Рефракция астрономическая. Что такое атмосферная рефракция

Рефракция астрономическая - явление преломления световых лучей от небесных светил при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность планетных атмосфер всегда убывает с высотой, преломление света происходит таким образом, что своей выпуклостью искривленный луч во всех случаях обращен в сторону зенита. В связи с этим рефракция всегда "приподнимает" изображения небесных светил над их истинным положением.

Величина рефракции, то есть угол между истинным и видимым положениями светила на небосклоне, связана с длиной пробега луча в атмосфере и углом наклона луча к атмосферным слоям равной плотности. Рефракция равна нулю в зените и возрастает по мере удаления от зенита с приближением к горизонту. Для наблюдений с поверхности Земли величина рефракции r выражается приближенной формулой r=60,2"tg z , где z - видимое зенитное расстояние светила (смотрите Небесные координаты). Эта формула остается справедливой лишь для z<70 градусов. Ближе к горизонту рефракция характеризуется большими величинами.

Величина рефракции в данный момент времени для данного пункта наблюдений меняется в зависимости от температуры, давления, влажности и других метеорологических факторов. При выполнении высокоточных астрономических измерений (смотрите Астрометрия) рефракция учитывается путем введения в результаты измерений соответствующих поправок.

Рефракция вызывает на Земле ряд оптико-атмосферных эффектов: увеличение долготы дня вследствие того, что солнечный диск из-за рефракции поднимается над горизонтом на несколько минут раньше момента, в который Солнце должно было бы взойти на основании геометрических соображений; сплюснутость видимых дисков Луны и Солнца близ горизонта из-за того, что нижний край дисков поднимается рефракцией выше, чем верхний; мерцание звезд и другое. Вследствие различия величины рефракции у световых лучей с разной длиной волны (синие и фиолетовые лучи отклоняются больше, чем красные) вблизи горизонта происходит кажущееся окрашивание небесных светил.

Соответствующие поправки величины рефракции используются при наблюдениях звезд, планет и других светил, удаленных на очень большие расстояния от Земли. Для более близких небесных тел, которые находятся, скажем, ближе Луны, влияние рефракции несколько отлично от известных величин. Связано это с тем, что вследствие искривления луча света в атмосфере направления на близкие светила из точки, где стоит наблюдатель, и из точки, в которой луч света входит в земную атмосферу, непараллельны и составляют небольшой угол. Этот угол называют рефракционным параллаксом. Поправка за рефракционный параллакс вносится в результаты наблюдений Луны (до 1,2 угловой секунды) и искусственных спутников Земли (до нескольких десятков минут).

Энциклопедический словарь юного астронома, 1980 год

Астрономическая рефракция

Проходя через земную атмосферу, лучи света изменяют прямолинейное направление. Вследствие увеличения плотности атмосферы преломление световых лучей усиливается по мере приближения к поверхности Земли. В результате наблюдатель видит небесные светила как бы приподнятыми над горизонтом на угол, получивший название астрономической рефракции.

Рефракция является одним из главных источников как систематических, так и случайных ошибок наблюдений. В 1906г. Ньюкомб писал, что нет такой отрасли практической астрономии, о которой бы так много писали, как о рефракции, и которая была бы в таком неудовлетворительном состоянии. До середины 20 века астрономы редуцировали свои наблюдения по таблицам рефракции, составленным в 19 веке. Основным недостатком всех старых теорий было неточное представление о строении земной атмосферы.

Примем поверхность Земли АВ за сферу радиуса ОА=R, а атмосферу Земли представим в виде концентрических с ней слоёв ав, а 1 в 1 , а 2 в 2 …с плотностями, увеличивающимися по мере приближения слоёв к земной поверхности (рис.2.7). Тогда луч SA от какого-нибудь очень отдалённого светила, преломляясь в атмосфере, придёт в точку А по направлению S¢A, отклонившись от своего первоначального положения SA или же от параллельного ему направления S²A на некоторый угол S¢AS²=r , называемый астрономической рефракцией. Все элементы криволинейного луча SA и окончательное видимое его направление AS¢ будут лежать в одной и той же вертикальной плоскости ZAOS. Следовательно, астрономическая рефракция только повышает истинное направление на светило в проходящей через него вертикальной плоскости.

Угловое возвышение светила над горизонтом в астрономии называют высотой светила. Угол S¢AH = h¢ будет видимой высотой светила, а угол S²AH = h = h¢ - r есть истинная его высота. Угол z – истинное зенитное расстояние светила, а z ¢ является видимым его значением.

Величина рефракции зависит от многих факторов и может изменяться в каждом месте на Земле даже в течение суток. Для средних условий получена приближённая формула рефракции:

Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)

Коэффициент 0,9666 соответствует плотности атмосферы при температуре +10°С и давлении 760мм ртутного столба. Если характеристики атмосферы другие, то поправку за рефракцию, рассчитанную по формуле (2.1), необходимо корректировать поправками за температуру и давление.

Рис.2.7.Астрономическая рефракция

Для учёта астрономической рефракции в зенитальных способах астрономических определений во время наблюдения зенитных расстояний светил измеряют температуру и давление воздуха. В точных способах астрономических определений зенитные расстояния светил измеряются в пределах от 10° до 60°. Верхний предел обусловлен инструментальными ошибками, нижний – ошибками таблиц рефракции.

Зенитное расстояние светила, исправленное поправкой за рефракцию, вычисляется по формуле:

Средняя (нормальная при температуре +10°С и давлении 760мм рт. ст.) рефракция, вычисляемая по z ¢;

Коэффициент, учитывающий температуру воздуха, вычисляемый по значению температуры;

B – коэффициент, учитывающий давление воздуха.

Теорией рефракции занимались многие учёные. Первоначально в качестве исходного служило предположение, что плотность различных слоёв атмосферы уменьшается с увеличением высоты этих слоёв в арифметической прогрессии (Буге). Но вскоре это предположение было признано во всех отношениях неудовлетворительным, так как оно приводило к слишком малой величине рефракции и к слишком быстрому уменьшению температуры с высотой над поверхностью Земли.

Ньютон высказал гипотезу об уменьшении плотности атмосферы с высотой по закону геометрической прогрессии. И эта гипотеза оказалась неудовлетворительной. По этой гипотезе выходило, что температура во всех слоях атмосферы должна оставаться постоянной и равной температуре на поверхности Земли.

Самой остроумной оказалась гипотеза Лапласа, промежуточная между двумя вышеизложенными. На этой гипотезе Лапласа были основаны таблицы рефракции, которые ежегодно помещались во французском астрономическом календаре.

Земная атмосфера с её нестабильностью (турбуленция, вариации рефракции) налагает предел на точность астрономических наблюдений с Земли.

При выборе места установки крупных астрономических приборов предварительно всесторонне изучается астроклимат района, под которым понимается совокупность факторов, искажающих форму проходящего через атмосферу волнового фронта излучения небесных объектов. Если волновой фронт доходит до прибора неискажённым, то прибор в этом случае может работать с максимальной эффективностью (с разрешающей способностью, приближающейся к теоретической).

Как выяснилось, качество телескопического изображения снижается главным образом из-за помех, вносимых приземным слоем атмосферы. Земля благодаря собственному тепловому излучению в ночное время значительно охлаждается и охлаждает прилегающий к ней слой воздуха. Изменение температуры воздуха на 1°С изменяет его показатель преломления на 10 -6 . На изолированных горных вершинах толщина приземного слоя воздуха со значительным перепадом (градиентом) температуры может достигать несколько десятков метров. В долинах и на равнинных местах в ночное время этот слой значительно толще и может составлять сотни метров. Этим объясняется выбор мест для астрономических обсерваторий на отрогах хребтов и на изолированных вершинах, откуда более плотный холодный воздух может стекать в долины. Высоту башни телескопа выбирают такой, чтобы прибор находился выше основной области температурных неоднородностей.

Важным фактором астроклимата является ветер в приземном слое атмосферы. Перемешивая слои холодного и тёплого воздуха, он вызывает появление неоднородностей плотности в столбе воздуха над прибором. Неоднородности, размеры которых меньше диаметра телескопа, приводят к дефокусировке изображения. Более крупные флуктуации плотности (в несколько метров и крупнее) не вызывают резких искажений фронта волны и приводят в основном к смещению, а не к дефокусировке изображения.

В верхних слоях атмосферы (в тропопаузе) также наблюдаются флуктуации плотности и показателя преломления воздуха. Но возмущения в тропопаузе не влияют заметно на качество изображений, даваемых оптическими приборами, так как температурные градиенты там значительно меньше, чем в приземном слое. Эти слои вызывают не дрожание, а мерцание звёзд.

При астроклиматических исследованиях устанавливают связь между количеством ясных дней, регистрируемых метеослужбой, и числом ночей, пригодных для астрономических наблюдений. Наивыгоднейшими районами, по данным астроклиматического анализа территории бывшего СССР, являются некоторые горные районы среднеазиатских государств.

Земная рефракция

Лучи от наземных предметов, если они проходят в атмосфере достаточно большой путь, также испытывают рефракцию. Траектория лучей под влиянием рефракции искривляется, и мы видим их не на тех местах или не в том направлении, где они в действительности находятся. При некоторых условиях в результате земной рефракции возникают миражи – ложные изображения удалённых объектов.

Углом земной рефракции a называется угол между направлением на видимое и действительное положение наблюдаемого предмета (рис.2.8). Значение угла a зависит от расстояния до наблюдаемого предмета и от вертикального градиента температуры в приземном слое атмосферы, в котором происходит распространение лучей от наземных предметов.

Рис.2.8. Проявление земной рефракции при визировании:

а) – снизу вверх, б) – сверху вниз, a - угол земной рефракции

С земной рефракцией связана геодезическая (геометрическая) дальность видимости (рис.2.9). Примем, что наблюдатель находится в точке А на некоторой высоте h Н над земной поверхностью и наблюдает горизонт в направлении точки В. Плоскость НАН – горизонтальная плоскость, проходящая через точку А перпендикулярно радиусу земного шара, называется плоскостью математического горизонта. Если бы лучи света распространялись в атмосфере прямолинейно, то самая далёкая точка на Земле, которую может увидеть наблюдатель из точки А, была бы точка В. Расстояние до этой точки (касательная АВ к земному шару) и есть геодезическая (или геометрическая) дальность видимости D 0 . Круговая линия на земной поверхности ВВ – геодезический (или геометрический) горизонт наблюдателя. Величина D 0 обусловлена только геометрическими параметрами: радиусом Земли R и высотой h Н наблюдателя и равна D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H , что следует из рис.2.9.

Рис.2.9. Земная рефракция: математический (НН) и геодезический (ВВ) горизонты, геодезическая дальность видимости (АВ=D 0)

Если наблюдатель наблюдает некоторый предмет, находящийся на высоте h пр над поверхностью Земли, то геодезической дальностью будет расстояние АС = 3,57(√ h H + √ h пр) . Эти утверждения были бы верными, если бы свет распространялся в атмосфере прямолинейно. Но это не так. При нормальном распределении температуры и плотности воздуха в приземном слое кривая линия, изображающая траекторию светового луча, обращена к Земле своей вогнутой стороной. Поэтому самой далёкой точкой, которую увидит наблюдатель из А, будет не В, а В¢. Геодезическая дальность видимости АВ¢ с учётом рефракции будет в среднем на 6-7% больше и вместо коэффициента 3,57 в формулах будет коэффициент 3,82. Геодезическая дальность вычисляется по формулам

, h - в м, D - в км, R - 6378 км

где h н и h пр – в метрах, D – в километрах.

Для человека среднего роста дальность горизонта на Земле составляет около 5км. Для космонавтов В.А.Шаталова и А.С.Елисеева, летавших на космическом корабле «Союз-8», дальность горизонта в перигее (высота 205км) была 1730км, а в апогее (высота 223км) – 1800км.

Для радиоволн рефракция почти не зависит от длины волны, но помимо температуры и давления зависит ещё от содержания в воздухе водяного пара. При одинаковых условиях изменения температуры и давления радиоволны преломляются сильнее, чем световые, особенно при большой влажности.

Поэтому в формулах для определения дальности горизонта или обнаружения предмета лучом радиолокатора перед корнем будет коэффициент 4,08. Следовательно, горизонт радиолокационной системы оказывается дальше примерно на 11%.

Радиоволны хорошо отражаются от земной поверхности и от нижней границы инверсии или слоя пониженной влажности. В таком своеобразном волноводе, образованном земной поверхностью и основанием инверсии, радиоволны могут распространяться на очень большие расстояния. Эти особенности распространения радиоволн успешно используются в радиолокации.

Температура воздуха в приземном слое, особенно в его нижней части, далеко не всегда падает с высотой. Она может уменьшаться с разной скоростью, она может не изменяться по высоте (изотермия) и может увеличиваться с высотой (инверсия). В зависимости от величины и знака градиента температуры рефракция может по-разному влиять на дальность видимого горизонта.

Вертикальный градиент температуры в однородной атмосфере, в которой плотность воздуха с высотой не изменяется, g 0 = 3,42°С/100м. Рассмотрим, какой будет траектория луча АВ при разных градиентах температуры у поверхности Земли.

Пусть , т.е. температура воздуха убывает с высотой. При этом условии убывает с высотой и показатель преломления. Траектория светового луча в этом случае будет обращена к земной поверхности своей вогнутой стороной (на рис. 2.9 траектория АВ ¢). Такую рефракцию называют положительной. Самую дальнюю точку В ¢ наблюдатель увидит в направлении последней касательной к траектории луча. Эта касательная, т.е. видимый за счёт рефракции горизонт, составляет с математическим горизонтом НАН угол D, меньший угла d . Угол d – это угол между математическим и геометрическим горизонтом без рефракции. Таким образом, видимый горизонт поднялся на угол (d - D) и расширился, так как D > D 0 .

Теперь представим, что g постепенно уменьшается, т.е. температура с высотой убывает всё медленнее и медленнее. Наступит момент, когда градиент температуры станет равным нулю (изотермия), а дальше градиент температуры становится отрицательным. Температура уже не убывает, а растёт с высотой, т.е. наблюдается инверсия температуры. При уменьшении градиента температуры и переходе его через ноль видимый горизонт будет подниматься выше и выше и наступит момент, когда D станет равным нулю. Видимый геодезический горизонт поднимется до математического. Земная поверхность как бы распрямилась, стала плоской. Геодезическая дальность видимости – бесконечно большая. Радиус кривизны луча стал равным радиусу земного шара.

При ещё более сильной температурной инверсии D становится отрицательным. Видимый горизонт поднялся выше математического. Наблюдателю в точке А будет казаться, что он находится на дне огромной котловины. Из-за горизонта поднимаются и становятся видимыми (как бы парят в воздухе) предметы, находящиеся далеко за геодезическим горизонтом (рис.2.10).

Такие явления можно наблюдать в полярных странах. Так, с Канадского берега Америки через пролив Смита можно иногда видеть берег Гренландии со всеми строениями на нём. Расстояние до гренландского берега около 70км, в то время как геодезическая дальность видимости составляет не более 20км. Другой пример. С английской стороны пролива Па-де-Кале из Гастингса доводилось видеть французский берег, лежащий через пролив на расстоянии около 75км.

Рис.2.10. Явление необычной рефракции в полярных странах

Теперь допустим, что g =g 0 , следовательно, плотность воздуха с высотой не изменяется (однородная атмосфера), рефракция отсутствует и D=D 0 .

При g > g 0 показатель преломления и плотность воздуха с высотой увеличиваются. В этом случае траектория световых лучей обращена к земной поверхности своей выпуклой стороной. Такую рефракцию называют отрицательной. Последняя точка на Земле, которую увидит наблюдатель в А, будет В². Видимый горизонт АВ² сузился и опустился на угол (D - d ).

Из рассмотренного можно сформулировать следующее правило: если вдоль распространения светового луча в атмосфере плотность воздуха (а, значит, и показатель преломления) изменяется, то световой луч будет изгибаться так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения плотности (и показателя преломления) воздуха.

Рефракция и миражи

Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения этого слова хорошо отражают сущность явления. Мираж – это изображение реально существующего на Земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету: верхние, нижние, боковые и сложные. Наиболее часто наблюдаются верхние и нижние миражи, которые возникают при необычном распределении плотности (и, следовательно, показателя преломления) по высоте, когда на некоторой высоте или у самой поверхности Земли имеется сравнительно тонкий слой очень тёплого воздуха (с малым показателем преломления), в котором лучи, идущие от наземных предметов, испытывают полное внутреннее отражение. Это происходит при падении лучей на этот слой под углом больше угла полного внутреннего отражения. Этот более тёплый слой воздуха и играет роль воздушного зеркала, отражающего попадающие в него лучи.

Верхние миражи (рис.2.11) возникают при наличии сильных температурных инверсий, когда плотность воздуха и показатель преломления с высотой быстро уменьшаются. В верхних миражах изображение располагается над предметом.

Рис.2.11. Верхний мираж

Траектории световых лучей показаны на рисунке (2.11). Предположим, что земная поверхность плоская и слои одинаковой плотности расположены параллельно ей. Так как плотность убывает с высотой, то . Тёплый слой, играющий роль зеркала, лежит на высоте. В этом слое, когда угол падения лучей становится равным показателю преломления (), происходит поворот лучей назад к земной поверхности. Наблюдатель может видеть одновременно сам предмет (если он не за горизонтом) и одно или несколько изображений над ним – прямых и перевёрнутых.

Рис.2.12. Сложный верхний мираж

На рис. 2.12 представлена схема возникновения сложного верхнего миража. Виден сам предмет аb , над ним его прямое изображение а¢b¢ , перевёрнутое в²b² и снова прямое а²¢b²¢ . Такой мираж может возникнуть, если плотность воздуха уменьшается с высотой сначала медленно, затем быстро и снова медленно. Изображение получается перевёрнутым, если лучи, идущие от крайних точек предмета, пересекутся. Если предмет находится далеко (за горизонтом), то сам предмет может быть и не видим, а его изображения, высоко поднятые в воздух, видны с больших расстояний.

Город Ломоносов находится на берегу Финского залива в 40км от Санкт-Петербурга. Обычно из Ломоносова Санкт-Петербург не виден совсем или виден очень плохо. Иногда же Санкт-Петербург виден «как на ладони». Это один из примеров верхних миражей.

К числу верхних миражей, по-видимому, следует отнести хотя бы часть так называемых призрачных Земель, которые десятилетиями разыскивали в Арктике и так и не нашли. Особенно долго искали Землю Санникова.

Яков Санников был охотником, занимался пушным промыслом. В 1811г. он отправился на собаках по льду к группе Новосибирских островов и с северной оконечности острова Котельный увидел в океане неизвестный остров. Достичь его он не смог, но сообщил об открытии нового острова правительству. В августе 1886г. Э.В.Толь во время своей экспедиции на Новосибирские острова тоже увидел остров Санникова и сделал запись в дневнике: «Горизонт совершенно ясный. В направлении на северо-восток, 14-18 градусов, ясно увидели контуры четырёх столовых гор, которые на востоке соединялись с низменной землёй. Таким образом, сообщение Санникова подтвердилось полностью. Мы вправе, следовательно, нанести в соответствующем месте на карту пунктирную линию и надписать на ней: «Земля Санникова».

Поискам Земли Санникова Толь отдал 16 лет жизни. Он организовал и провёл три экспедиции в район Новосибирских островов. Во время последней экспедиции на шхуне «Заря» (1900-1902гг.) экспедиция Толя погибла, так и не найдя Земли Санникова. Больше Землю Санникова не видел никто. Возможно, это был мираж, который в определённое время года появляется в одном и том же месте. Как Санников, так и Толь, видели мираж одного и того же острова, расположенного в этом направлении, только значительно дальше в океане. Может быть, это был один из островов Де-Лонга. Возможно, это был громадный айсберг – целый ледяной остров. Такие ледяные горы, площадью до 100км 2 , путешествуют по океану несколько десятков лет.

Не всегда мираж обманывал людей. Английский полярный исследователь Роберт Скотт в 1902г. в Антарктиде увидел горы, как бы висящие в воздухе. Скотт предположил, что дальше за горизонтом находится горная цепь. И, действительно, горная цепь была обнаружена позднее норвежским полярным исследователем Раулем Амундсеном как раз там, где и предполагал её нахождение Скотт.

Рис.2.13. Нижний мираж

Нижние миражи (рис.2.13) возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотой, т.е. при очень больших градиентах температуры. Роль воздушного зеркала играет тонкий приземный самый тёплый слой воздуха. Мираж называется нижним, так как изображение предмета размещается под предметом. В нижних миражах кажется, будто под предметом находится водная гладь и все предметы отражаются в ней.

В спокойной воде хорошо отражаются все стоящие на берегу предметы. Отражение в тонком нагретом от земной поверхности слое воздуха совершенно аналогично отражению в воде, только роль зеркала играет сам воздух. Состояние воздуха, при котором возникают нижние миражи, крайне неустойчивое. Ведь внизу, у земли, лежит сильно нагретый, а значит и более лёгкий воздух, а выше него – более холодный и тяжелый. Поднимающиеся от земли струи горячего воздуха пронизывают слои холодного воздуха. За счёт этого мираж меняется на глазах, поверхность «воды» кажется волнующейся. Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдёт обрушение, т.е. переворачивание воздушных слоёв. Тяжёлый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет. Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей является однородная, ровная подстилающая поверхность Земли, что имеет место в степях и пустынях, и солнечная безветренная погода.

Если мираж есть изображение реально существующего предмета, то возникает вопрос – изображение какой водной поверхности видят путники в пустыне? Ведь воды в пустыне нет. Дело в том, что кажущаяся водная поверхность или озеро, видимые в мираже, в действительности являются изображением не водной поверхности, а неба. Участки неба отражаются в воздушном зеркале и создают полную иллюзию блестящей водной поверхности. Такой мираж можно увидеть не только в пустыне или в степи. Они возникают даже в Санкт-Петербурге и его окрестностях в солнечные дни над асфальтовыми дорогами или ровным песчаным пляжем.

Рис.2.14. Боковой мираж

Боковые миражи возникают в тех случаях, когда слои воздуха одинаковой плотности располагаются в атмосфере не горизонтально, как обычно, а наклонно и даже вертикально (рис.2.14). Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещён Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней ещё холодные. Боковые миражи неоднократно наблюдались на Женевском озере. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи.

Сложного вида миражи, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража, например при значительной температурной инверсии на некоторой высоте над относительно тёплым морем. Плотность воздуха с высотой сначала увеличивается (температура воздуха понижается), а затем также быстро уменьшается (температура воздуха повышается). При таком распределении плотности воздуха состояние атмосферы весьма неустойчивое и подвержено внезапным изменениям. Поэтому вид миража меняется на глазах. Самые обыкновенные скалы и дома вследствие многократных искажений и увеличения на глазах превращаются в чудесные замки феи Морганы. Фата-моргана наблюдается у берегов Италии, Сицилии. Но она может возникнуть и в высоких широтах. Вот как описал виденную им в Нижнеколымске фата-моргану известный исследователь Сибири Ф.П.Врангель: «Действие горизонтальной рефракции произвело род фата-морганы. Горы, лежащие к югу, казались нам в разных искажённых видах и висящими в воздухе. Дальние горы представлялись опрокинутыми вниз вершинами. Река сузилась до того, что противоположный берег казался находящимся почти у наших изб».

Рефракция астрономическая - явление преломления световых лучей от небесных светил при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность планетных атмосфер всегда убывает с высотой, преломление света происходит таким образом, что своей выпуклостью искривленный луч во всех случаях обращен в сторону зенита. В связи с этим рефракция всегда «приподнимает» изображения небесных светил над их истинным положением (см. рис.).

Величина рефракции, т. е. угол между истинным и видимым положениями светила на небосклоне, связана с длиной пробега луча в атмосфере и углом наклона луча к атмосферным слоям равной плотности. Рефракция равна нулю в зените и возрастает по мере удаления от зенита с приближением к горизонту. Для наблюдений с поверхности Земли величина рефракции г выражается приближенной формулой , где z - видимое зенитное расстояние светила (см. Небесные координаты). Эта формула остается справедливой лишь для . Ближе к горизонту рефракция характеризуется величинами, приведенными в таблице.

Величина рефракции в данный момент времени для данного пункта наблюдений меняется в зависимости от температуры, давления, влажности и других метеорологических факторов. При выполнении высокоточных астрономических измерений (см. Астрометрия) рефракция учитывается путем введения в результаты измерений соответствующих поправок.

Рефракция вызывает на Земле ряд оптикоатмосферных эффектов: увеличение долготы дня вследствие того, что солнечный диск из-за рефракции поднимается над горизонтом на несколько минут раньше момента, в который Солнце должно было бы взойти на основании геометрических соображений; сплюснутость видимых дисков Луны и Солнца близ горизонта из-за того, что нижний край дисков поднимается рефракцией выше, чем верхний; мерцание звезд и др. Вследствие различия величины рефракции у световых лучей с разной длиной волны (синие и фиолетовые лучи отклоняются больше, чем красные) вблизи горизонта происходит кажущееся окрашивание небесных светил.

Приведенные в таблице поправки использую-ются при наблюдениях звезд, планет и других светил, удаленных на очень большие расстояния от Земли.

Для более близких небесных тел, которые находятся, скажем, ближе Луны, влияние рефракции несколько отлично от величин, приведенных в таблице. Связано это с тем, что вследствие искривления луча света в атмосфере направления на близкие светила из точки, где стоит наблюдатель, и из точки, в которой луч света входит в земную атмосферу, непараллельны и составляют небольшой угол. Этот угол называют рефракционным параллаксом. Поправка на рефракционный параллакс вносится в результаты наблюдений Луны (до ) и искусственных спутников Земли (до нескольких десятков минут).

Рефракция астрономическая - явление преломления световых лучей от небесных светил при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность планетных атмосфер всегда убывает с высотой, преломление света происходит таким образом, что своей выпуклостью искривленный луч во всех случаях обращен в сторону зенита. В связи с этим рефракция всегда «приподнимает» изображения небесных светил над их истинным положением (см. рис.).

Величина рефракции, т. е. угол между истинным и видимым положениями светила на небосклоне, связана с длиной пробега луча в атмосфере и углом наклона луча к атмосферным слоям равной плотности. Рефракция равна нулю в зените и возрастает по мере удаления от зенита с приближением к горизонту. Для наблюдений с поверхности Земли величина рефракции г выражается приближенной формулой r = 57" tg z, где z - видимое зенитное расстояние светила (см. Небесные координаты). Эта формула остается справедливой лишь для z<70°. Ближе к горизонту рефракция характеризуется величинами, приведенными в таблице.

Величина рефракции в данный момент времени для данного пункта наблюдений меняется в зависимости от температуры, давления, влажности и других метеорологических факторов. При выполнении высокоточных астрономических измерений (см. Астрометрия) рефракция учитывается путем введения в результаты измерений соответствующих поправок.

Рефракция вызывает на Земле ряд оптико-атмосферных эффектов: увеличение долготы дня вследствие того, что солнечный диск из-за рефракции поднимается над горизонтом на несколько минут раньше момента, в который Солнце должно было бы взойти на основании геометрических соображений; сплюснутость видимых дисков Луны и Солнца близ горизонта из-за того, что нижний край дисков поднимается рефракцией выше, чем верхний; мерцание звезд и др. Вследствие различия величины рефракции у световых лучей с разной длиной волны (синие и фиолетовые лучи отклоняются больше, чем красные) вблизи горизонта происходит кажущееся окрашивание небесных светил.

Приведенные в таблице поправки использую-ются при наблюдениях звезд, планет и других светил, удаленных на очень большие расстояния от Земли.

Для более близких небесных тел, которые находятся, скажем, ближе Луны, влияние рефракции несколько отлично от величин, приведенных в таблице. Связано это с тем, что вследствие искривления луча света в атмосфере направления на близкие светила из точки, где стоит наблюдатель, и из точки, в которой луч света входит в земную атмосферу, непараллельны и составляют небольшой угол. Этот угол называют рефракционным параллаксом. Поправка на рефракционный параллакс вносится в результаты наблюдений Луны (до 1,2") и искусственных спутников Земли (до нескольких десятков минут).

Астрономическая рефракция

Рис1.Астрономическаярефракция

Астрономическая рефракция - явление преломления (искривления) световых лучей
при прохождении через атмосферу, вызванное оптической неоднородностью атмосферного
воздуха. Вследствие уменьшения плотности атмосферы с высотой искривленный луч света обращен выпуклостью в сторону зенита (рис. Астрономическая рефракция). Рефракция изменяет зенитное расстояние (высоту) светил по закону: r = a * tg z,где: z - зенитное расстояние, a = 60,25" - постоянная рефракции для земной атмосферы (при t = 0 о С, p = 760 мм. рт. ст.).

Рис2. Искажение формыи угловых размеров светил атмосферной рефракцией

В зените рефракция минимальна -она возрастает по мере наклона к горизонту
до 35 о и сильно зависит от физических характеристик атмосферы: состава,плотности, давления, температуры. Вследствие рефракции истинная высота небесных светил всегда меньше их видимойвысоты: рефракция "поднимает" изображения светил над их истинными положениями. Искажаются форма и угловые размеры светил: на восходе и закате близ горизонта "сплющиваются" диски Солнца и Луны, поскольку нижний край диска поднимается рефракцией сильнее верхнего (рис.Искажение формы).
Искажается показатель преломления света в зависимости от длины волны: при очень чистой атмосфере человек может увидеть на заходе или восходе Солнца редкий "зеленый луч". Поскольку расстояния до звезд несравнимо превосходят их размеры, можно считать звезды точечными источниками света, лучи которых распространяются в пространстве по параллельным прямым. Преломление лучей звездного света в атмосферных слоях (потоках) разной плотности вызывает мерцание звезд - неравномерные усиления и ослабленияих блеска, сопровождающиеся изменениями их цвета "игрой звезд". Земная атмосфера рассеивает солнечный свет. Рассеяние света происходит на случайных микроскопических неоднородностях плотности воздуха, сгущениях и разрежениях размерами 10 -3 -10 -9 м. Интенсивность рассеяния света обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны (закон Рэлея). Сильнее всего рассеиваются фиолетовые, синие и голубые лучи, слабее всего - оранжевые и красные.
Вследствие этого земное небо имеет днем голубой цвет: наблюдатель воспринимает рассеянный в атмосфере солнечный свет, спектр излучения которого
сдвинут в сторону коротких волн. По той же причине далекие леса и горы кажутся нам голубыми и синими.
Диски Солнца и Луны на восходе и закате приобретают красный цвет: с приближением к горизонту удлиняется путь световых лучей, прошедших без рассеяния, спектр их сдвигается в сторону длинных волн.
Обратите внимание на зори: вначале узенькая,кроваво-красная полоска утренней зари бледнеет, розовеет, наливается желтизной, а небо в зените из темного, почти черного становится густо-фиолетовым, потом сиреневым, синим и голубым, а вечером все происходит наоборот. Ночью на Земле никогда не бывает абсолютно темно: рассеянный в атмосфере свет звезд и давно зашедшего Солнца создает ничтожно малую освещенность в 0,0003 лк.
Продолжительность светового времени суток -дня всегда превышает
промежуток времени от восхода до захода Солнца. Рассеяние солнечных лучей в
земной атмосфере порождает сумерки,плавный переход от светлого времени суток - дня к темному - ночи, и обратно. Сумерки возникают из-за подсвечивания верхних слоев атмосферы Солнцем, находящимся ниже линии горизонта. Продолжительность их определяется положением Солнца на
эклиптике и географической широтой места. Различают гражданские сумерки: период времени от захода Солнца (верхнего края солнечного диска) до его погружения на
6 о -7 о под горизонт; навигационные сумерки - до момента погружения Солнца под горизонт на 12 о и астрономические, - пока угол не составит 18 о.
На высоких (59,5 о) широтах Земли наблюдаются белые ночи - явление прямого перехода вечерних сумерек в утренние при отсутствии темного времени суток.
Сумеречные явления наблюдаются также в плотной атмосфере планеты Венера.

Космические явления

Небесные явления, возникающие вследствие данных космических явлений

Атмосферные явления

1) Атмосферная рефракция: - искажение небесных координат светил; - необходимость поправки экваториальных координат небесных светил на рефракцию; - искажение формы и угловых размеров небесных светил по высоте на восходе и закате; - мерцание звезд; - "зеленый луч". 2) Рассеяние света в атмосфере Земли: - голубой цвет дневного неба; - синий, сиреневый цвет вечернего (утреннего) неба; - сумерки. - продолжительность светового времени суток (дня) всегда превышает промежуток времени от восхода до захода Солнца; - белые ночи; полярный день и полярная ночь на высоких широтах; - свечение ночного неба; - заря; красный цвет зари; - покраснение дисков Солнца и Луны на восходе и закате.

А. Ю. РУМЯНЦЕВ
МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ АСТРОНОМИИ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ

С. В. Зверева
В мире солнечного света
Л., Гидрометеоиздат
1988
160 стр
Объем 5 Мб
Книга вводит читателя в яркий, красочный, а порой и загадочный, мир световых явлений в атмосфере. В ней рассказывается о таких знакомых читателю явлениях, как радуги, большие и малые круги вокруг Солнца или Луны. Многим, видевшим эти явления, небезынтересно узнать, как с научной точки зрения объясняется их возникновение. Почему, например, безоблачное небо голубое, а облачное белое? Почему ночное небо темное, а не ослепительно яркое, как Солнце? Читатель узнает, как возникают полярные сияния, миражи, какие необычные по яркости и краскам световые явления видят космонавты из космоса, и еще многое другое. Описаны и такие явления, которые многие не видели не потому, что они редко возникают, а просто потому, что не знали где, когда и на что надо смотреть. Это и подскажет читателю предлагаемая книга.
Книга рассчитана на широкий круг читателей, которые любят природу. Она будет полезна студентам метеорологических, географических, океанологических специальностей, а также школьникам для расширения представлений об окружающей природе.

Оглавление книги
Предисловие
РАССЕЯНИЕ СВЕТА
Глава 1. Старые и новые загадки небесного свода
Солнце как источник света
Ослабление солнечных лучей в атмосфере
Почему небо голубое? Почему Солнце красное?
Атмосферная дымка
О новых загадках небесного свода
Глава 2. Рассеяние солнечного света и его законы
Универсальность рассеяния света
Как происходит рассеяние света?
Атмосферный аэрозоль
Аэрозольное рассеяние
Количественные характеристики рассеянного света
Видели ли вы голубую Луну или зеленое Солнце?
Почему возможно применение радиолокации в облаках и туманах?
Индикатрисы рассеяния
Поляризация рассеянного света
Глава 3. Небесный свод
Что такое небесный свод?
Изменения цвета неба и его яркости
Распределение яркости по безоблачному небу
Околосолнечный ореол
Поляризация небесного свода
Положение максимумов и минимумов синевы, поляризации и яркости неба
Форма небесного свода
Оптические иллюзии, обусловленные формой небесного свода
Глава 4. Венцы, глории, нимбы
Венцы
Глории
Брокенский призрак
Нимбы
Иризация облаков
Кольцо Бишопа
Глава 5. Радуги
Сколько бывает радуг?
Как возникает радуга?
Лучи радуги
Вторая радуга и следующие
Почему радуга бывает разной?
Размер и форма капель и их влияние на вид радуги
Разгадан "секрет" добавочных дуг!
Радуга без дождя?
Туманная радуга
Лунные радуги
Глава 6. Гало
Многообразие форм гало
Ледяные кристаллы в облаках
Образование окрашенных гало
Белые гало
Редкие формы гало
Гало в Антарктиде
Моделирование гало
Нерешенные проблемы
Какие кристаллы за что "отвечают"?
Поляризация света гало

Скачать
М. Миннарт "Свет и цвет в природе"
Издательство: Наука
Год: 1969
Страниц: 344
Формат: DJVU
Размер: 2.9 Mb

Книга известного голландского астронома профессора Миннарта - не учебник и не популярное изложение давно известных истин. Это поэтический рассказ о больших и малых секретах природы, в которые может проникнуть наблюдательный читатель, не имеющий каких-либо приборов и не обладающий специальными знаниями.
Эрудиция автора - его удивительное знание мировой, и в частности русской, литературы - делает эту книгу интересной как для простого читателя, так и для специалиста.

Солнечный свет и тени

1. Изображение Солнца (17). 2. Тени (19). 3. Изображение Солнца и тени во время солнечных затмений и заката (20). 4. Двойные тени (21).

Отражение света

5. Закон отражения (23). 6. Отражение от проводов (23). 7. Различие между предметом и его отражением (25). 8. Лучи света, отраженные в каналах и реках (27). 9. Необычные отражения (28). 10. Стрельба по отражениям (29). 11. Гелиотроп Гаусса (30). 12. Отражение в садовом зеркальном шаре (31). 13. Отражение в мыльных пузырях (32). 14. Неправильности на поверхности воды (33). 15. Оконное и зеркальное стекла (34). 16. Дорожное зеркало (35). 17. Неправильное отражение на воде, покрытой легкой рябью (36). 18. Подробное изучение световых столбов (41). 19. Отражение от узкой полосы воды, покрытой рябью (42). 20. Отражение от большой водной поверхности, покрытой волнами (43). 21. Видимость очень слабого волнения (46). 22. Пятна света на поверхности грязной воды (47). 23. Пятна света на снегу (47). 24. Пятна света на дорогах (47). 25. Отражения в лужах во время дождя (48). 26. Световые круги в ветвях деревьев (49).

Преломление света

27. Преломление света при переходе из воздуха в воду (51). 28. Преломление на выпуклой поверхности воды (52). 29. Преломление в неровных стеклах (53). 30. Двойные отражения от зеркального стекла (53). 31. Множественные изображения в зеркальном стекле в проходящем свете (56). 32. Отражение крон дерева в стекле окна (57). 33. Следы стеклоочистителя (58). 34. Капли воды как линзы (58). 35. Радужные цвета в каплях росы и кристаллах инея (59).

Искривление световых лучей в атмосфере

36. Земное искривление лучей (60). 37. Аномальное искривление лучей без отражения (61). 38. Мираж в миниатюре (64). 39. Болье миражи над горячими поверхностями («нижние миражи») (65). 40. Миражи над холодной водой («верхние миражи») (70). 41. Воздушные замки (71). 42. Искажение Солнца и Луны во время восхода и захода (74). 43. Многократные изображения (78). 44. Зеленый луч (79). 45. Зеленый прибой (84). 46. Красный луч (84). 47. Мерцание земных источников света (84). 48. Мерцание звезд (86). 49. Как измерить мерцание звезд? (89). 50. Когда звезды больше всего мерцают? (89). 51. Мерцание планет (90). 52. Бегущие тени (91).

Сила и яркость света

53. Звезды как источники света известной силы (93). 54. Ослабление света в атмосфере (94). 55. Сравнение звезды со свечой (97). 56. Сравнение двух уличных фонарей (97). 57. Сравнение Луны с уличным фонарем (98). 58. Яркость лунного диска (98). 59. Некоторые соотношения яркости в пейзаже (99). 60. Отражательная способность (100). 61. Прозрачность проволочной сетки (101). 62. Степень непрозрачности леса (102). 63. Просветы в двойном частоколе (103). 64. Фотографическая фотометрия (105).

65. Видение под водой (108). 66. Как сделать видимой внутренность глаза (ПО). 67. Слепое пятно. 68. Ночная близорукость (111). 69. Несовершенные изображения, создаваемые глазом (112). 70. Пучки лучей, которые кажутся исходящими от ярких источников света (113). 71. Явления, вызываемые очками (114). 72. Острота зрения (115). 73. Чувствительность прямого и бокового зрения (117). 74. Опыт Фехнера (119). 75. Пейзаж при лунном свете (119). 76. Пейзаж при ярком солнечном свете (120). 77. Пороговое значение отношений яркости (120). 78. Белые предметы ночью (121). 79. Действие вуали (121). 80. Цветные оконные стекла (121). 81. Звезды в сумерках и при свете Луны (122). 82. Видимость звезд днем (123). 83. Иррадиация (123). 84. Слепящее действие света (125).

85. Смешение цветов (126). 86. Отражения и игра цвета (127). 87. Цвета коллоидных растворов металлов. Фиолетовые оконные стекла (127). 88. Цвет газосветных трубок; поглощение света в газах (128). 89. Эффект Пуркинье. Колбочки и палочки (129). 90. Цвет очень ярких источников света приближается к белому (130). 91. Впечатление от пейзажа, рассматриваемого сквозь цветные стекла (130). 92. Набюдения цвета с опущенной головой (130).

Последовательные образы и контрастные явления

93. Длительность световых ощущений (131). 94. Явление «частокола» (132). 95. Мерцающие источники света (135). 96. Предельная частота мельканий для центрального и периферического полей зрения (136). 97. «Неподвижное» велосипедное колесо (137). 98. «Неподвижное» автомобильное колесо (138). 99. «Неподвижный» пропеллер самолета (139). 100. Наблюдения вращающегося велосипедного коеса (139). 101. Последовательные образы (141). 102. Явление Еливеты Линней (143). 103. Изменение цвета в последовательных образах (144). 104. Контраст, получаемый при «одновременном сравнении» (145). 105. Контрастная кайма па стыке различных яркостей (145). 106. Контрастная кайма вдоль границ тени (146). 107. Черный снег (147). 108. Белый снег и серое небо (147). 109. Цветовой контраст (148). ПО. Цветные тени (149). 111. Цветные тени, возникающие от окрашенных отражений (152). 112. Контрастный треугольник (152).

Суждения о форме и движении

113. Оптические иллюзии, связанные с определением положения и навления (154). 114. Как мы видим движения (155). 115. Движущиеся звезды (356). 116. Вращающийся пейзаж и сопровождающая нас Луна (157). 117. Иллюзии, относящиеся к покою и движению (158). 118. Качающиеся двойные звезды (161). 119. Оптические иллюзии, относящиеся к направлению вращения (161). 120. Стереоскопические явления (162). 121. Иллюзии расстояния и величины (164). 122. «Человечек» на Луне (164). 123. Искривление прожекторного лу. Гряды облаков (165). 124. Кажущаяся сплюснутость небесного свода (166). 125. Переоценка угловой высоты (168). 126. Кажущееся увеличение размеров Солнца и Луны близ горизонта (168). 127. Связь между кажущимся увеличением размера небесных тел близ горизонта и формой небесного свода (170). 128. Вогнутая земля (172). 129. Теория «недооценки» (172). 130. Гауссова теория зрительных направлений (174). 131. Как влияют земные предметы на оценку расстояния до небесного свода (176). 132. Кажущиеся размеры Солнца и Луны в сантиметрах. Метод последовательных образов (177). 133. Пейзаж в живописи (178).

Радуги, гало и венцы

134. Интерференционные явления в дождевых каплях (179). 135. Как образуется радуга (181). 136. Описание радуги (182). 137. Близкие к глазу радуги (184). 138. Декартова теория радуги (185). 139. Дифракционная теория радуги (188). 140. Небо близ радуги (190). 141.Поляризация света в радуге (191). 142. Действие молнии на радугу (192). 143. Красная радуга (192). 144. Туманная или белая радуга (193). 145. Радуга на росе или горизонтальная радуга (194). 146. Отраженная радуга и радуга от отраженного Солнца (195). 147. Отражение горизонтальной радуги (197). 148. Необычные радужные явления (198). 149. Лунная радуга (199).

150. Общее описание явления гало (199). 151. Малый круг (201). 152. Паргелии или ложные солнца на малом гало (204). 153. Горизонтальные касательные дуги у малого гало. Описанное гало (206). 154. Косые касательные дуги малого гало или «косые дуги Ловица» (206). 155. Дуга Парри (207). 156. Большой круг или 46 гало (207). 157. Ложные солнца большого гало (207). 158. Нижние касательные дуги большого гало (208). 159. Верхняя касательная дуга большого гало (208). 160. Околозенитная дуга (208). 161. Горизонтальный или паргелический круг (209). 162. Световые или солнечные столбы (210). 163. Световые кресты (211). 164. Субсолнце (211). 165. Двойное Солнце (211). 166. Очень редкие и сомнительные явления гало (212). 167. Косые и искаженные явления гало (213). 168. Степень развития явлений гало (213). 169. Гало в облаках, образовавшихся вслед за пролетевм самолетом (214). 170. Явления гало, возникающие близ глаза (214). 171. Явления гало на поверхности Земли (216).

172. Цвета интерференции в масляных пятнах (216). 173. Цвета на замерзшем оконном стекле (219). 174. Цвета интерференции в ржавой воде (220). 175. Дифракция света (220). 176. Дифракция света на малых царапинах (221). 177. «Венцы» (222). 178. Объяснение венцов (223). 179. Венцы на оконном стекле (226). 180. Световые венцы, возникающие в глазу (228). 181. Зеленое и синее Солнце (229). 182. Глория (231). 183. Радужные (иризирующие) облака (233). 184. Перламутровые облака (235).

185. Нимбы на росистых лугах (236). 186. Нимбы на поверхностях без росы (238). 187. Нимб вокруг тени воздушного шара (239).

Свет и цвет неба

188. Рассеяние света дымом (240). 189. Синее небо (242). 190. Воздушная перспектива (243). 191. Свет и цвет в горных районах. Пейж, видимый с самолета (245). 192. Почему мы прикрываем глаза рукой. Наблюдения цветов сквозь трубку (245). 193. Опыты с нигро- метром (246). 194. Цианометр (прибор для измерения синевы неба) (248). 195. Распределение света по небу (248). 196. Изменчивость цвета синего неба (250). 197. Когда цвет далекого неба оранжевый и когда он зеленый? (251). 198. Цвет неба во время солнечного затмения (253). 199. Поляризация света синего неба (254). 200. Гайдингеровы щетки (пятна Гайдингера) (256). 201. Рассеяние света туманом (259). 202. Рассеяние света в облаках (261). 203. Видимость водяных каель (262). 204. Рассеяние света на траве, покрытой росой (263). 205. Рассеяние света в запотевшем окне (263). 206. Видимость частиц, парящих в воздухе (264). 207. Свет прожектора (265). 208. Видимость (266). 209. Как Солнце «пьет воду» (269). 210. Заря (270). 211. Измеение сумеречных явлений (274). 212. Сумеречные лучи (276). 213. Объяснение сумеречных явлений (277). 214. Есть ли различия между рассветом и закатом? (280). 215. Изменения освещенности во время сумерек (280). 216. «Темнее всего перед рассветом» (281). 217. Утренняя и вечерняя заря как приметы погоды (281). 218. Наруения нормального течения сумерек (282). 219. Ореол вокруг Солнца (283). 220. Сумеречные перистые облака или ультрацирусы (284). 221. Серебристые облака (284). 222. Ночные световые явления (286). 223. Зодиакальный свет (289). 224. Затмения Луны (293). 225. Пеельный свет (294). 226. «Летающие блюдца» (294).

Свет и цвет в пейзаже

227. Цвет Солнца, Луны и звезд (296). 228. Цвет облаков (299). 229. Цвет облаков на восходе и на закате Солнца (301). 230. Освещение облаков земными источниками света (302). 231. Причины, определяющие цвет воды (304). 232. Цвет придорожных луж (305). 233. Цвет рек и каналов (306). 234. Цвет моря (308). 235. Свет и цвет на Северном море (310). 236. Цвет моря, наблюдаемого с судна (316). 237. Цвет озер (318). 238. Наблюдения цвета воды при помощи николя (319). 239. Шкалы для оценки цвета воды (321). 240. Тени на воде (321). 241. Световой ореол около нашей тени на воде (323). 242. Ватерлиния корабля (324). 243. Цвета водопадов (325). 244. Цвет твердых тел (325). 245. Рассеяние света ветвями деревьев, покрытых инеем (326). 246. Цвет зеленой листвы (327) 247. Прямое влияние света на цвет зеленых листьев (329). 248 Растительность в пейзаже (329). 249. Тени и темные пятна (332). 250. Освещенность пейзажа в направлении к Солнцу и в противоположном направлении (333). 251. Как влажность влияет на цвета (335). 252. Пейзаж после дождя (335). 253. Силуэты (336). 254. Человеческие фигуры в пейзаже (337).

uCoz