1. Особливості повітря як оптичного середовища

 Вивчення оптичних властивостей повітря, моря і суші складає прямі задачі атмосферної оптики. Зворотні задачі – розробка оптичних методів зондування, тобто визначення по виміряним оптичним властивостям повітря, моря і суші інших їх фізичних характеристик.

         Оптичні явища в нижніх і верхніх шарах атмосфери (шар озону і вище) різні. У верхніх шарах під впливом сонячного випромінювання відбуваються головним чином фотохімічні реакції. Виникаючі при цьому збуджені частинки висвічують запасену енергію (полярні сяйва, світіння нічного неба та ін.) Вивченням цих явищ займається аерономія.

         Інтерес до оптичних явищ в атмосфері виник дуже давно. Колір неба і хмар, зорі, помилкові сонця і т. д. з давніх пір вважалися провісниками погоди. Таких прикмет досить багато і у свій час вважалося навіть, що їх вивчення і є головне завдання атмосферної оптики. Цієї точки зору дотримувався російський геофізик П. І. Броун (30-ті рр.. XX ст.). Однак більш детальні дослідження показали, що хоча між оптичними та іншими фізичними явищами в атмосфері зв'язок безсумнівно існує, але часто він буває дуже складниим і неоднозначним; оптичні ознаки погоди іноді суперечать один одному. Поступово стало ясно, що знайти зв'язок між оптичними явищами і погодою можна, лише вивчаючи природу оптичних явищ і одночасно проникаючи в механізм фізичних явищ, що викликають зміни погоди. Перші спроби пояснити синій колір неба відносяться до XVI ст. Леонардо да Вінчі пояснював синяву небесного склепіння тим, що біле повітря на темному тлі світового простору здається синім. Л. Ейлер вважав (1762), що «самі частинки повітря мають синюватий відтінок і в загальній масі створюють інтенсивну синяву». На початку XVIII ст. І. Ньютон пояснював колір неба інтерференційним відображенням сонячного світла від найдрібніших крапель води, завжди зважених у повітрі. У 1809 році французький фізик Д. Араго відкрив, що світло неба сильно поляризоване.

 Перше правильне пояснення синього кольору неба дав англійський фізик Релей (Дж. У. Стрет) (1871, 1881). За теорією Релея кольорові промені, що утворюють сонячний спектр, розсіюються молекулами повітря пропорційно λ^-4 (де λ – довжина світлової хвилі). Сині промені розсіюються, приблизно, в 16 разів сильніше, ніж червоні. Тому колір неба (розсіяне сонячне світло) – синій, а колір Сонця (пряме сонячне світло), коли воно низько над горизонтом і промені його проходять великий шлях в атмосфері, - червоний. При цьому розсіяне світло повине бути сильно поляризоване, а під кутом 90 ° від напрямку на Сонце поляризація повинна бути повною.

         Вимірювання яскравості, кольору і поляризації світла неба підтвердили теорію Релея. Але в 1907 році російський фізик Л. І. Мандельштам показав, що якщо тіло, в тому числі і повітря, суворо однорідне, то промені, розсіяні окремими молекулами, повинні в результаті взаємної інтерференції гасити один одного так, що ніякого розсіювання взагалі спостерігатися не буде. В дійсності через хаотичний тепловий рух в середовищі завжди виникають флуктуації щільності (тобто випадково розташовані області згущень і розріджень), на яких і відбувається розсіяння. Строга теорія флуктуаційного розсіювання, розроблена польським фізиком М. Смолуховським (1908) і А. Ейнштейном (1910), призвела до тих же формул, які були раніше отримані в молекулярній теорії Релея. Однак всі ці роботи не враховували запиленості атмосфери. Повітря, навіть найчистіше, - високо в горах, в Арктиці й Антарктиці – завжди засмічене органічним і мінеральним пилом, частинками диму, крапельками води або розчинів. Ці частинки дуже малі (радіус близько 0,1 нм), їх маса, а отже, і вага незначні, тому вони так повільно падають на Землю, що найменший струм повітря знову здіймає їх нагору. Таке повітря безупинно перемішується, то в атмосфері завжди ширяє як би мережа з дрібних порошин і крапель, особливо густа в нижніх приземних шарах. Це атмосферний аерозоль, який і є головною причиною мутності повітря. Він зменшує дальність видимості в реальній атмосфері, в порівнянні з ідеальною, приблизно в 20 разів. Крім аерозолю, велику роль в оптичних явищах в атмосфері відіграють водяна пара, вуглекислий газ і озон, хоча вони становлять всього декілька відсотків від обсягу газів, з яких складається повітряна суміш. Тільки ці гази поглинають сонячне і земне випромінювання і самі випромінюють радіацію.

         У розсіянні світла в атмосфері вирішальне значення має аерозоль. Німецький фізик Г. Мі (1908) побудував теорію розсіювання світла частинкою довільного розміру, яку широко користовують в атмосферній оптиці. Ця теорія була істотно розвинена і доповнена радянськими вченими В. В. Шулейкиним (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифріним (1951) і голландським ученим Хюлстом (1957). Розрахунки показують, що характер розсіяння залежить від відношення радіуса частинки α до довжини хвилі λ і від речовини частинки. Малі частки (α / λ «1) поводяться так само, як молекули в теорії Релея, але чим більше частинки, тим слабша залежність розсіяння від довжини хвилі. Великі частинки (α / λ »1) розсіюють світло нейтрально – всі хвилі однаково. Це, зокрема, відноситься до крапель хмар, радіуси яких в 10-20 разів більше довжини хвилі видимого світла. Саме тому хмари мають білий колір. З цієї ж причини небо стає білястим, якщо повітря містить пилинки або крапельки води. У дослідженнях яскравості й поляризації неба великий внесок внесли радянські вчені В. Г. Фесенков, І. І. Тіхановскій, Є. В. Пясковська-Фесенкова, а у дослідженнях прозорості хмар, туманів, нижніх шарів атмосфери – А. А. Лебедєв, І . А. хвостик, С. Ф. Родіонов, американські вчені Д. Стреттон і Г. Хаутон, французькі вчені Е. і А. Васею, Ж. Брікар.

         Поряд з експериментальними роботами створювалися також методи розрахунку розподілу яскравості й поляризації по небу, для чого необхідно враховувати багаторазовість розсіювання світла і віддзеркалення від земної поверхні. Для цього випадку російським фізиком О. Д. Хвольсоном (1890) було запропоновано рівняння переносу випромінювання. Для безхмарного неба вплив багатократного розсіяння не дуже великий, але для хмар, які являють собою сильно каламутні середовища, це – основний фактор, без якого не можна правильно розрахувати прозорість хмар, відображення і світловий режим усередині них. Великий внесок у розробку методів рішення рівняння переносу внесли радянські вчені В. А. Амбарцумян (1941-43), В. В. Соболєв (1956), Е. С. Кузнєцов (1943-45) та індійський учений С. Чандрасекара (1950) .

         Видимість предметів обумовлена ​​насамперед прозорістю повітря, а також їх відбивними властивостями. Відображення дифузно, тобто розсіяно на всі боки (за винятком відбиття від поверхні спокійної води) і для різних поверхонь відбувається по-різному, в результаті чого (для несамосвітних тіл) виникає яскравосний контраст предмета з тлом. Якщо контраст більше деякого порогового значення, то предмет видно; якщо менше, то предмет втрачається на загальному тлі. Дальність видимості предмета залежить від прозорості повітря і від освітленості (в сутінки і вдень поріг розрізнення неоднаковий). Видимість (прозорість атмосфери) входить до числа основних метеорологічних елементів, спостереження над якими ведуть метеорологічні станції. Дослідження умов, що впливають на горизонтальну і похилу видимість (на фоні неба або Землі) - важлива прикладна задача атмосферної оптики. В її рішенні значні результати отримали радянські вчені В. В. Шаронов, Н. Г. Болдирев, В. А. Березкін, В. А. Фаас, німецький вчений Х. Кошмидер, канадський учений Д. Мідлтон.

         Велике значення має вивчення умов поширення в атмосфері невидимих ​​інфрачервоних хвиль довжиною 3 - 50 мкм, які обумовлюють променисту передачу тепла (механізм її полягає в поглинанні і наступного перевипромінювання). Дуже важливі прямі вимірювання у вільній атмосфері, які можуть бути виконані з літаків або з штучних супутників Землі (ШСЗ). У дослідженні променистої теплопередачі істотні результати були отримані радянськими вченими А. І. Лебединським, В. Г. Кастровим, К. Я. Кондратьєвим, Б. С. Непорентом, Є. М. Фейгельсоном і американськими - Д. Хоуарда і Р. Гуді.

         При постановці обернених задач атмосферної оптики виникають дві труднощі:

по-перше, потрібно встановити, що в оптичної інформації містяться потрібні дані;

по-друге, - вказати спосіб їх вилучення і необхідну точність вимірювань.

В. Г. Фесенков ще в 1923 показав, що по зміні яскравості сутінкового неба можна судити про будову атмосфери на висотах більше 30 км. Через 30 років відомості про будову стратосфери й іоносфери, отримані безпосередньо за допомогою ракет, підтвердили дані сутінкового методу. У розвиток сутінкового методу внесли значний внесок радянські вчені Г. В. Розенберг, Н. М. Штауде. Вдалося розробити кілька методів, що дозволяють досліджувати будову мутних середовищ за особливостями їх світлорозсіювання, які знайшли застосування не тільки в геофізиці. Найбільший інтерес викликає розробка методів зондування атмосфери з ШСЗ для визначення температури земної поверхні або хмар по інфрачервоному випромінюванню, що приходить на супутник. Досліджується також спосіб визначення вертикальних профілів температури і вологості за характером приходить випромінювання. У розробці цього методу важливі результати отримані радянським вченим М. С. Малкевічем, американським - Л. Капланом і японським - Г. Ямамото.