Атмосферная оптика — раздел физики атмосферы, изучающий процессы распространения оптического излучения в атмосфере. Атмосферная оптика исследует физические и химические процессы, которые определяют оптическое состояние атмосферы, механизмы формирования и изменения климата, основанные на оптически значимых составляющих атмосферы, а также процессы в атмосфере, определяющие радиационный режим и климат Земли. В рамках физической оптики также разрабатываются методы исследования окружающей среды.
Разделы атмосферной оптики включают в себя молекулярную спектроскопию, распространение оптических волн, атмосферную коррекцию, дистанционную диагностику окружающей среды, эволюцию оптических характеристик под воздействием природных и антропогенных факторов.
Атмосферная оптика тесно связана с изучением оптики коллоидов и аэрозолей, планетных атмосфер, оптики моря, радиационной теплопередачи и др. С атмосферной оптикой связано открытие явления рассеяния излучения, определение числа Авогадро, доказательство молекулярного строения атмосферы и кинетическая теория газов и др. Атмосферная оптика находит применение в решении проблем физической химии, астрофизики, океанологии, техники, метеорологии, транспорта, агротехники, светотехники, курортологии, астрофизики и т. д.
История
Атмосферная оптика является одной из наиболее древних наук, она зародилась несколько тысяч лет назад, когда человек впервые начал систематизировать свои наблюдения за небом. До начала XX века в атмосферной оптике преимущественно использовались методы визуального наблюдения, учёных в первую очередь интересовали феноменологические явления: зори, радуги, гало, венцы, глории, миражи, ложные солнца, цвет неба и облаков. Указанные явления происходят при рассеянии световых лучей от солнца в атмосфере и сильно зависят от длин волн излучения.. Современная атмосферная оптика изучает распространение, трансформацию, а также генерацию электромагнитных волн в широком диапазоне длин волн: от ультрафиолета до радиоизлучения.
Иллюзия изменения размеров Солнца и Луны у горизонта
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). Аристотель объяснял данную иллюзию астрономической рефракцией, то есть увеличением размеров объектов, создаваемым атмосферой. 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» предположил, что иллюзия 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 данная иллюзия объясняется особенностью человеческого восприятия. Для человека небо представляется в виде сплюснутого купола, на котором и располагаются все небесные объекты. В такой проекции объекты вблизи горизонта кажутся более удаленными чем те, что расположены в зените. Поэтому объект одного размера визуально увеличивается при проектировании на горизонт и уменьшается — при проектировании на зенит . Тем не менее, в книге Хелена Росса (2002) «Загадка лунной иллюзии», в которой рассматриваются различные теории, объясняющие иллюзию, автор приходит к выводу, что «ни одна теория не победила».
Вопрос о цвете неба и солнца
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 настолько 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. Точку в вопросе о цвете неба поставили физики Рэлей, Л. И. Мандельштам и др. Они объяснили синий цвет неба тем, что свет с более короткими длинами волн (синий участок видимого спектра) лучше рассеивается на флуктуациях плотности воздуха (случайно расположенные сгущения и разрежения). В 1908 и 1910 годах теория рассеяния света на флуктуациях воздуха была развита М. Смолуховским и А. Эйнштейном.
Эффект Пуркине
В 1818 году Ян Пуркине обратил внимание на изменение восприятия цветовых сочетаний в сумерках. Например, если посмотреть в ясный солнечный день на два цветка: красный мак и синий василёк, то оба они имеют яркие цвета, мак представляется даже более ярким. Однако ночью всё выглядит иначе: мак видится практически чёрным, а василек светло-серым. Данный эффект и получил имя Пуркине. Эффект связан с изменением освещённости объектов и объясняется кривой видимости сумеречного зрения. Красный цвет лежит за пределами кривой видимости и поэтому остается неразличимым в сумерках, поэтому мак и выглядит чёрным. В то же время василёк становится светло-серым, поскольку палочковый аппарат в сетчатке глаза, работающий в сумерках, бесцветен (ахроматичен).
Учёт поляризации при рассеивании света
Учёт поляризации при расчётах рассеивания света необходим, поскольку рассеяние света сильно зависит от его поляризации. Более того, задача о многократном рассеянии света без правильного учёта его поляризации является некорректно поставленной. В 1852 году Дж. Г. Стокс установил параметры, необходимые для описания поляризации светового пучка, которые обладают свойством аддитивности для не когерентных (не интерферирующих) пучков. В 1946 году Г. В. Розенберг использовал данные параметры в задачах атмосферной оптики. Розенбергом и сотрудниками института впервые были измерены все компоненты матрицы рассеяния как для приземного воздуха, так и для слабых туманов.
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. При рассмотрении безоблачного неба влияние многократного рассеяния является незначительным. Однако при рассмотрении облаков, которые являются сильно мутными средами, многократное рассеяние является важным 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 при расчётах видимости требовалось учитывать большое количество факторов. Он решал задачу методом последовательных приближений в численной форме и изучал сходимость последовательных приближений. Также совместно с Б. В. Овчинским (1949) были получены подробные таблицы яркости атмосферы для различных оптических толщин, величин альбедо и разной высоты Солнца. 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, 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.
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 и их учениками. В исследованиях прозрачности облаков, нижних слоев атмосферы, туманов участвовали: А. А. Лебедев, И. А. Хвостиков, С. Ф. Родионов; американские учёные Д. Стреттон и Г. Хаутон; французские учёные: Э. и А. Васей, Ж. Брикар.
Учёт аэрозоля при рассеивании света
При рассеивании света необходимо учитывать запылённость реальной атмосферы аэрозолем (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). Теория описывает 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.
Образование аэрозолей в атмосфере обусловлено производственной деятельностью человека, лесными пожарами, извержениями вулканов, биологическими процессами и другими причинами. Видное место в образовании аэрозолей занимают такие газы как диоксид серы (SO2), сероводород (H2S), аммиак (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.
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) и голландским учёным ван Хюлстом (1957). Было установлено, что характер рассеяния зависит от отношения радиуса частицы к длине волны и от вещества частицы. В теории Рэлея молекулы вещества ведут себя так же, как и небольшие частицы, однако всё меняется при значительном увеличении размера частицы. В этом случае зависимость рассеяния от длины волны ослабевает и оказывается, что большие частицы рассеивают свет нейтрально. Данный факт объясняет белый цвет облаков, поскольку радиусы капель облаков в 10—20 раз больше длины волны видимого света. Так же белесоватый цвет неба объясняется тем, что воздух содержит пыль или капельки воды.
Аэрозоли в облаках, дождях и снегопадах В 1936 году было обнаружено, что облака на Эльбрусе имеют различные спектральные зависимости. Была выдвинута гипотеза, что в облаках Эльбруса присутствует, помимо обычных капель (радиусом 5—10 микрометров), большое число субмикроскопических частиц (радиусом 0.1 мкм, 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.
В 1953 году изучали прозрачность дождей для видимой радиации Е. А. Поляков и К. С. Шифрин (1953).
В 1960 году изучал прозрачность снегопадов И. Л. Зельманович.
Световые явления атмосферы как признаки предстоящей погоды