954
6	Лёгкая дымка	4 - 10	0,954 - 0,391
7	Ясно	10-20	0,391 - 0, 196
8	Очень ясно	20 - 50	0, 196 - 0,078
9	Совершенно ясно	>50	<0,078
-	Идеальная атмосфера	277	0,0141