В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Отсюда интенсивность рассеяния, опредсляемая вектором Умова-Пойнтинга, пропорциональна четвертой степени частоты или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны: Гл. 16. Эленн~ромигннтпь~е лвленнл в итмоефере молекулами воздуха., а флуктуациями плотности воздуха. Теория флуктуационного рассеяния, разработанная в начале ХХ в. Смолуховским и Эйнштейном, приводит к тем же формулам, которые ранее были получены Рэлеем. Однако такое флуктуационное рассеяние по-прежнему называют молекулярным, поскольку флуктуации плотности обусловлены молекулярно-кинетической природой вещества. В реальной атмосфере всегда содержится значительное количество аэрозоля (капельки воды и водных растворов, частицы минеральной и органической пыли, частицы сажи и пр.).
Теория рассеяния и поглощения света частицами аэрозоля, разработанная Ми также в начале ХХ в., описывает характеристики рассеяния и поглощения света частицами с размерами, сопоставимыми или превышающими длину волны оптического излучения. Главной особенностью рассеяния Ми является его влабая зависимость от длины волны (в отличие от сильной степенной зависимости (16.5)) для частиц, размеры которых существенно меньше длины волны излучения. В оптике атмосферы известны разнообразные явления, связанные с рассеянием Ми на разных частицах атмосферы. Малая или полная непрозрачность тумана и его белесый цвет связаны с рассеянием Ми на каплях воды.
При задымлении атмосферы небо приобретает белесый оттенок. Голубой в зените небосвод сереет к горизонту. Световые явления в атмосфере, сопровождающие восход и заход Солнца, определяются состоянием атмосферы, главным образом ее замутненностью; чем больше в атмосфере пыли и водяного пара., тем интенсивнее и разнообразнее окраски зари. Рассмотрим некоторые оптические явления в атмосфере, связанные с преломлением (рефракцией) света. Как уже отмечалось выше, рефракционные эффекты в воздухе достаточно малы. Однако в силу заметного отличия показателей преломления воды и воздуха рефракция света в водяных каплях существенна. Именно рефракционные эффекты в каплях воды порождают такие интересные и красивые явления, как радуга и гало.
Радуга разноцветная дуга на небосводе, возникающая в результате разложения солнечного света в каплях дождя на спектральные составляющие. Схема образования радуги приведена на рис. 16.3, а. Рефракция лучей в каплях дождя показана па рис. 16.3, б. Первичная радуга с угловым радиусом 41' образуется за счет двукратного преломления и однократного отражения солнечного луча от внутренней поверхности капли, вторичная -- Рл. 1бй Элентромагнитяные яелення е атмосфере 319 иолетоаый краси ыи расный Фиол сто найл а жател ь $ а Рис.16.3.
Схема образования радуги (и) и рефракция лучей в капле дождя 16) с угловым радиусом 52' возникает за счет двукратного преломления н двукратного отражения луча в капле воды. Порядок следования цветов в первичной и вторичной радугах противоположен, как это ясно из схем рис. 16.3. Угловая ширина радуги составляет 1,7' для первичной и 3,1' для вторичной. Отражения от внутренней границы капли частичные, поэтому интенсивность вторичной радуги существенно меныпе. Радуги более высоких порядков имеют столь малую интенсивность, что в атмосфере не наблюдаются, но могут быть зарегистрированы в лабораторных условиях. Гало - радужное кольцо вокруг Солнца или Луны наблюдается при рассеянии прямых солнечных лучей на ледяных кристаллах облаков (обычно перистых н высокослоистых).
Отражение и преломление света ледяными кристаллами перистослоистых облаков может приводить к ряду подобных оптических явлений; ложные солнца и луны, дуги, столбы, пятна. Как уже отмечалось выше, рефракционные эффекты в чистом воздухе достаточно малы. Тем не менее, рефракция световых лучей в атмосфере приводит к кажущемуся смещению видимого положения светил, к депрессии или расширению видимого горизонта, к возникновению различного рода миражей. Преломление лучей определяется законом Снеллиуса, который можно представить в виде постоянства произведения показателя преломления среды на угол между лучом н нормалью к поверхности раздела или к «слояма (к направлению градиента 320 Гл.
16. Эленнгромигннтн»ге лвленнл в итмоефере показателя преломления) среды: пвшО = сопв1. С увеличением показателя преломления уменьшается угол О, поэтому можно сказать, что при распространении луч «загибается» в сторону роста показателя преломления и или противоположно направлению градиента п. ~Х Показатель преломления троагаб и посферы (16.2) болыпе единицы. Добавка к единице а пропорциональна плотности осцилляторов, т.е.
плотности воздуха, поэтому градиент п имеет то же направление, что и градиент плотности б воздуха. Нередко в атмосфере возникают сильные градиенты показателя преломления, л» дгай и что приводит к «загибанию» лучей в сторону таких градиентов. Этим объясняется Рис. 16.4. Схемы образования нижнего (а) и верхнего (б) Н миражей На рис. 16.4 приведены схемы нижнего и верхнего миражей. Нижний мираж (рис.
16.4,а) возникает при сильном прогреве воздуха у нагретой поверхности, градиент и при этом направлен вниз, что приводит к изгибу лучей и «отражению» их от воздуха вблизи нагретой поверхности. Поскольку рефракционные эффекты в воздухе все-таки слабые, такое явление наблюдается при малых (скользящих) углах падения, при этом можно наблюдать отраженные вниз предметы. Нижние миражи часто наблюдаются летом на прогретых дорогах с твердым покрытием. В отсутствии предмета вдали наблюдается отражение небосвода, что напоминает лужицы на дороге.
Верхний мираж (рис 16.4, б) возникает при скользящем отражении от слоя теплого воздуха, расположенного над охлажденным морем, при этом наблюдаются перевернутые изображения кораблей. При наличии приподнятого над поверхностью слоя инверсии или неоднократной перемены знака градиента показателя преломления с высотой могут наблюдаться и более сложные миражи, состоящие из нескольких сдвинутых изображений объекта. Здесь следует упомянуть и такие известные оптические атмосферные эффекты, как венцы и глория. Венцы -- светлые Гл. 1б'.
Эленеаромагнитнвы явления в атмосфере 321 ио вш Оо = и(6) в1п 0(6) = и(Ьо) в1п — = и(Ьо). 2 Принимая во внимание, что у поверхности земли и(6 = О) = ио = = 1, получим связь: п (Ьо) = 1 — " ., = ейп Оо. Ур (Ьо) Р Отсюда следует, что от ионосферы при наклонном зондировании отражаются радиоволны с частотами, меньше частоты 1 = которую называют критической частотой при на- Л сов Оо ' клонном зондировании. Отражение на частотах зондирования, меньших частоты 1 — Гр, Рав ной плазменной частоте, будет наблюдаться и при вертикальном падении на слоистую плазму, т.
е. критическая частота при нормальном зондирова- ,т/2 нии равна плазменной частоте. 'О х Напомним, что типичные кри- Рис. 16.5. Траектория лучей в тическиечастоты при нормаль слоистой плазме с отражением ном зондировании или плаз радиоволн от Земли, .когда конменные частоты ионосферы центрация плазмы растот с высотой Ь порядка 1'р 10 МГц (чаще всего в пределах 1 — 5 МГц для Е-слоя и 5 — 15 МГц для Г-слоя).
Такое отражение радиоволн от ионосферы - аналог полного внутреннего отражения в оптике. В области, где показатель преломления становится чисто мнимым, волна зкспонепциальпо В. И Трулив в лр радужные кольца, окружающие Солнце, Луну, яркие звезды, фонари и другис источники при наблюдении их через тонкие облака. Глория аналогичные цветные кольца, но наблюдающиеся при отражении от облаков вокруг противосолнечной точки, например, наблюдаемые с самолета вокруг его тени на фоне облаков. Физически венцы и глория обусловлены дифракцией света на взвешенных в воздухе каплях или кристаллах льда, в прошедшем или отраженном свете соответственно [1281. Показатель преломления плазмы (16.3) для радиоволн меньше единицы.
Нетрудно понять, что если показатель преломления уменьшается с высотой 6 (растет электронная концентрация), то угол отклонения луча от вертикали будет нарастать и достигнет х/2 па некоторой высоте Ьо, где произойдет «поворота луча и распространение его к Земле: 322 Гл. г'6. Элентромагнитнме веления в атмосфере затухает. Траектория луча в слоистой плазме схематично изображена на рис. 16.5. Именно таким образом распространяются короткие радиоволны в ионосфере, испытывая многократные отражения от Земли.
Такие многоскачковые траектории иногда неоднократно огибают земной гпа, и паблквдается явление кругосветного зха радиосигналов. Глава 17 Основные понятия экологии "Хто такое экология? Существуют различные понятия термина «экология». Согласно классическому определению экология, как самостоятельная наука, относится к биологии. Термин «экология» был предложен немецким биологом-материалистом Э. Геккелем. Он считал экологию наукой об отношении организмов к окружающей среде. В переводе с греческого дает: о1ков .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
