Атмосферное излучение

1

Атмосферное излучение

АТМОСФЕРА [от гр. atmos - пар и sphaire - шар] - газообразная оболочка Земли и других небесных тел. У земной поверхности в основном состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), водяного пара (0,2-2,6%), углекислого газа (0,03%). Газовый состав атмосферы является причиной многих оптических эффектов, связанных с излучением. По распределению температуры с высотой атмосферу делят на следующие слои: тропосферу, где развиваются почти все погодные процессы (образование облаков, выпадение осадков и пр.); над тропосферой расположен переходный слой - тропопауза, выше которой идет ряд слоёв, составляющих вместе т. н. верхние слои атмосферы. Земная атмосфера прозрачна почти полностью для падающего извне излучения лишь в двух сравнительно узких окнах: оптическом - в диапазоне волн от 0.25 мкм до 1.5-2 мкм и радиодиапазоне - для волн длиной от 1 мм до 15-30 м.

Природа атмосферного излучения различна:

толща атмосферы является гигантским «оптическим прибором», перераспределяющим световой поток, попадающий от солнца на землю;

атмосфера играет роль накопительного элемента, принимающего и удерживающего энергию космоса в околоземной области;

атмосфера является зеркалом, которое препятствует энергетической утечке с земли;

и, на конец, атмосфера сама является первоисточником энергии электромагнитных волн.

Голубой цвет дневного безоблачного неба является примером перераспределения световой энергии в атмосфере. Русский физик Мандельштам показал, что беспорядочное движение молекул не может сделать газ однородным. Наоборот, в реальном газе всегда имеются мельчайшие разрежения и уплотнения, образующиеся в результате хаотического теплового движения молекул газа. Вот они-то и приводят к рассеянию света, так как нарушают оптическую однородность воздуха. Так как размеры неоднородностей, возникающих в результате хаотического движения, меньше длины световых волн, то рассеиваться будут преимущественно волны, соответствующие фиолетовой и синей части спектра. А это приводит, в частности, к голубой окраске неба днем, когда солнце высоко, и к красным восходам и закатам при малых углах наблюдения утром и вечером.

Неоднородность атмосферы приводит к таким периодически возникающим свечениям, как гало и солнечная колонна. Светлый туман вокруг Солнца или Луны можно видеть довольно часто. Это бывает тогда, когда небо затянуто пеленой -- лёгкими высокими перистыми облаками. Мельчайшие ледяные кристаллики и капельки воды, из которых эти облака состоят, как бы светятся, рассеивая лучи яркого источника света. Иногда, если облака достаточно тонкие и однородные, вокруг Солнца или Луны появляется не просто туманное свечение, а яркий круг, реже сразу несколько кругов - гало' (от греч. «галос» -«круг», «диск»). Гало - белые или радужные световые дуги и окружности вокруг диска Солнца или Луны. Они возникают вследствие преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега. Кристаллы, формирующие гало, располагаются на поверхности воображаемого конуса с осью, направленной от наблюдателя (из вершины конуса) к Солнцу. При некоторых условиях атмосфера бывает насыщена мелкими кристаллами, многие грани которых образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы. Такие грани отражают поступающие лучи света с отклонением на 22°, образуя красноватое с внутренней стороны гало, но оно может состоять и из всех цветов спектра. Реже встречается гало с угловым радиусом 46°, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае на образующих прямые углы гранях кристаллов. Ширина кольца такого гало превышает 2,5°. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен.

Изредка ледяные кристаллы, составляющие облака, располагаются так, что отдельные участки гало светятся более ярко, образуя паргелии (от греч. «пара» -- «возле» и «гелиос» -- «солнце») -- ложные солнца. Возможно, название звучит слишком громко, но именно за ним скрывается довольно скромное метеорологическое явление. Есть в нем и практическая польза - его появление сопровождает прохождение холодного атмосферного фронта и позволяет предсказать близкое похолодание. В такие периоды в атмосфере образуются кристаллы льда определенной формы, и результатом преломления в них солнечного света являются довольно яркие радужные пятна по сторонам от солнца (чаще всего - на угловом расстоянии в 22 угловых градуса). Несколько напоминая "оторванные" фрагменты радуги, они отличаются от нее большей долей яркой белизны. Не перепутать эти явления помогает их различное местоположение на небе - в отличие от ложных солнц, радуга всегда бывает видна в стороне, противоположной Солнцу.

Ложные солнца - это наиболее яркие фрагменты общей картины явления гало, и потому бывают чаще замечаемы. При неравномерной структуре облачности ложное солнце может наблюдаться только с одной стороны от "истинного". Продолжается это явление от нескольких до десятков минут, пока высотные ветры не разрушат благоприятную для его образования тонкую облачность.

В тихую погоду на закате или на восходе можно заметить по обе стороны от Солнца столбы света, как бы вздымающиеся к небу из-под Земли. Это лучи, отражённые от вертикально расположенных ледяных кристаллов, из которых образуются медленно опускающиеся перистые облака. Отдельные участки «солнечных столбов» бывают порой настолько яркими, что тоже создают ложные солнца. В сильный мороз такие столбы предвещают дальнейшее понижение температуры. В обоих случаях причиной оптического явления является атмосферный водяной пар, находящийся во взвешенном состоянии в форме мельчайших кристалликов льда.

В каплях воды,взвешеенных в воздухе, то можно наблюдать радугу. Капли воды играют в данном случае роль призмы, разлагающей солнечный свет в спектр.

Взвешенные в атмосфере водяные льдинки являются причиной появления других светящихся объектов - перламутровых и серебряных облаков. Перламутровые облака - очень тонкие просвечивающие облака, которые возникают на высотах 22-30 км, сходные по форме с чечевицеобразными. Эти облака имеют радужную окраску вследствие дифракции света на частицах облаков - переохлажденных каплях или ледяных кристаллов. В сумерки рассеянный и отраженный этими облаками свет столь ярок, что предметы на земле отбрасывают заметные тени. Эти облака наблюдаются в северных горных странах - Финляндии, Скандинавии, Аляске. По-видимому, воздушные течения, возникающие над горами, обуславливают их происхождение. Вследствие редкости этого явления перламутровые облака мало изучены.

Что касается серебристых облаков, то их наблюдают ученые более ста лет. Сейчас хорошо известно, что серебристые облака плавают в земной атмосфере на высотах от 75 до 90 километров. Этот атмосферный слой характерен крайне низкими температурами, доходящими до минус 140°С. Такой холод объясняется тем, что земное излучение сюда почти не доходит, а для излучений Солнца на этих высотах нет поглотителей (ниже таким поглотителем служит озон, а выше - атомарный кислород). Более всего здесь понижается температура летом, и притом в средних широтах, таковы особенности циркуляции и теплообмена в верхней атмосфере. Поэтому, серебристые облака наблюдаются только в летний период (июнь-сентябрь), и в средних широтах (в северном полушарии на широтах 45-70°, в южном - на широтах 40-65°). В последние годы серебристые облака изучают не только с Земли, но и из космоса. Было установлено, что слабая дымка серебристых облаков образуется не только над средними широтами, но и в экваториальном поясе.

Серебристые облака - светлые прозрачные облака, (настолько прозрачные, что через них хорошо видны звезды) самые высокие облачные образования. На вид серебристые облака похожи на обычные перистые. Но в отличие от перистых облаков, которые видны днем, серебристые видны после захода солнца, или перед его восходом. Кроме того, серебристые облака обладают «собственным свечением», т.е. всегда выглядят светлыми на фоне темного неба. Различают четыре основных класса серебристых облаков: флер, полосы, волны, вихри.

1) Флер - это тонкая дымка, более или менее однородная. Часто флер сочетается с другими формами - заполняет промежутки между полосами и гребнями. Но нередко бывает виден только флер.

2) Полосы, параллельные горизонту - основная форма серебристых облаков. Реже появляются полосы, наклоненные к горизонту или перекрещивающиеся.

3) Волновые образования имеют вид гребней волн. Их принято делить на три подкласса: гребешки (короткие, идущие на небольших расстояниях параллельно друг другу), гребни (более длинные и часто иначе ориентированные, чем маленькие гребешки), волнообразные изгибы, накладывающиеся на другие образования так, что вся система облаков словно колышется на большой волне.

4) Вихри - облака этого класса, пожалуй, самые эффектные, но встречаются они реже других. Вихревые образования порой напоминают причудливые перья диковинных птиц, иногда похожи на "воронки" с темной серединой.

Длительные исследования серебристых облаков показали, что эти облака, состоят из мельчайших кристалликов льда. Весьма вероятно, что ядрами конденсации для намерзания льда служат частицы метеорной пыли, проникающие в нашу атмосферу из космического пространства или образующиеся в результате разрушения в атмосфере метеорных частиц.

Так как, чаще всего серебристые облака наблюдались после сильных, особенно катастрофических извержений, то была гипотеза о том, что они обусловлены вулканическим пеплом. Очень яркие серебристые облака и светлые белые ночи отмечались после падения Тунгусского метеорита. По данным наблюдений 34 метеорологических станций, поле серебристых облаков тогда имело площадь 51х106 км2.

Таким образом, природа серебристых и перламутровых облаков не везде одна и та же. В районах высоких и средних широт это настоящие конденсационные серебристые облака, а в низких широтах они обусловлены преимущественно вулканической и космической пылью. Не исключаются антропогенные серебристые и перламутровые облака, возникающие в результате ядерных взрывов, работы реактивных двигателей.

Серебристые облака, , совершенно не связаны с привычными нам облаками из водяных капель. Возникают серебристые облака на высотах около 80 км, раз в 10 выше, чем обычные. Подсвеченные солнцем, находящимся под горизонтом, они имеют серебристый или голубоватый оттенок, иногда окрашиваясь у горизонта в золотистый цвет. Кроме окраски, от обычных тонких облаков серебристые отличаются вытянутостью в направлении полюса.

Наблюдаются они только светлыми летними ночами в умеренных и северных широтах.

Природа серебристых облаков до сих пор не вполне изучена. Предположительно, они состоят из мельчайших частиц, покрытых льдом, и потому отражающих свет. Появление таких частиц в верхней атмосфере связывается с выбросом вулканической пыли при сильных извержениях или попаданием межпланетной пыли.

Излучением атмосферы, не связанным с излучением солнца, является полярное сияние. Полярные сияния возникают, когда движущиеся с высокой скоростью заряженные частицы (электроны и протоны), излучаемые Солнцем, попадают в магнитное поле Земли и сталкиваются с молекулами газа в верхних слоях атмосферы. Столкновения заряженных частиц с молекулами азота и кислорода, приводят их в возбужденное состояние. Выделяя избыток энергии, молекулы кислорода дают яркое излучение в зелёной и красной областях спектра, а молекулы азота - в фиолетовой. В результате в небе над полюсами возникают разноцветные полосы протяженностью около 4000 километров. Такие процесы происходят только в верхних слоях атмосферы, т.к. во-первых, в низких плотных слоях столкновения молекул воздуха друг с другом сразу отнимает у них энергию, получаемую от солнечных частиц, а во-вторых, сами космические частицы не могут проникнуть глубоко в атмосферу Земли. Последние исследования показали, что молекулы воздуха возбуждаются в основном электронами. Как следует из названия, полярные сияния возникают в основном в районе полюсов Земли. Причина тому - отклонение заряженных частиц к полюсам магнитным полем Земли. Возникают полярные сияния, то есть свечение верхних разреженных слоев атмосферы, после взаимодействия атомов и молекул на высотах 90-1000 км. Полярные сияния симметричны, т.е. наблюдаются на обоих полушариях. Кроме того, это свечение наблюдается не только с земли, но и из космоса. Полярные сияния периодически наблюдаются у Венеры и Юпитера.

Солнечные лучи, проникая сквозь прозрачную атмосферу, нагревают земную поверхность, заставляя ее излучать. Тепловое инфракрасное излучение земной поверхности не воспринимаемое глазом излучение земной поверхности с длинами волн от 3 до 80 мкм. Поток собственного излучения земной поверхности направлен вверх и почти целиком поглощается атмосферой, нагревая ее. За счет собственного излучения земная поверхность теряет тепло. Атмосфера Земли поглощает земное излучение и снова возвращает большую его часть к Земле (встречное излучение). Природа этого излучения, как и природа полярного сияния, состоит в возбуждении атомов и молекул квантами теплового излучения земли и спонтанным испусканием квантов возбужденными частицами. Установлено, что флуоресценция (люминесценция, прекращающаяся через 10^-8 cек.) атмосферы в основном определяется кислородом, при атмосферном давлении азот и водяной пар не вносят существенного вклада во флуоресценцию воздуха; с понижением давления вклад водяного пара становится более заметным. Кроме того, верхние слои атмосферы содержат ряд соединений металлов и чистых металлов, в частности натрия. В своём спектре натрий имеет так называемый дублет: линии излучения 589 и 589.6 нм. Это излучение относится к эмиссионному атмосферному излучению верхних слоёв атмосферы. Изучение свечения натрия проводится ночью, когда полностью исключено рассеянное солнечное излучения. Возбуждение эмиссионного излучения натрия происходит в результате цепи химических реакций, происходящих в верхних слоях атмосферы (в реакциях участвует натрий, оксид натрия, кислород и озон). Интенсивность реакций и излучения меняется с течением суток и зависит от времени года, максимум интенсивности свечения приходится на зимние сумерки. Интенсивность излучения химических элементов атмосферы мала, чувствительности человеческого глаза не достаточно для того, чтобы отреагировать на него. Кроме натрия способностью излучать обладают атомарный кислород (длина волны излучения 557,7) и гидроксильные OH группы.

На данный момент обнаружено, что излучение атмосферы занимает область 260 нм - 80 мкм. Регистрация излучения атмосферы позволяет судить о её химическом составе, проводить метеорологические исследования, предсказывать погоду. В настоящий момент атмосферное излучение активно изучается (УФ область, чувствительные приёмники).