АТМОСФЕ́РНАЯ О́ПТИКА

АТМОСФЕ́РНАЯ О́ПТИКА, раз­дел фи­зи­ки ат­мо­сфе­ры, в ко­то­ром изу­ча­ют­ся оп­тич. яв­ле­ния, на­блю­дае­мые в ат­мо­сфе­ре Зем­ли и воз­ни­каю­щие в осн. в ре­зуль­тате реф­рак­ции, по­гло­ще­ния, рас­сея­ния и ди­фрак­ции про­хо­дя­ще­го че­рез неё све­та. К ним от­но­сят­ся та­кие кра­соч­ные яв­ле­ния, как за­ря, ра­ду­га, вен­цы, оре­ол, га­ло, ми­раж, а так­же по­ля­ри­за­ция све­та не­ба, по­ляр­ное сия­ние и др. Боль­шин­ст­во этих яв­ле­ний, а так­же си­ний цвет не­ба свя­за­ны с рас­сея­ни­ем све­та. Ра­ду­ги и гло­рии по­яв­ля­ют­ся при рас­сея­нии сол­неч­но­го све­та на ка­п­лях об­ла­ков, ту­ма­нов, мо­ро­си и до­ж­дя. Га­ло, лож­ные солн­ца и мн. др. яв­ле­ния обу­с­лов­ле­ны пре­лом­ле­ни­ем и от­ра­же­ни­ем све­та ле­дя­ны­ми кри­стал­ла­ми. Оре­ол и вен­цы во­круг Солн­ца и Лу­ны воз­ни­ка­ют вслед­ст­вие ди­фрак­ции све­та на ка­п­лях, кри­стал­лах и др. час­ти­цах.

Изу­че­ние рас­сея­ния све­та в ат­мо­сфе­ре тес­но свя­за­но с фи­зич. оп­ти­кой, оп­ти­кой дис­перс­ных сис­тем, мо­ря и пла­нет­ных ат­мо­сфер и тео­ри­ей пе­ре­но­са из­лу­че­ния. Имен­но ис­сле­до­ва­ние рас­сея­ния све­та в ат­мо­сфе­ре вне­сло боль­шой вклад в тео­рию рас­сея­ния и пе­ре­но­са из­лу­че­ния. Пер­вые по­пыт­ки объ­яс­нить си­ний цвет не­ба пред­при­ни­ма­ли Ле­о­нар­до да Вин­чи, Л. Эй­лер, И. Ньютон­. Пра­виль­ное в осн. объ­яс­не­ние дал Дж. Рэ­лей (1871). Со­глас­но тео­рии Рэ­лея, сол­неч­ные лу­чи рас­сеи­ва­ют­ся мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха про­пор­цио­наль­но $λ^{–4}$ ($λ$ – дли­на вол­ны све­та). Си­ние лу­чи, имею­щие бо­лее ко­рот­кую дли­ну вол­ны, рас­сеи­ва­ют­ся в 16 раз силь­нее, чем крас­ные, по­это­му цвет не­за­мут­нён­но­го не­ба (рас­се­ян­ный сол­неч­ный свет) – си­ний. Цвет за­хо­дя­ще­го Солн­ца – крас­ный, по­сколь­ку его лу­чи низ­ко над го­ри­зон­том про­хо­дят боль­шой путь в ат­мо­сфе­ре, при этом си­няя об­ласть сол­неч­но­го спек­тра за­мет­но ос­лаб­ля­ет­ся. Бе­лый цвет об­ла­ков и ту­ма­нов объ­яс­ня­ет­ся тем, что час­ти­цы об­ла­ков мно­го­крат­но и при­мер­но оди­на­ко­во рас­сеи­ва­ют свет всех длин волн в ви­ди­мой об­лас­ти спек­тра. Свет не­ба силь­но по­ля­ри­зо­ван, макс. по­ля­ри­за­ция на­блю­да­ет­ся под уг­лом 90° к на­прав­ле­нию на Солн­це. По­ля­ри­за­цию све­та не­ба от­крыл в 1809 Д. Ара­го.

Из­ме­ре­ния яр­ко­сти, цве­та и по­ля­ри­за­ции све­та не­ба под­твер­жда­ли тео­рию Рэ­лея. Но в 1907 Л. И. Ман­дель­штам по­ка­зал, что в од­но­род­ных сре­дах рас­се­ян­ные мо­ле­ку­ла­ми лу­чи бу­дут га­сить друг дру­га в ре­зуль­та­те ин­тер­фе­рен­ции, так что ни­ка­ко­го рас­сея­ния во­об­ще на­блю­дать­ся не бу­дет. Он уточ­нил, что рас­сея­ние све­та в ат­мо­сфе­ре про­ис­хо­дит не на мо­ле­ку­лах, а на флук­туа­циях плот­но­сти воз­ду­ха. Стро­гую тео­рию флук­туа­ци­он­но­го рас­сея­ния раз­ви­ли Л. И. Ман­дель­штам, М. Смо­лу­хов­ский и А. Эйн­штейн.

Как пра­ви­ло, ат­мо­сфе­ра в той или иной сте­пе­ни за­мут­не­на. В за­ви­си­мо­сти от сте­пе­ни за­мут­нён­но­сти раз­ли­ча­ют дым­ку, ту­ман, пыль­ную мглу, дым и др. За­мут­не­ние ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха обу­слов­ле­но со­дер­жа­щи­ми­ся в нём час­ти­ца­ми, раз­ме­ры ко­то­рых из­ме­ня­ют­ся при­мер­но от 1 нм до 1 см (аэ­ро­зо­ли, кап­ли во­ды, ле­дя­ные кри­стал­лы, пес­чин­ки и пыль­ца рас­те­ний, мо­рось и т. п.). Ре­шаю­щее зна­че­ние в рас­сея­нии све­та в ат­мо­сфе­ре име­ют аэ­ро­зо­ли с раз­ме­ра­ми час­тиц 0,1–1,0 мкм, со­из­ме­ри­мы­ми с дли­на­ми волн ви­ди­мой об­лас­ти спек­тра (0,4–0,8 мкм).

Тео­рия рас­сея­ния све­та на сфе­рич. час­ти­цах раз­ра­бо­та­на нем. фи­зи­ком Г. Ми (1908), до­пол­не­на В. В. Шу­лей­ки­ным, В. А. Фо­ком, К. С. Шиф­ри­ным и голл. учё­ным Х. ван де Хюл­стом. При силь­ной за­мут­нён­но­сти су­ще­ст­вен­ный вклад вно­сят мно­го­крат­ное рас­сея­ние и от­ра­же­ние от зем­ной по­верх­но­сти. Урав­не­ние пе­ре­но­са из­лу­че­ния по­лу­че­но О. Д. Хволь­со­ном (1890), да­лее тео­рия пе­рено­са из­лу­че­ния раз­ви­та В. А. Ам­бар­цумя­ном (1941–43), Е. С. Куз­не­цо­вым (1943–45) и В. В. Со­бо­ле­вым (1956). За­да­ча пе­ре­но­са по­ля­ри­зов. из­лу­че­ния в без­аэ­ро­золь­ной ат­мо­сфе­ре впер­вые ре­ше­на С. Чан­д­ра­се­ка­ром (1950). Оп­тич. свой­ст­ва ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха (и аэ­ро­зо­ля) не­об­хо­ди­мо знать при рас­чё­тах све­то­во­го по­ля в ат­мо­сфе­ре. Ин­ди­кат­ри­су рас­сея­ния све­та (фа­зо­вую функ­цию, ко­эф. на­прав­лен­но­го све­то­рас­сея­ния) впер­вые оп­ре­де­лил В. Г. Фе­сен­ков (1934). Пер­вые из­ме­ре­ния по­ля­ри­за­ции све­та, рас­се­ян­но­го при­зем­ным воз­ду­хом, вы­пол­ни­ли И. А. Хво­сти­ков и нем. учёный К. Булль­рих (1946). По­гло­ще­ние све­та ат­мо­сфер­ным аэ­ро­зо­лем за­мет­но влия­ет на ра­ди­ац. ре­жим ат­мо­сфе­ры и кли­мат. Оцен­ки ра­ди­ац. эф­фек­тов аэро­золь­но­го по­гло­ще­ния по­лу­чи­ли К. Я. Кон­д­рать­ев и Е. М. Фей­гель­сон.

За­мет­ную роль в пе­ре­но­се из­лу­че­ния иг­ра­ют во­дя­ной пар, уг­ле­кис­лый газ и озон, не­смот­ря на их не­боль­шую объ­ём­ную кон­цен­тра­цию. Влия­ние га­зов на пе­ре­нос из­лу­че­ния в зем­ной ат­мо­сфе­ре ис­сле­ду­ет­ся ат­мо­сфер­ной спек­тро­ско­пи­ей. По дан­ным оп­тич. из­ме­ре­ний мож­но оп­ре­де­лять ха­рак­те­ри­сти­ки ат­мо­сфер­но­го аэ­ро­зо­ля, темп-ру и влаж­ность воз­ду­ха, кон­цен­тра­ции озо­на, ди­ок­си­да азо­та и др. га­зов. Раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды рас­чё­та функ­ции рас­пре­де­ле­ния час­тиц аэ­ро­золя по раз­ме­рам на ос­но­ве из­ме­ре­ний ин­ди­кат­ри­сы рас­сея­ния и спек­траль­ных из­ме­ре­ний ко­эф. ос­лаб­ле­ния. С по­яв­ле­ни­ем ла­зе­ров и раз­ви­ти­ем ме­то­дов ла­зер­но­го зон­ди­ро­ва­ния стал воз­мо­жен ре­гу­ляр­ный кон­троль за вы­сот­ны­ми про­фи­ля­ми аэ­ро­зо­ля и озо­на. Важ­ную для тео­рии кли­ма­та ин­фор­ма­цию об ат­мо­сфер­ном аэ­ро­зо­ле да­ёт гло­баль­ная сеть стан­ций АЕRONЕТ, ос­на­щён­ная мно­го­ка­наль­ны­ми фо­то­мет­ра­ми для из­ме­ре­ния спек­траль­ной про­зрач­но­сти ат­мо­сфе­ры.