В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Эта закономерность объясняет изменение спектрального состава солнечного излучения при прохождении через атмосферу. При низкой высоте Солнца распространяющийся в атмосфере белый свет оказывается обогащенным длинными волнами, поэтому восходы и закаты имеют красноватую окраску. При невысокомСолнце малая воздушная масса рассеянного излучения (цвет небосвода) содержит преимущественно короткие волны, и поэтому мывоспринимаем небосвод сине-голубым.Существенным фактором является то, что при рассеянии естественный свет частично поляризован.Последний сомножитель в формуле (2.28) определяет зависимость силы света от угла рассеяния.
Полярная диаграмма (индикатриса) рэлеевского рассеяния приведена на рис. 2.14. Как следуетиз формулы (2.28), луч 1± не зависит от угла рассеяния, и поэтому при изменении последнего на 360° конец единичного вектораописывает окружность /, тогда как луч с поляризацией /, ( описывает кривую 2. Суммарная интенсивность (1 + cos2 у) отображена кривой 3.Для количественной характеристики поляризации введена такназываемая степень поляризации:*+I1 + CO S^y(2'29>1/2Е-Чр т13Е0гРис.
2.14. Полярная диаграмма (индикатриса) рэлеевского рассеяния: 1 — поляризованный падающий свет E L\ 2 — поляризованный £ ц падающий свет; 3 — неполяризованный падающий светМежду тем, размеры частиц, на которых происходит рассеяниесолнечной радиации в океане и атмосфере, не ограничены толькорэлеевскими частицами. Теория рассеяния света крупными частицами сложна. Разработкой такой теории для крупных сферическихчастиц, .основанной на представлениях Максвелла, занимался немецкий физик Густав Ми.
Он показал, что при увеличении размеров частиц интенсивность рассеянного излучения пропорциональна / ~ Ят ,где т' < 4. Кроме того, амплитуда индикатрисы принимает вытянутый вид и при дальнейшем увеличении частиц приобретает сложнуюструктуру.Разработке теории рассеяния света на крупных проводящих частицах посвящен ряд фундаментальных исследований, проведенныхроссийскими физиками В.В.
Шулейкиным, К.С. Шифриным и др.В заключение следует отметить, что рассеяние света — это фундаментальное физическое явление взаимодействия излучения с веществом. Мы видим окружающие нас предметы в основном в результатеприхода рассеянного излучения. Процесс рассеяния имеет место вовсей толще атмосферы и океана, что делает неповторимо красочной игармоничной нашу планету.УРАВН ЕН И Е П ЕРЕН О СА ИЗЛУЧЕНИЯС УЧЕТОМ П ОГЛОЩ ЕН И Я И РАССЕЯН И ЯПри распространении оптического излучения в атмосфере и океане имеют место процессы поглощения, рассеяния и излучения.
Рядом авторов (Кондратьев, 1959; и др.) в рамках представлений геометрической оптики были получены уравнения переноса излучениядля стационарного поля яркости. Хотя эти уравнения непосредственно из уравнений Максвелла не выводятся, тем не менее они даютхорошее согласие с опытными данными. Уравнение переноса можетбыть записано в следующей форме:+ст+ЪJГX ( r r ’) B x dQ,(2.30)Q = 4jtгде dr = dz • sec © (z — вертикальная координата, © — зенитныйугол, см. рис. 2.15), ае^и о — объемные показатели поглощения ирассеяния соответственно,— яркость, Е^ — излучательная способность черного тела и Х — индикатриса рассеяния излучения.Первый член правой части уравнения описывает затухание радиации вследствие поглощения и рассеяния. Второй член характеризуетсобственное излучение элементарного объема среды, а последнийопределяет долю лучистой энергии, упавшей на рассеивающий объем в направлении г' и рассеянной внаправлении переноса излученияг.
Интегрирование в последнем члене идет по всему телесному углу,т.е. по всем направлениям г'.Для температур, близких к нормальным (Т ~ 300 К), излучениеатмосферных газов в диапазонеспектрасолнечнойрадиации0 ,3 -г-4 мкм ничтожно мало и егоможно не учитывать. Кроме того,при решении задач оптики океана иатмосферы для определенного диапазона длин волн перенос излучения можно рассматривать как процесс ослабления радиации. В этомслучае уравнение переноса приметпростой вид:Рис. 2.15.
Иллюстрация к составлениюуравнения переноса излучения^= _drРешением этого уравнения является рассмотренный выше закон Бугера: Bx(z) = В0 exp ( - ае z) (см. уравнение (2.20)). При рассмотрениизадач переноса длинноволнового теплового излучения в атмосфере(при Т —300 К) для безоблачного неба уравнение переноса будетвыражаться следующим образом:dB}- ^ = * { Е к - В х).(2.31)Это широко применяемое в геофизике уравнение Шварцшильда.ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИНА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ОКЕ АН-АТМОСФЕР АПри прохождении солнечной радиации через атмосферу и океанна границе раздела сред имеет место отражение и преломление излучения.Поскольку градиенты плотности воздушных и водных масс у границы контакта вода-воздух ничтожно малы, то можно считать, чтооптические свойства этих масс однородны и изотропны.
Это даетоснование применить формулы Френеля для определения отраженияи преломления потока солнечной радиации с малой площадки поверхности океана.Френель, исходя из электромагнитной теории Максвелла, нашел выражение для коэффициентовотражения и преломления радиации, падающей на поверхность раздела двух сред с различными показателями преломленияи п2).На рис. 2.16 приведена схема ходалучей при отражении и преломлении падающего излучения, а такжесоответствующие им углы падения(<р) и преломления (X) для случаяя1 < п2. Через Е п и Е ± показаныРис. 2.16.
Ход лучей при отражениии преломлении падающего излученияэлектрические напряженности волндвух поляризаций (согласно принятому ранее положению, см. рис. 2.6).При указанных обозначениях формулы Френеля запишутся в следующем виде:к*ргR1к \I — р 1МI= sin2 {<р — х) .sin2 (*>+*) ’/ г\2*11= Ч 2 (<Р~Х)tg2 (<Р + х)(2.32)(2.33)Коэффициент пропускания излучения для волн Е ± по определениюравен Т ± = 1 —R ±. Подставляя сюда значение R ± , получимт _ sin Ър sin 2ухsin2 (<р + х)(2.34)и соответственно для волн Е ,.
поляризацииГм = 1 - Л , , =sin2 2(р sin 2хsin2 (<р + х) cos2 (<р - х)(2.35)Интенсивность неполяризованного излучения можно представитькак сумму интенсивности двух неполяризованных потоков Р == Р L -f Р. и Поскольку для неполяризованного излучения Р ± = Р\\ =Р JLгR =Р гIМРРподставляя сюда значение Р = 2Р± = 2 Р , ,, получим* = 2р ± + р II)-i(1 sin2 (<р - х )2 sin2 (<р + Х)Л,,)(2.36)t g O +х)Рассмотрим процессы поляризации, связанные с отражением и преломлением излучения. Пусть при отражении и преломлении имеет место соотношение <р + х = ^2 .
Тоща*£ (<Р + X) 00 и Я ,, = 0 (2.33). Этозначит, что компонента потока радиации, поляризованная в плоскости падения, не испытывает отражения. Следовательно, неполяризованное солнечное излучение после отражения света будет полностью поляризовано.Угол, при котором реализуется условие полной поляризации, называетсяуглом Брюстера и равен (ръ = л/2 —При этом cos <р^ = cos ^ —x j = s*n X>а в соответствии с законом Снелиусаsin (рв = п sin я. ТогдаРис.
2.17. Графики зависимостиR l (/), Я,, (2) и R (3) от угла падения приходящего излученияsin <ръ п sm уtg <Рп = -------- = — — = Л,гв cosp Bsinxт.е., зная угол Брюстера, можно определить показатель преломления среды.Интерес представляют графики для R ±y /?,, и R в зависимостиот угла падения излучения(рис.2.17).При <р =_ sin2 ( л / 2 - х ) _ .хsin2 ( л / 2 +х )(2.37)tg2 (jt/ 2 - у)*"tg2 ( л / 2 + х)и полный коэффициент отражения R = ( \ / 2 ^=1.Рассмотрим случай, когда <р0. Поскольку при малых углах синусы и тангенсы можно заменить их аргументами(sin f ~ tg (р ~ (р), то выражение sin <р = п sin# дает соотношениемежду углами р = пХ иХ = <р/п, а из формул (2.32) и (2.33) получаем{<р-<р/п)2Х11/ п - Iх2(r + r l n f - U +1(2.38)Так как для воды л ~ 1,3, то из выражения (2.38) получим R ± = R 11 ~ 0,02.
Это очень важный результат.На рис. 2.18 приведен график изменения френелевского коэффициента отражения солнечной радиации от вод Мирового океана взависимости от высоты Солнца (Aq = 90° —0 ). Из графика видно, чтов диапазоне й0 ~ 90 ч-20° практически вся приходящая солнечнаярадиация проникает под поверхность океана и нагревает его деятельный слой. Этот факт имеет исключительно важное значение дляпонимания термодинамики океана и атмосферы в целом. Здесь умес-Puc. 2.18. Изменение с высотой Солнца /iq коэффициента отражения R при штиле (У)и при волнении в 4 балла (2)тен вопрос, насколько справедливо применение теории отраженияФренеля, полученной для отражения излучения от плоской границы двух сред, к сложной по форме поверхности океана.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
