Оптика атмосферы Оглавление

Вводные замечания 3

Газовый состав атмосферы 4

Водяной пар в атмосфере 5

Озон в атмосфере 6

Озон и фреоны 6

Механизмы ослабления. Молекулярное поглощение 7

Понятие "возбужденного" состояния молекул 8

Молекулярное поглощение в атмосфере Земли 12

УФ и видимая области спектра 12

Инфракрасная область спектра (ИК) 13

Микроволновая область спектра 15

Общая постановка задач рассеяния света в атмосфере 15

Молекулярное (релеевское) рассеяние света 17

Геометрия задачи 18

Анализ формулы Релея (свет, поляризация, цвет) 21

Поправки (более подробно) к теории рассеяния Релея 24

Теория Сорэ 25

Методика Сорэ 26

Решение задачи рассеяния на крупных частицах 27

Рассеяние на большом шаре. Теория Ми. 28

Принцип геометрической оптики 32

Приближение мягких частиц (Ван де Хюлст) 32

Парадокс ослабления 34

Коротко об аэрозолях в атмосфере 35

Уравнение переноса излучения 35

Видимость в атмосфере 36

Дальность видимости 36

Смысл и влияние «дымки» в теории дальности видимости 38

Видимость реальных предметов (объектов) 39

Некоторые результаты анализа эффектов рассеяния

в реальной земной атмосфере 41

Оценка спектра распределения по размерам аэрозоля в атмосфере 42

Оценка взаимосвязи метеорологической дальности видимости и коэффициента аэрозольного рассеяния 43

К вопросу о функции 44

Преломление света в земной атмосфере 45

Кривизна луча, радиус кривизны, постоянная рефракции, миражи 50

Масса атмосферы 53

Преломление света на различных модификациях (фазах) воды в атмосфере – кристаллах и каплях воды (явления гало) 54

Радуга 59

Вводные замечания

Закономерности распространения электромагнитных волн оптического диапазона в земной атмосфере необходимы для решения широкого круга теоретических и практических задач. Это системы связи, передача информации, локация, дальность видимости и другие практические вопросы жизни человека на дне океана под названием атмосфера.

Широкий круг метеорологических, геофизических и астрофизических задач требует знания все более точных характеристик распространения УФ, видимого и ИК излучения. В этот круг входят:

• интерпретация данных радиационных наблюдений с ИСЗ;

• решения обратных задач спутниковой метеорологии;

• расчеты радиационного переноса тепла и определения теплового баланса Земли как планеты;

• прогноз погоды, который невозможен без учета радиационного члена в моделях общей циркуляции атмосферы;

• решение астрофизических задач с учетом ослабления света атмосферой.

Атмосферная оптика изучает изменения характеристик света в процессе его распространения в атмосфере. Эти изменения являются следствием взаимодействия световых волн и вещества (состава) атмосферы и подразделяются на три класса: рассеяние, поглощение и излучение. Задачи оптики атмосферы, метеорологии, космофизики и теории переноса излучения охватывают широкий диапазон спектра излучения Солнца – от рентгеновских лучей до коротковолновых радиоволн. В этом широком диапазоне расположено огромное количество спектральных полос поглощения, определяющих световой, спектральный и цветовой режим нашей земной атмосферы. Особо следует отметить, что свет от небесного свода поляризован, тогда как солнечный свет вне границ атмосферы не поляризован.

Общая структура разделов оптики атмосферы, касающаяся распространения солнечной радиации в атмосфере:

1. Поглощение;

2. Рассеяние;

3. Учет однократного и многократного рассеяния и поглощения (уравнение переноса излучения);

4. Учет рефракции.

Эти 4 раздела мы будем изучать, обращая внимание, прежде всего, на описание и объяснение:

• световых и цветовых явлений в земной атмосфере в различных условиях;

• состояний метео и оптической погоды.

Опираясь на рис. 1, проведем анализ процессов взаимодействия электромагнитного излучения Солнца с атмосферой Земли при его прохождении от верхней границы атмосферы до поверхности Земли.