Прозорість земної атмосфери
Прозорість земної атмосфери – здатність атмосфери пропускати спрямоване випромінювання. Розрізняють поняття "прозорість середовища" та "пропускання випромінювання середовищем". Середовище може бути непрозорим (хмари, молочне скло та ін.) і в той же час може пропускати розсіяне світло. Але стосовно атмосфері під пропусканням зазвичай розуміють частку пропускання атмосферою лише спрямованого випромінювання, тому характеристики пропускання і прозорість земної атмосфери близькі між собою.
Поняття прозорості земної атмосфери зв'язувалося зазвичай із можливістю чіткого бачення віддалених предметів і вогнів, т. е. з умовами пропускання атмосферою видимого випромінювання. В даний час це поняття використовується для характеристики випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль від рентг. та гамма-випромінювання аж до мікрохвильового.
Розрізняють спектральну та інтегральну прозорість земної атмосфери. Під спектральною прозорістю земної атмосфери розуміють здатність атмосфери пропускати направлене квазимонохроматич. випромінювання, тобто. випромінювання у порівняно вузьких ділянках спектра. Під інтегральною прозорістю земної атмосфери розуміється здатність атмосфери пропускати спрямоване випромінювання у широких ділянках спектра. Для кількісного вираження прозорості земної атмосфери застосовуються різні властивості. наиб. вживаними є: коэф. пропускання, коеф. прозорості, фактор каламутності та метеорологіч. дальність видимості.
У випадку прозорість середовища характеризується коэф. пропускання t - ставленням потоку, що пройшов через середовище, до потоку, що впав на неї. Величину, обернену t, зв. коеф. ослаблення. Відношення потоку випромінювання Ф, що пройшло атмосферу у вертикальному напрямку, до позаатмосферного значення потоку зв. коеф.Прозорість земної атмосфери Ця характеристика безпосередньо з вимірювань не визначається, тому що джерело випромінювання (зазвичай використовують Сонце) буває в зеніті лише в окремих випадках. Залежність потоку пройшла через атмосферу квазимонохроматич. радіації F від повітряної (оптич.) маси т у напрямку на Сонце (тобто від відношення оптич. шляхів похилого та вертикального променів) має вигляд
Коеф. пропускання середовища t може бути представлений у вигляді
де інтеграл береться вздовж шляху поширення випромінювання - довжина шляху. У разі однорідного середовища Величина зв. об'ємним показником ослаблення. Він складається з об'ємного показника розсіювання та об'ємного показника поглинання. При проходженні випромінювання через атмосферу у вертикальному напрямку
де-оптична товщина (товща) атмосфери.
Закон Бугера – Ламберта (див. Бугера – Ламберта – Бера закон) отриманий для квазимонохроматич. випромінювання. При використанні його для розрахунків інтегральних потоків виявляється денний хід коеф, що здається. прозорість. Зі збільшенням повітряної маси т (т. е. зі зменшенням висоти Сонця над горизонтом) в потоці, що проходить, збільшується частка ДВ-радіації, для якої атмосфера більш прозора, що призводить до здається збільшення П. з. а. (Ефект Fорбса). Для виключення впливу цього ефекту коеф. інтегральної прозорості р, отримані при разл. висотах Сонця, наводяться за спеціальними номограмами до коеф. інтегральної прозорості при певній повітряній масі Зазвичай приймається = 2 (тобто висота Сонця дорівнює Коеф. регулярно визначаються на метеостанціях і широко використовуються в актинометрії, при вивченні атм. процесів, при розрахунках радіаційних потоків, радіаційних балансу земної поверхні і т.д.
Визначення коеф. прозорості земної атмосфери провадиться за даними абс. та відносить. вимірів. За абс. вимірюваннях потік променистої енергії Сонця перетворюється на теплову енергію, к-раю і реєструється. Знаючи сонячну постійну, отже, і позаатмосферне значення потоку по ф-ле (1) визначають коэф. прозорість земної атмосфери. Вимірювання проводяться на актинометрич. станціях за допомогою піргеліометрів та актинометрів. Даними відносить. вимірювань прямої сонячної радіації користуються щодо коэф. прозорості земної атмосфери методами Бугера - "довгим" та "коротким". При визначенні прозорості земної атмосфери "довгим" методом вимірювання потоків F проводять за різної висоти Сонця (т. е. за різних т). Коеф. r визначається за нахилом прямої залежності IgФ від т, припущення, що протягом вимірювань прозорості земної атмосфери залишалася постійною. При відомому для даного фотометра значенні позаатмосферної константи (віднос. одиницях) визначення p може здійснюватися т.з. коротким методом позаатмосферного блиску ф-ле (1).
Більш чутливою характеристикою прозорості земної атмосфери є т.зв. фактор каламутності атмосфери Т – відношення оптич. товщ реальної та ідеальної (релеєвської, тобто коли прозорість земної атмосфери визначається тільки релеївським розсіюванням світла) атмосфер. Розглядаючи оптич. товщу реальної атмосфери як суму оптич. товщ ідеальної атмосфери, водяної пари аерозолю отримують
Величину зв. вологою каламутністю, величину
- Залишкової каламутністю атмосфери. Оскільки ефект Форбса позначається одночасно на прозорості як реальної, так і ідеальної атмосфер, фактор каламутності майже не залежить від висоти Сонця.
Прозорість земної атмосфери у разл. ділянках спектрурізко змінюється. Так, КВ-випромінювання Сонця (l 300 нм) досягає поверхні Землі і надає осн. сприятливий вплив на розвиток біол. систем.
В області спектру 350-4200 нм земна атмосфера має ряд "вікон прозорості" (рис. 2; наведена крива відповідає літнім умовам в порівн. широтах та загальному вмісту водяної пари, що дорівнює 2 см осадженої води) і в цілому відносно прозора.
Рис 1.
Мал. 2.
Ок. 94% загального потоку сонячної енергії на верх, межу атмосфери посідає саме цю область, причому осн. частина енергії доходить до Землі. Завдяки цьому Земля має сприятливий для життя клімат. Ослаблення сонячної радіації у КВ-частині цієї області спектра відбувається гол. обр. рахунок розсіювання випромінювання на молекулах (релеев-ское розсіювання) і частинках аерозолю (аерозольне розсіювання). У ДВ-частині цієї області сонячне випромінювання послаблюється у смугах поглинання водяної пари, вуглекислого газу, озону та ряду ін. малих газових складових (NO2, CH4 та ін.).
Є також вікно прозорості в області спектру 8000-12000 нм. Коеф. пропускання сонячного випромінювання у цьому "вікні" коливається в порівн. не більше 60-70%. На ділянках спектру 5200-8000 нм і понад 15000 нм сонячне випромінювання практично повністю поглинається водяною парою.
У зв'язку з використанням лазерів розвиваються дослідження особливостей поширення лазерного променя в атмосфері. Через високу монохроматичність лазерного випромінювання навіть у "вікнах прозорості" атмосфери лазерний промінь може сильно послаблюватися. У тонкій структурі спектра поглинання атмосфери у цих "вікнах" є відносно вузькі, але сильні смуги поглинання. Кількісні оцінки П. з. а. для лазерноговипромінювання вимагають знання (з дуже високою точністю) положення, інтенсивності та форми ліній тонкої структури спектрів атм. газів. Велика потужність випромінювання лазерів може викликати разл. роду нелінійні ефекти (багатофотонні ефекти, що призводять до пробою в газах; спектроскопич. ефекти насичення, що викликають часткове просвітлення газів; ефекти самофокусування оптич. пучків, що викликаються залежністю коеф. заломлення середовища від потужності потоку випромінювання, та ін). При малій тривалості оптич. імпульсів (с) можуть виникати явища, що призводять до відхилення послаблення випромінювання від закону Бугера.
Характеристикою горизонтальної П. з. а. найчастіше служить метеорологія, дальність видимості – наиб. відстань, на якій у світлий час доби можна розрізнити (виявити) неозброєним оком на тлі неба поблизу горизонту або на тлі повітряного серпанку чорний об'єкт, що має розміри більш ніж Величина пов'язана з показником розсіювання співвідношенням
Широко використовуються інструментальні методи визначення метеорологіч. дальності видимості, у своїй виміряє. прилади часто градуюються також у одиницях по ф-ле (4). У табл. наводяться шкала видимості (у балах), відповідні їй межі та об'ємні показники розсіювання
Шкала видимості, відповідні їй межі та об'ємні показники розсіювання