Атмосферная оптика

АТМОСФЕРНАЯ ОПТИКА, раздел физики атмосферы, в котором изучаются оптические явления, наблюдаемые в атмосфере Земли и возникающие в основном 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 многие другие явления обусловлены преломлением и отражением света ледяными кристаллами. Ореол и венцы вокруг Солнца и Луны возникают вследствие дифракции света на каплях, кристаллах и других частицах.

Изучение рассеяния света в атмосфере тесно связано с физической 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 основном объяснение дал Дж. Рэлей (1871 год). 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, максимальная поляризация наблюдается под углом 90° к направлению на Солнце. Поляризацию света неба открыл в 1809 году Д. Араго.

Измерения яркости, цвета и поляризации света неба подтверждали теорию Рэлея. Но в 1907 году 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 сферических частицах разработана немецким физиком Г. Ми (1908 год), дополнена В. В. Шулейкиным, В. А. Фоком, К. С. Шифриным и голландским 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 год), далее теория переноса излучения развита В. А. Амбарцумяном (1941-43 годы), Е. С. Кузнецовым (1943-45 годы) и В. В. Соболевым (1956 год). Задача переноса поляризованного излучения в безаэрозольной атмосфере впервые решена С. Чандрасекаром (1950 год). Оптические свойства атмосферного воздуха (и аэрозоля) необходимо знать при расчётах светового поля в атмосфере. Индикатрису рассеяния света (фазовую функцию, коэффициент направленного светорассеяния) впервые определил В. Г. Фесенков (1934 год). Первые измерения поляризации света, рассеянного приземным воздухом, выполнили И. А. Хвостиков и немецкий учёный К. Булльрих (1946 год). Поглощение света атмосферным аэрозолем заметно влияет на радиационные режим атмосферы и климат. Оценки радиационных 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 оптических измерений можно определять характеристики атмосферного аэрозоля, температуру и влажность воздуха, концентрации озона, диоксида азота и других газов. Разработаны методы расчёта функции распределения частиц аэрозоля по размерам на основе измерений индикатрисы рассеяния и спектральных измерений коэффициента 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 AERONET, оснащённая многоканальными фотометрами для измерения спектральной прозрачности атмосферы.

Лит.: Ку-Нан Лиоу. Основы радиационных процессов в атмосфере. Л., 1984; Современные проблемы атмосферной оптики. Л., 1987. Т. 4: Зуев В. Е., Кабанов М. В. Оптика атмосферного аэрозоля; Тимофеев Ю. М., Васильев А. В. Теоретические основы атмосферной оптики. СПб., 2003.