Коротко об аэрозолях в атмосфере

Состав, распределение по размерам, радиусы, концентрация и изменчивость (по сравнению с молекулярным составом атмосферы), происхождение, спектральные характеристики – это содержание большого раздела, так называемой, оптики аэрозоля.

Точно также определяются и объемные коэффициенты поглощения (absorption) и ослабления (extinction)

В видимой области, где практически (кроме слабой полосы поглощения озоном) нет других поглощающих газов. Поэтому:

Уравнение переноса излучения

Теперь, когда мы знаем что такое коэффициенты ослабления и индикатриссы, коротко (без вывода) представим так называемое уравнение переноса излучения. В самом общем виде оно выглядит как

В плоскопараллельной атмосфере (без учета кривизны Земли и слоев атмосферы) оно выглядит как:

где . Здесь – яркость излучения ( ) распространяющегося в направлении ( ; , – индикатриса рассеяния. Значение берется со знаком "-" для нисходящего потока излучения и со знаком "+" для восходящего. Вспомните, как проводится интегрирование по углам и в теории Соре. Третий член справа в уравнении – учет альбедо земной поверхности.

Для нисходящего потока без учета подсветки (вторичного рассеяния) получаем уравнение ослабления света в окне прозрачности (0.3 – 0.8 мкм) – дифференциальное уравнение Бугера, которое выглядит следующим образом (учитывая, что мы имеем дело с солнечной радиацией, т.е. берем со знаком "-"):

Перепишем формулу в виде

В оптическом окне прозрачности эта формула записывается в виде

с учетом релеевского и аэрозольного рассеяния и поглощения озоном ( – общее содержание озона в атмосфере). Соответствующие релеевская , аэрозольная и озонная массы будут рассмотрены позднее.

Видимость в атмосфере

Механизмы, формирующие видимость объектов в атмосфере:

1. Рассеяние света в атмосфере.

2. Ослабление потока в световом луче.

3. Как результат взаимодействия 1 и 2 механизмов, ограничение «видимости».

Под «видимостью» подразумевается насколько хорошо можно видеть объект при определенных метеоусловиях.

При этом различается:

А) Видимость в дневное время. Основной источник света – солнце. Насколько ясно, контрастно видны нам окружающие предметы, особенности ландшафта, далекие объекты. Зависит от множества факторов: освещенности, прозрачности или мутности атмосферы, наличия или отсутствия осадков, всего того, что можно называть оптической погодой.

Иначе, взаимодействие механизмов рассеяния и ослабления света в световом луче и образование дымки.

Б) Видимость огней или видимость в ночное время. Исключая сумеречное время, когда Солнце уже зашло, но предметы еще освещаются рассеянным светом (прямые лучи Солнца уже не освещают поверхность земли в точке наблюдения).

Дальность видимости

Глаз - удивительное устройство зрения животных в процессе их эволюции к человеку.

Человеческий глаз сложный "оптический" прибор, чувствительными элементами которого являются палочки, ответственные за контрастную чувствительность глаза и колбочки, определяющие яркостную чувствительность глаза.

При длительной адаптации глаз способен зафиксировать поток световой энергии или яркость в несколько квантов (это соответствует фиксации свечи, удаленной на несколько десятков километров (без учета рассеяния в пустоте)).

В то же время, при наличии фоновых засветок, например, при разглядывании предмета на фоне стены или на фоне горизонта (далее, рассмотрим, что такое с оптической точки зрения горизонт), глаз гораздо чувствительнее не к абсолютной яркости отдельных источников (например, стен дома, огней или звезд на небосклоне), а к световому контрасту предмета на фоне какого-либо объекта (дом на фоне леса или объект на фоне горизонта).

Поэтому вводятся две шкалы: шкала яркостной чувствительности и шкала контрастной чувствительности.

Видимость зависит от:

1. Величины освещенности объекта.

2. Яркости и цвета предмета и фона.

3. Формы и размера объекта.

4. Прозрачности атмосферы.

5. Особенности зрения наблюдателя.

6. Вторичного и многократного рассеянного излучения солнца.

7. Отражения от окружающих предметов и земной поверхности.

На рисунке 22 приведена схема формирования светового потока приходящего в глаз наблюдателя или окуляр прибора в телесном угле или апертуре прибора dω.

При этом ось угла dω направлена горизонтально поверхности земли и на пути луча нет предметов затеняющих или отражающих поток. Иначе, взгляд наблюдателя или ось прибора направлена на незакрытый горизонт.

Этот световой поток формируется по крайней мере тремя факторами:

1. Первичным рассеянием потока солнечного излучения в телесном угле dω в направлении угла φ (угла рассеяния).

2. Вторичным (или многократным) рассеянием, в окружающей конус атмосфере, попавшим в конус dω и рассеянным в направлении φ.

3. Попавший в конус dω и рассеянный в направлении φ отраженный от подстилающей поверхности прямой солнечный и рассеянный в атмосфере свет.

4. Все эти три фактора, а также коэффициент рассеяния α, считаются константами в задаче.

Составляющие рассеянной в направлении оси зрения радиации a), b) и c) составляют так называемую яркость дымки. Выделенный на расстоянии элемент объема (см. рис. 22), рассеивает в направлении излучение:

Интегрируя, получим: , его решение

Пределы: ; .

H называется яркостью горизонта или яркостью дымки. Отсюда

) – уравнение Кошмидера или световоздушное уравнение. Его вид представлен на рисунке 23.

На рисунке хорошо видно, что при увеличении коэффициента рассеяния расстояние насыщения дымки все дальше удаляется от наблюдателя.