Атмосферная оптика

Комплексная наука
Атмосферная оптика
Atmospheric optics, Phénomène optique, Atmosphärische Optik
Тема	Физика атмосферы
Предмет изучения	Зори, радуги, изменения цвета неба, рассеяние; поглощение, преломление, отражение, дифракция ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения атмосферной радиации, поляризация небесного света в атмосферах Земли и планет.
Период зарождения	IV в. до н. э.
Основные направления	аэрозоли, планетные атмосферы, оптика моря, оптика коллоидов
Вспомогат. дисциплины	Оптика, астрофизика, океанология, метеорология
Центры исследований	Академия наук РФ совместно с Федеральным управлением гидрометеорологической службы РФ, Институт оптики атмосферы имени В. Е. Зуева СО РАН, Университет Пьера и Марии Кюри (Франция), Оптическое общество (OSA, США), Американский институт физики, Общество Макса Планка (Германия)
Значительные учёные	Дж. Г. Стокс, В. Е. Зуев, В. В. Шаронов, В. Г. Фесенков, В. А. Амбарцумян, В. В. Шулейкин, Субраманьян Чандрасекар, Х. Хюлст, В. В. Шулейкин, В. А. Фок, П. И. Броунов, К. Я. Кондратьев, В. В. Соболев, Г. И. Вильд, Г. А. Тихов, Б. И. Срезневский, О. Д. Хвольсон
Атмосферная оптика на Викискладе

Красочное небо над Калифорнией, вызванное рассеиванием света из-за пожаров в октябре 2007 года

Гало на 41 градусе южной широты

Северное сияние

Атмосферная оптика — раздел физики атмосферы, в котором изучаются оптические явления, возникающие при прохождении света в атмосфере: зори, радуги, изменения цвета неба, рассеяние; поглощение, преломление, отражение, дифракция ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения атмосферной радиации, поляризация небесного света в атмосферах Земли и планет^[1].

Главная задача в атмосферной оптике — установить связь между термодинамическими и аэрозольными (определяемыми запыленностью) характеристиками слоев атмосферы и их оптическими свойствами: прозрачностью, характеристиками рассеяния, излучения и поляризации^[2].

Атмосферная оптика переплетается с оптикой коллоидов и аэрозолей, планетных атмосфер, оптикой моря, с радиационной теплопередачей и др.^[3] С атмосферной оптикой связано открытие явления рассеяния излучения, определение числа Авогадро, доказательство молекулярного строения атмосферы и кинетическая теория газов и др.^[1] Атмосферная оптика находит применение в решении проблем физической химии, астрофизики, океанологии, техники^[3], метеорологии, транспорта, агротехники, светотехники, курортологии, астрофизики и т. д.^[1]

Некоторые явления, изучающиеся атмосферной оптикой

Атмосферная оптика объясняет синий цвет неба рэлеевским рассеиванием, потому что синий цвет неба рассеивается легче, чем красный. Гало объясняется из-за рассеивания света от кристалликов льда и других частиц в атмосфере^[4]. Миражи объясняются тем, что лучи света загибаются из-за тепловых колебаний и производят тем самым перемещение образа объекта. Фата-моргана объясняется температурной инверсией^[5]. Радуга объясняется сочетанием внутреннего отражения и дисперсионной рефракцией света в каплях дождя^[6].

Паргелий

Северная Дакота. Ложные солнца

Внешние видеофайлы
	Паргелий
	Паргелий в Москве

Это один из видов гало, выглядит как «ложное Солнце» на уровне Солнца. Возникает в результате преломления света Солнца в кристаликах льда атмосферы. На гигантских газовых планетах: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — другие кристаллы образуют облака аммиака, метана и других веществ, которые могут производят ореолы с четырьмя или более ложных солнц^[7].

Мираж

Различные виды миражей за 6 минут. Вторая вставка показывает зелёную вспышку

Мираж — оптическое явление в атмосфере, в котором лучи света изгибаются так, что происходит перемещение изображения предмета.

В отличие от галлюцинаций, мираж является реальным оптическим явлением, которое может быть снято на камеру, так как лучи света на самом деле преломляются и формируют ложное изображение, которое наблюдается при мираже. разновидностью миража является фата-моргана, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями.

Зелёный луч

Внешние видеофайлы
	Зелёный луч
	Зелёный луч

Зелёный луч — оптическое явление, которое происходит вскоре после заката или перед восходом солнца и выглядит как вспышка зелёного света, длящаяся несколько секунд. Зелёный луч можно наблюдать и с Луны, и на ярких планетах на горизонте, в том числе на Венере и Юпитере^[8][9].

Фата-моргана

Фата-моргана в море

Внешние видеофайлы
	Фата-моргана

Фата-моргана является очень сложной формой миража, которая видна в узкой полосе прямо над горизонтом. Название произошло от Феи Моргана и относится к персонажам короля Артура. По легенде этот мираж создала колдунья. Он демонстрирует сказочные замки в воздухе или несуществующие земли предназначенные для того, чтобы заманить моряков на их смерть.

Фата-моргану можно увидеть на суше или на море, в полярных регионах или в пустынях. Этот вид миража может включать практически любой вид удаленного объекта, в том числе такие вещи, как лодки, острова и побережья.

Мираж выглядит как перевёрнутый (вверх ногами). Это оптическое явление происходит из-за того, что лучи света сильно согнуты, когда они проходят через слои воздуха с различной температурой в крутой тепловой инверсии, где формируется атмосферный проток. В безветренную погоду слой значительно более теплого воздуха переходит за слой холодного плотного воздуха, образуя атмосферный канал, который действует как преломляющая линза и производит перевернутое изображение^[10].

Эффект Новой Земли

Эффект Новой Земли является полярным миражом и обусловлен высоким преломлением солнечного света и разницой температуры. Эффект состоит в том, что солнце всходит раньше своего реального времени. В зависимости от метереологической обстановки солнце представляется в виде линии или квадрата. Первым человеком, который записал феномен, был Геррит де Веер, участник экспедиции на Новой земле. По названию места экспедиции было дано название феномену^[11] .

Сумеречные лучи

Сумеречные лучи.
Плато Намибии

Внешние видеофайлы
	Сумеречные лучи

Сумеречные лучи — это почти параллельные лучи солнечного света, проходящие через атмосферу Земли, но кажущиеся расходящимися из-за линейной перспективы. Сумеречные лучи можно иногда рассмотреть под водой, особенно в арктических районах. Они появляются из шельфовых ледников или трещин во льду^[12].

Астрономическая рефракция

Схема смещения изображения Солнца на восходе и закате

Это преломление в атмосфере световых лучей от небесных светил происходит таким образом, что фактическое положение светила находится ниже, чем кажущиеся (наблюдаемое). По этой причине моряки не делают вычисления по звёздам, когда они на высоте 20° и ниже над горизонтом. А астрономы наблюдают только звёзды, которые расположены высоко в небе.

Голубая Луна и зелёное Солнце

Другой цвет светила можно наблюдать из-за световых явлений, которые рассеиваются на крупных частицах: песок, дым или капелки воды. Это связано с тем, что длинные волны (красные, оранжевые, желтые) сильней рассеиваются в прямом свете Солнца или Луны, и остаются короткие (синие, голубые, зелёные).

Примеры:

1. Солнце можно наблюдать зелёным во время песчаных или пыльных бурь или после них. Другими словами, в атмосфере должно находится много мелких частиц. При этом солнце может принимать желтоватую или даже красноватую окраску.
2. Если посмотреть на Солнце днём через клубы пара с мелкими капельками (то есть в первые его моменты), то можно наблюдать голубое Солнце^[13].
3. Голубая окраска Луны или Солнца происходит при восходе или заходе когда идёт задымление от интенсивного извержения вулкана взрывного типа или сильных пожарах, например:

• 26—28 сентября 1951 года, когда по Европе распространился дым от громадных лесных пожаров, в Канаде наблюдали голубое Солнце при восходе жители стран Западной Европы.
• В 1985 году после извержения вулкана Мауна-Лоа на Гавайских островах наблюдали голубую восходящую Луну. Такая окраска Солнца или Луны при восходе или заходе имела место и при других интенсивных вулканических извержениях.

Цвет облака

Высоко-кучевые и перисто-кучевые облака

Внешние видеофайлы
	Зелёные облака

Цвет облака говорит о том, что происходит внутри облака. Плотные облака в тропосфере демонстрируют высокую отражательную способность (от 70 % до 95 %) по всей видимой области спектра. Мелкие частицы воды плотно соприкасаются, и солнечный свет не может проникнуть далеко в облако, прежде чем он отразится, давая этим самым облаку характерный белый цвет. Капельки на облаках, как правило, рассеивают свет эффективней, так что интенсивность солнечного излучения уменьшается. В результате цвет нижней границы облаков может измениться от светлого до очень тёмно-серого в зависимости от толщины облака и количества отражаемого или передаваемого света к наблюдателю^[14].

Если облако достаточно велико, и капли разнесены достаточно далеко друг от друга, то свет, который входит в облако, не отражается, а поглощается. Этот процесс отражения и поглощения вызывает ряд цветов в облаке от белого до чёрного^[15].

Голубовато-серый цвет облака является результатом рассеяния света в облаке. В видимой области спектра, синий и зелёный находятся на короткой длине волны света, в то время красный и жёлтый являются на длинной длине. Короткие лучи легче рассеиваются каплями воды, а длинные лучи поглощаются. Синеватый цвет говорит о скором дожде^[16].

Зеленоватый оттенок в облаке присутствует тогда, когда солнечный свет рассеивается на льду. Если кучево-дождевые облака окрашиваются в зелёный цвет, то это знак того, что будет сильная гроза, сильный дождь, град, сильный ветер и возможно торнадо^[17] .

Желтоватый цвет облака обычно происходит в периоде от конца весны и до первых осенних месяцев, когда идёт сезон лесных пожаров. Жёлтый цвет обусловлен присутствием загрязняющих веществ в дыме. Желтоватый цвет облака объясняется наличием диоксида азота, поэтому его иногда можно увидеть в городских районах с высоким уровнем загрязнения воздуха^[18].

Красные, оранжевые и розовые облака возникают на восходе и закате и являются результатом рассеяния солнечного света в атмосфере. Когда угол между Солнцем и горизонтом составляет менее 10 градусов. Облака отражают длинные и нерассеянные лучи солнечного света, которые являются преобладающими в эти часы^[17].

Иризация облаков

Облака могут иризировать: зелёным, пурпурно-красным, синим и т. д. Такие иризирующие облака появляются во все времена года, но особенно часто они появляются осенью. Их можно наблюдать около Солнца. Кучевые, кучево-дождевые и слоисто-кучевые облака показывают иризацию лишь на краях. Сверкающие, белые, перисто-кучевые и высококучевые облака, особенно имеющие линзообразную форму, которые быстро возникают до или после бури являются самыми красивыми иризациями облака. Цвета располагаются лентами, полосами и «глазками». Радужность видна и тогда, когда облако быстро меняет форму незадолго до или тотчас после бури^[19].

Разноцветные облака на Юпитере

Известно, что на Юпитере есть разноцветные облака. Такие облака объясняются атмосферой Юпитера, которая имеет температуру −153 °C. При такой температуре атмосфера должна быть бесцветной. Красочный цвет облаков можно объяснить тем, что водородные соединения поднимаются из теплых слоев атмосферы в верхний холодный слой, тем самым его окрашивая. Также цвет облаков объясняется примесями соединений серы. По цвету облака можно определить его высоту. Например, голубые облака — низкие, красные — высокие. Окраска облаков постоянно меняется^[20].

История атмосферной оптики

Проверить нейтральность. На странице обсуждения должны быть подробности.

Атмосферная оптика зародилась несколько тысяч лет назад, когда человек стал наблюдать за окружающей природой, поэтому является одной из наиболее древних наук. До начала XX века атмосферная оптика изучала феноменологические явления. Методами наблюдений были визуальные наблюдения. В основном, раньше изучали: зори, радуги, гало, венцы, глории, миражи, цвет неба^[1] и облаков, ложные солнца^[3]. (прим. Указанные явления происходят при рассеянии световых лучей от солнца в атмосфере и сильно зависят от длины волны.)^[13].

Современная атмосферная оптика изучает распространение, трансформацию, а также генерацию электромагнитных волн от ультрафиолета до радиоизлучения^[21].

Вопрос об иллюзии размеров Солнца, Луны и звёзд

Сравнительные размеры Луны и облака, по мере их продвижения выше

В IV в. до н. э. Аристотель в своей «Метеорологике» писал об иллюзии увеличения размеров Солнца, Луны, созвездий и других объектов на небосводе, находящихся близко к горизонту (примерная разница в размерах достигает 3—4 раза). Во II веке Птоломей объяснил иллюзию тем, что в расстоянии от человека до Луны нет последовательности промежуточных объектов, поэтому Луна кажется больше на горизонте. В XI веке арабский ученый Альгазен в «Book of Optics» писал, что это происходит в голове у человека и является субъективным явлением. В XIII веке Роджер Бэкон, Витело и Джон Пекхам (John Peckham), основываясь на Альгазене, объясняли иллюзию психофизиологическим особенностями нашего зрения, подтверждая тем самым теорию Альгазена и отвергая теорию Птоломея. В наши дни это явление объясняется сплюснутостью неба. Всё, что видит человек в небе, он проецирует на него. Небо от нас далеко в направлении на горизонт и значительно более близко в направлении на зенит. Поэтому линейные размеры при проектировании на зенит кажутся маленькими, а при проектировании на горизонт — большими^[13]. Тем не менее, в книге Хелена Росса (2002) «Тайна иллюзии луны» говорится: «Нет единой теории и никто в ней не вышел победителем»^[22].

Вопрос о цвете неба и солнца

Гало. Человек и нимб вокруг него

Глория

Двойная радуга

В XVI веке Леонардо да Винчи объяснял синеву небесного свода тем, что белый воздух на тёмном фоне мирового пространства кажется синим. Л. Эйлер считал (1762), что «сами частицы воздуха имеют синеватый оттенок и в общей массе создают интенсивную синеву». В начале XVIII века И. Ньютон объяснял цвет неба интерференционным отражением солнечного света от мельчайших капель воды, всегда взвешенных в воздухе. Вопрос синего неба нстолько волновал учёных, что они проводили эксперименты по рассеянию света в жидкостях и газах. Об этом говорят названия их работ: «О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще» Д. Тиндаля, «Моделирование голубого цвета неба» и т. п.^[13] Физики Рэлей, Л. И. Мандельштам и др. объяснили это тем, что синие лучи рассеиваются флуктуациями плотностью воздуха (случайно расположенными сгущениями и разрежениями) примерно в 16 раз сильнее, чем красные. Поэтому цвет неба (рассеянный солнечный свет) — синий, а цвет Солнца (прямой солнечный свет), когда оно низко над горизонтом и лучи его проходят большой путь в атмосфере, — красный. В 1908 и 1910 году теория рассеяния света на флуктуациях воздуха была развита М. Смолуховским и А. Эйнштейном^[3].

Эффект Пуркинье

В 1818 году был обнаружен эффект Пуркинье. Этот эффект связан с изменением освещённости объектов. Например, когда смотрим в ясный солнечный день на два цветка: красный мак и синий василёк, то видим, что оба цветка имеют яркие цвета, мак видится даже более ярким. Ночью всё выглядит иначе. Мак видится чёрным, а василек светло-серым. Объясняется это кривой видимостью сумеречного зрения, красный цвет лежит за пределами этой кривой. Красные лучи не производят за этой кривой световое раздражение сетчатки, поэтому мак и выглядит чёрным. А василёк стал светло-серым от того, что палочковый аппарат в сетчатке глаза (который работает в сумерках) бесцветен (ахроматичен)^[13].

Учёт поляризации при рассеивании света

Необходимо учитывать поляризацию света при расчётах рассеивания света, так как рассеяние света сильно зависит от его поляризации. Для описания состояния поляризации светового пучка использовали параметры Дж. Г. Стокса, установленные им в 1852 году, которые обладают свойством аддитивности для некогерентных (не интерферирующих) пучков. В 1946 году Г. В. Розенберг ввёл эти параметры в задачи атмосферной оптики. Задача о многократном рассеянии света без правильного учёта его поляризации является неправильно поставленной задачей или некорректной. Впервые все компоненты матрицы рассеяния как для приземного воздуха, так и для слабых туманов были измерены Розенбергом с сотрудниками^[2].

В 1890 году было предложено уравнение, на котором основан метод расчёта распределения яркости и поляризации по небу с учётом многократности рассеяния света и отражения от земной поверхности. Оно получило название «уравнение переноса». Впервые его предложил российский физик О. Д. Хвольсон. Влияние многократного рассеяния не очень значимо для безоблачного неба. Однако для облаков у которых сильно мутные среды это многократное рассеяние является основным фактором. Без этого фактора нельзя правильно рассчитать отражение, прозрачность облаков и световой режим внутри них.

Е. С. Кузнецов (1943—1945) отказался от попытки получить аналитическое решение уравнения, так как необходимо учитывать большое количество факторов при расчётах видимости. Он решал задачу методом последовательных приближений в численной форме и изучил сходимость последовательных приближений. Также рассчитал совместно с Б. В. Овчинским (1949) подробные таблицы яркости атмосферы для различных оптических толщин, величин альбедо и разной высоты Солнца^[2]. Обширное исследование как разнообразных факторов, влияющих на наклонную дальность видимости, так и теоретических основ её расчета было проведено В. А. Краттом в 1946 году. По этой теме работали: советские учёные В. А. Амбарцумян (1941—1943, он получил уравнения для непосредственного определения коэффициентов яркости отраженного пучка), В. В. Соболев (1956, разработал метод расчета свечения мутных сред при произвольном расположении источников излучения); индийский учёный С. Чандрасекар (1950) и другие^[3].

Исследованиями яркости и поляризации неба занимались такие советские учёные как В. Г. Фесенков, И. И. Тихановский, Е. В. Пясковская-Фесенкова (основной её вывод заключается в том, что если исключить случаи высокой мутности, то большую часть наблюдений над яркостью неба можно интерпретировать при учете только рассеяния прямого солнечного света. Это связано с прозрачностью атмосферы для видимой радиации), Г. Д. Стамов^[2] и их учениками, а в исследование прозрачности облаков, нижних слоев атмосферы, туманов: А. А. Лебедев, И. А. Хвостиков, С. Ф. Родионов; американские учёные Д. Стреттон и Г. Хаутон; французские учёные: Э. и А. Васей, Ж. Брикар^[3].

Учёт аэрозоли при рассеивании света

При рассеивании света необходимо учитывать запылённость реальной атмосферы аэрозолью (природного вида: капельки воды и водных растворов и т. п.; антропогенного вида: частицы органической и минеральной пыли, частицы сажи и др.). Теорию рассеяния и поглощения света частицами аэрозоля разработал Г. Ми (1908). В этой теории описаны характеристики поглощения и рассеяния света частицами любых размеров и показателей преломления. Установлено, что ослабление падающих лучей происходит от молекулярного и аэрозольного рассеяния. Пучок рассеиваемого аэрозолем света описывают четырьмя характеристиками: степенью эллиптической поляризации, интенсивностью, степенью поляризации и угловым положением плоскости максимальной поляризации. Это описывается аддитивными параметрами Стокса, которые получили название: матрица четвёртого ранга из параметров Стокса или матрица рассеяния света^[1].

Из-за производственной деятельности человека, лесных пожаров, извержений вулканов, биологических процессов и т. п. происходит образование аэрозолей. В образовании аэрозолей занимают видное место следующие газы: SO₂, H₂S, NH₂. Содержание аэрозольных частиц в стратосфере увеличивается тогда, когда проходят мощные вулканические извержения, что приводит к изменению оптических характеристик стратосферы, которые сохраняются в ней в течение одного-двух лет после извержения^[21].

Теория рассеяния и поглощения света частицами аэрозоля была дополнена и развита советскими учёными В. В. Шулейкиным (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифриным (рассматривал прозрачность дождей для видимой радиации, 1951)^[2] и голландским учёным ван Хюлстом (1957). Было установлено, что характер рассеяния зависит от отношения радиуса частицы к длине волны и от вещества частицы. Молекулы в теории Рэлея ведут себя так же, как и малые частицы. Однако всё меняется при увеличении размера частицы, что приводит к ослаблению зависимости рассеяния от длины волны. Большие частицы рассеивают свет нейтрально. Это объясняет белый цвет облаков, так как радиусы капли облаков в 10—20 раз больше длины волны видимого света. Также объясняется белесоватый цвет неба, так как воздух пыльный или содержит капельки воды^[3].

Аэрозоли в облаках, дождях и снегопадах

В 1936 году было обнаружено, что облака на Эльбрусе имеют различные спектральные зависимости. Поэтому высказали гипотезу, что в облаках присутствует, помимо обычных капель (радиусом 5—10 мк), большое число субмикроскопических частиц (радиусом 0,1 мк, то есть аэрозолей). По этой теме работали А. А. Лебедев, В. И. Черняев (1936), Е. И. Бочаров (1955), В. Е. Зуев (1966) и другие сотрудники^[2].

В 1953 году изучали прозрачность дождей для видимой радиации Е. А. Поляков и К. С. Шифрин (1953)^[2].

В 1960 году изучал прозрачность снегопадов И. Л. Зельманович^[2].

Световые явления атмосферы как признаки предстоящей погоды

Постоянно делались попытки установить прямые связи между световыми явлениями неба и изменениями погоды. В 1924 году была опубликована монография П. И. Броунова, главная идея которой: зародить начало изучения признаков погоды по световым явлениям атмосферы. В книге систематизированы наблюдения Г. А. Тихова, Г. И. Вильда, Б. И. Срезневского и других авторов. В книге установлен ряд эмпирических закономерностей^[2]. Это направление, однако, в дальнейшем не получило большого развития. Тем не менее, изучая физику оптических явлений и изучая явления, вызывающие изменения погоды, можно попытаться найти связь между погодой и оптическими явлениями^[3].

Видимость

По этому направлению работали И. И. Тихановский (1927, разработал измеритель видимости), В. В. Шаронов (1934, разработал дымкомер) Е. С. Кузнецов (1943), Б. В. Овчинский (1943), О. Д. Бартенева, Н. Г. Болдырев и другие. Были созданы приборы по измерению видимости такие как ДМ-7 (1948), ИВ-ГГО (1953), нефелометры КОЛ-8 и КОЛ-10, регистратор прозрачности М-37 (1960, применяется для аэропортов), специальный поляризационный измеритель видимости М-53 (1963) и другие^[2].

Перенос теплового излучения

При помощи переноса теплового излучения происходит теплопередача в атмосфере. Это излучение находится в диапазоне 3…50 мкм, и его не учитывают, так как для длинных волн эффект рассеяния в «чистой» атмосфере не существенен. Тем не менее расчет переноса тепловых волн оказывается трудным, так как есть участки спектра, в которых нет сильных полос поглощения или излучения газов атмосферы: это спектр поглощающих газов (H₂O, CO₂, O₃), и он очень сложен. Дело затрудняется тем, что этот спектр изменяется с температурой и давлением и, следовательно, весьма изменчив в реальной атмосфере. Впервые эту проблему проанализировал А. В. Либединский (1939)^[2]. Также был разработан метод определения в атмосфере содержания Н₂О^[2]. По теме переноса теплового излучения занимались советские учёные В. Г. Кастров, Б. С. Непорент (разработал метод определения в атмосфере содержания H₂O^[2], Е. М. Фейгельсон и американские — Д. Хоуард и Р. Гуд^[3].

К. Я. Кондратьев выполнил подробные расчеты по этой теме (1949, 1950, 1956, 1966). В монографии, вышедшей в 1956 году, он рассмотрел вопросы радиационного теплообмена в атмосфере: данные о спектре поглощающих газов, методы измерения потоков радиации, приближенные методы расчетов, результаты расчетов и измерений радиационных потоков в атмосфере. В его трудах — монографии о лучистой энергии Солнца (1954) и книге о лучистом теплообмене (1956) — показан обзор исследований в области актинометрии и атмосферной оптики^[2].

В 1962 и 1964 годах К. Я. Кондратьев, К. Е. Якушевский, М. С. Малкевич и Л. Н. Копров произвели расчёты распределения энергии по спектру и угловой структуре излучения Земли. По этим расчётам проводят оценку точности ориентировки искусственного спутника Земли по полю теплового излучения, а также определяют по измерениям яркости со стороны искусственного спутника Земли точность потоков излучений^[2].

По этой теме измеряли потоки теплового излучения на разных уровнях в том числе проводили наблюдения над потоками в Антарктике. Был разработан актинометрический радиозонд для получения систематических сведений о радиационных потоках^[2].

Задачи атмосферной оптики

• Актуальной задачей является исследование оптических характеристик атмосферы на разных высотах. Исследование необходимо производить экспериментально для различных участков спектра и при различных гелиогеофизических условиях. Эти исследования необходимо производить с земли и с летательных аппаратов. Наземные измерения должны обеспечить материалом для исследования в оптической характеристике приземного слоя. Можно производить оптическое зондирование с земной поверхности более высоких слоев атмосферы, при помощи следующих методов: прожекторные, лазерные, сумеречные. Однако придётся столкнуться с трудностями методического характера по освобождению получаемой информации от влияния нижних (плотных) слоев атмосферы. Эту проблему решают аэростатные, ракетные и спутниковые методы исследований. Тем не менее, здесь также возникают проблемы, связанные с высотной привязкой результатов наблюдений, с определением ориентации оптической оси аппаратуры при наблюдениях, с решением обратных задач (особенно при спутниковых измерениях)^[1].
• Прямые задачи: изучение оптических свойств воздуха, моря и суши^[3].
• Обратные задачи: определение по измеренным оптическим свойствам воздуха, моря и суши других их физических характеристик; оптические методы исследования стратосферы по наблюдениям сумеречного света с применением эмпирических данных; определение спектра частиц по особенностям светорассеяния; определение температуры земной поверхности или облаков по характеру излучения; определение вертикального профиля температуры и влажности; решение задач с разработкой методов зондирования атмосферы с метеорологических искусственных спутников Земли (например, определение температуры земной поверхности или облаков по характеру излучения, достигающего спутник) и другие^[2]. Задачи состоят в разработке оптических методов зондирования. Однако существуют проблемы при такой разработке: нужно установить, что в оптической информации содержатся нужные данные; необходимо указать способ их извлечения и необходимую точность измерений^[3].
• Прикладная задача: исследование условий, влияющих на горизонтальную и наклонную видимость (на фоне неба или Земли). По этой теме занимались советские учёные В. В. Шаронов (рассмотрел различные факторы, определяющие дальность видимости, 1947), Н. Г. Болдырев, В. А. Берёзкин, В. А. Фаас (разработал специальную классификацию атмосферной дымки в связи с задачами аэрофотосъемки и наклонной видимости, 1932)^[2]; немецкий учёный Х. Кошмидер; канадский учёный Д. Мидлтон^[3].
• Производить прямые измерения в свободной атмосфере при помощи самолётов и искусственных спутников Земли^[3].

Институты атмосферной оптики

• Работу по развитию и согласованию исследований в области атмосферной оптики проводит Академия наук РФ совместно с Федеральным управлением гидрометеорологической службы РФ^[3].
• Институт оптики атмосферы имени В. Е. Зуева СО РАН в Томске. Институт публикует журнал «Оптика атмосферы и океана» (издаётся с 1988 года), издаваемый на русском и английском языках, и проводит ряд научных конференций^[23][24].
• Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН^[2].
• Институт актинометрии и атмосферной оптики при Главной геофизической обсерватории (основанный Н. Н. Калитиным в 1930 году и просуществовавший до войны. В нём велись систематические наблюдения над десятью различными радиационными характеристиками, в том числе над суммарной освещенностью и рассеянной освещенностью. На базе этих наблюдений в 1945 году В. В. Шароновым были изданы фундаментальные таблицы, являющиеся единственным справочным изданием подобного типа как у нас, так и за рубежом).
• Университет Пьера и Марии Кюри (Франция).
• Оптическое общество (OSA, США).
• Проводятся всесоюзные межведомственные совещания по актинометрии и атмосферной оптике.
• Проводятся Международные симпозиумы по отдельным проблемам^[2].

Примечания

Литература

• Броунов П. И. Атмосферная оптика. — М, 1924.
• Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. — М-Л, 1951.
• Пясковская-Фесенкова Е. В. Исследование рассеяния света в земной атмосфере. — М, 1957.
• Розенберг Г. В. Сумерки. — М, 1963.
• Кондратьев К. Я. Актинометрия. — Л, 1965.
• Xюлст Г. Рассеяние света малыми частицами, пер. с англ. — М, 1961.
• Зуев В. Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. — М, 1970.
• Мак-Картни Э. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. — Новосибирск, 1976.
• В. А. Смеркалов. Оптика атмосферы, пер. с англ.. — М, 1979.
•  (англ.) Thomas D. Rossing and Christopher J. Chiaverina, Light Science: Physics and the Visual Arts, Springer, New York, 1999, hardback, ISBN 0-387-98827-0
•  (англ.) Robert Greenler, Rainbows, Halos, and Glories, Elton-Wolf Publishing, 1999, hardback, ISBN 0-89716-926-3
•  (англ.) Polarized Light in Nature, G. P. Können, Translated by G. A. Beerling, Cambridge University Press, 1985, hardcover, ISBN 0-521-25862-6
•  (англ.) M.G.J. Minnaert, Light and Color in the Outdoors, ISBN 0-387-97935-2
•  (англ.) John Naylor «Out of the Blue: A 24-hour Skywatcher’s Guide», CUP, 2002, ISBN 0-521-80925-8

Ссылки

• Институт оптики атмосферы имени В. Е. Зуева СО РАН
• Томский научный центр Сибирского отделения РАН
• Журнал «Оптика атмосферы и океана» Институт оптики атмосферы имени В. Е. Зуева СО РАН