Метеорологічні явища, викликані розсіюванням сонічної радіації в атмосфері
Блакитний колір неба - це колір самого повітря, обумовлений розсіюванням у ньому сонячних променів. Повітря прозоре в тонкому шарі, як прозора в тонкому шарі вода. Але в потужній товщі атмосфери повітря має блакитний колір, подібно тому як вода вже в порівняно малій товщі, у кілька метрів, має зеленуватий колір. Блакитний колір повітря можна бачити не тільки дивлячись на небесний звід, але і розглядаючи віддалені предмети, що здаються обкутаними блакитнуватим серпанком. З висотою, у міру зменшення щільності повітря, тобто кількості часток, що розсіюють, колір неба стає темніше і переходить у густо-синій, а в стратосфері - у чорно-фіолетовий. Чим більше в повітрі домішок більш великих розмірів у порівнянні з молекулами повітря, тим більше частка довгохвильових променів у спектрі сонячної радіації і тим біль білуватим стає колір небесного зводу. Частками туману, хмар і великого пилу з діаметрами більше 1-2 мкм промені всіх довжин хвиль дифузно відбиваються однаково; тому віддалені предмети при тумані і пиловій імлі заволікаються вже не блакитною, а білою чи сірою завісою. Хмари, на які падає сонячне світло, теж здаються білими. Розсіювання змінює колір прямого сонячного світла. Внаслідок розсіювання особливо знижується енергія найбільш короткохвильових сонячних променів видимої частини спектра - синіх і фіолетових; тому «уціліле» від розсіювання пряме сонячне світло стає жовтуватим.Сонячний диск здається тим жовтішим, чим він ближче до обрію, тобто чим довше шлях променів через атмосферу і чим більше розсіювання. В обрії сонце стає майже червоним, особливо коли в повітрі багато пилу і дрібних продуктів конденсації (крапель чи кристалів). Точно так само і сонячне світло, відбите хмарами, розсіюючись на шляху до земної поверхні, стає бідніше синіми променями. Тому, коли хмари близькі до обрію і шлях відбитих променів світла, що йдуть від них крізь атмосферу до спостерігача, великий, вони здобувають замість білого жовтувате забарвлення.Розсіювання сонячної радіації в атмосфері обумовлює розсіяне світло в денний час. При відсутності атмосфери на Землі було б світло тільки там, куди попадали б прямі сонячні промені, чи сонячні промені, відбиті земною поверхнею і предметами на ній. А внаслідок розсіяного світла вся атмосфера вдень служить джерелом освітлення: вдень світло також є там, куди сонячні промені безпосередньо не попадають, і навіть тоді, коли сонце сховане за хмарами. Сутінки і зоря. Після заходу сонця ввечері темрява настає не відразу завдяки заломленню сонячних променів. Небо, особливо в тій частині обрію, де зайшло сонце, залишається світлим і посилає до земної поверхні поступово зменшувану розсіяну радіацію. Аналогічним образом ранком небо світлішає і посилає розсіяного світло ще до сходу сонця. Це явище неповної темряви зветься сутінок, вечірніх чи ранкових. Причиною його є висвітлення сонцем, що знаходиться під обрієм, високих шарів атмосфери. Так звані астрономічні сутінки продовжуються ввечері доти, поки сонце не зайде під обрій на 18°; до цього моменту стає настільки темно, що помітно самі слабкі зірки. Ранкові сутінки починаються з моменту, коли сонце має таке ж положення під обрієм. Перша частина вечірніх астрономічних сутінок чи остання частина ранкових, коли сонце знаходиться під обрієм не нижче 6-8°, а освітлення достатньо для читання газети, носить назву цивільних, або побутових сутінок. При подальшому опусканні сонця за обрій від 6° до 12° сутеніє настільки, що читати вже не можна, на морі запалюють вогні на маяках і на суднах, а на суходолі - вмикають на автомобілях підфарники. Такі сутінки називають навігаційними. Тривалість астрономічних сутінок змінюється в залежності від широти і пори року. У середніх широтах вони від півтора до двох годин, у тропіках менше, на екваторі дещо довше однієї години.У високих широтах улітку сонце може не опускатися під обрій чи зовсім опускатися дуже неглибоко. Якщо сонце опускається під обрій менш чим на 18°, то повної темряви взагалі не настає і вечірні сутінки зливаються з ранковими. Це явище називають білими ночами. Сутінки супроводжуються красивими, іноді дуже ефектними змінами кольорів небесного зводу на боці сонця. Ці зміни починаються ще до заходу і продовжуються після сходу сонця. Вони мають досить закономірний характер і звуться зорями. Характерні кольори зорі - пурпурний і жовтий; але інтенсивність і розмаїтість колірних відтінків зорі змінюються в широких межах у залежності від вмісту аерозольних домішок у повітрі. Різноманітні і тони освітлення хмар у сутінках. У частині небозводу, протилежної сонцю, спостерігаються явища протизорі, також зі зміною колірних тонів, з перевагою пурпурних і пурпурно-фіолетових. Після заходу сонця в цій частині небозводу з'являється тінь Землі: усе більш зростаючий у висоту і в сторони сірувато-блакитний сегмент.Явища зорі пояснюються розсіюванням світла дрібними частками атмосферних аерозолів і дифракцією світла на більш великих частках. Варто згадати про явище зодіакального світла. Так називають ніжне сяйво у вигляді нахиленого конуса, спрямованого по екліптиці. Воно спостерігається над сонцем, що знаходиться під обрієм, але вже на темному небі, тобто після кінця чи до початку астрономічних сутінок. Крізь це сяйво просвічують зірки. У тропічних широтах зодіакальне світло спостерігається краще, ніж у помірних. Вважають, що зодіакальне світло обумовлене розсіюванням сонячного світла неземним (метеорним) пилом. Віддалені предмети видні гірше, ніж близькі, не тільки тому, що зменшуються їхні видимі розміри. Навіть і дуже великі предмети на тій чи іншій відстані від спостерігача стають погано помітними внаслідок мутності атмосфери, крізь яку вони видні. Ця мутність обумовлена розсіюванням світла в атмосфері. Зрозуміло, що вона збільшується при зростанні кількості аерозольних домішок у повітрі. Для багатьох цілей дуже істотно знати, на якій відстані перестають розрізнятися обрису предметів за повітряною завісою. Цю відстань називають дальністю видимості, чи просто видимістю. Дальність видимості найчастіше визначається на око по визначеним, заздалегідь обраним об'єктам (темним на тлі неба), відстань до який відома. Але існує і ряд фотометричних приладів для визначення видимості, так званих дальномірів.У дуже чистому повітрі, наприклад арктичного походження, дальність видимості може досягати сотень кілометрів. Розсіювання світла в такім повітрі відбувається переважно молекулами атмосферних газів. У повітрі, що містить багато пилу чи продуктів конденсації, дальність видимості може знижуватися до декількох кілометрів і навіть до метрів. Тривалість сонячного сяяння - це тривалість часу протягом доби, місяця, року (звичайно багаторічна середня), коли сонце в даній місцевості знаходиться над обрієм і не приховано за хмарами, туманом, імлою і т.п.; практично - коли сонячні промені залишають слід на стрічці геліографа. Виражається в годинах чи у відсотках від найбільшої можливої величини (тобто від тривалості денного часу за даний період). У Європі середні річні значення тривалості сонячного сяяння у годинах: між 1150 (26 %) у північній Шотландії і 2900 (66 %) у Мадриді, у Москві - 1600 год., у Центральній Азії порядку 3000 год. При відсутності спостережень по геліографу тривалість сонячного сяйва приблизно обчислюється по хмарності.
21. Поглинання та розсіяння сонячної радіації в атмосфері.
Поглинання сонячної радіації в атмосфері В атмосфері поглинається порівняно невелика кількість сонячної радіації, при цьому головним чином в інфрачервоній частині спектра. Це поглинання - вибіркове: різні гази поглинають радіацію в різних ділянках спектра й у різному ступені.
Азот поглинає радіацію тільки дуже малих довжин хвиль в ультрафіолетовій частині спектра. Енергія сонячної радіації в цій ділянці спектра зовсім незначна, і тому поглинання азотом практично не відбивається на потоці сонячної радіації. У більшому ступені, але все-таки дуже мало поглинає сонячну радіацію кисень - у двох вузьких ділянках видимої частини спектра й в ультрафіолетовій його частині.
Більш сильним поглиначем сонячної радіації є озон. Його вміст у повітрі, навіть у стратосфері, дуже малий; проте, він настільки сильно поглинає ультрафіолетову радіацію, що з потоку сонячної радіації губиться кілька відсотків. У результаті поглинання у верхніх шарах атмосфери в сонячному спектрі в земної поверхні не спостерігаються хвилі коротше 0,29 мкм.
Сильно поглинає радіацію в інфрачервоній області спектра вуглекислий газ; але його вміст в атмосфері малий, і тому поглинання цим газом у загальному незначне. Основним же поглиначем радіації в атмосфері є водяна пара, зосереджена у тропосфері й особливо в нижній її частині. З загального потоку сонячної радіації водяна пара поглинає значну частку в інфрачервоній області спектра. Поглинають сонячну радіацію також хмари й атмосферні домішки, тобто тверді частки, завислі в атмосфері.
У цілому в атмосфері поглинається 15-20 % радіації, що приходить від Сонця до Землі. У кожнім окремому місці поглинання змінюється з часом у залежності як від перемінного вмісту в повітрі поглинаючих субстанцій, головним чином водяної пари, хмар і пилу, так і від висоти сонця над обрієм, тобто від товщини шару повітря, що проходять промені на шляху крізь атмосферу.
6. Розсіювання сонячної радіації в атмосфері Крім поглинання, пряма сонячна радіація на шляху крізь атмосферу послабляється ще шляхом розсіювання, причому послабляється більш значно. При цьому розсіювання радіації тим більше, чим більше містить повітря аерозольних домішок.
Розсіюванням називається часткове перетворення радіації, що має визначений напрямок поширення (а такий саме і є пряма сонячна радіація, що поширюється у вигляді рівнобіжних променів), у радіацію, що йде в усіх напрямках. Розсіювання відбувається в оптично неоднорідному середовищі, тобто в середовищі, де показник переломлення змінюється від точки до точки. Таким оптично неоднорідним середовищем є атмосферне повітря, що містить дрібні частки рідких і твердих домішок - краплі, кристали, ядра конденсації, порошини. Але оптично неоднорідним середовищем є і чисте, вільне від домішок повітря, тому що в ньому внаслідок теплового руху молекул постійно виникають згущення і розрідження, коливання щільності. Таким чином, зустрічаючись з молекулами і домішками в атмосфері, сонячні промені втрачають прямолінійний напрямок поширення, розсіюються. Радіація поширюється від часток, що розсіюють, таким чином, якби вони самі були джерелами радіації.
Близько 25 % загального потоку сонячної радіації перетворюється в атмосфері в розсіяну радіацію. Правда, значна частка розсіяної радіації (2/3 її) також приходить до земної поверхні. Але це буде вже особливий вид радіації, істотно відмінний від прямої радіації.
По-перше, розсіяна радіація приходить до земної поверхні не від сонячного диска, а від усього небесного зводу. Тому необхідно вимірювати її потік на горизонтальну поверхню. Він також виміряється в кВт/м².
По-друге, розсіяна радіація відмінна від прямої по спектральному складу. Справа в тім, що промені різних довжин хвиль розсіюються в різному ступені. Співвідношення енергії променів різних довжин хвиль у розсіяній радіації змінено на користь більш короткохвильових променів. При цьому чим менше розміри часток, що розсіюють, тим сильніше розсіюються короткохвильові промені в порівнянні з довгохвильовими.
За законом Релея, у чистому повітрі, де розсіювання відбувається тільки молекулами газів (розміри яких більш ніж у 10 разів менше довжин хвиль світла), розсіювання зворотно пропорційне четвертому ступеню довжини хвилі променів, що розсіюються:
, де Il - спектральна щільність прямої радіації з довжиною хвилі l, il - спектральна щільність розсіяної радіації з тією же довжиною хвилі, а - коефіцієнт пропорційності.
Оскільки довжина крайніх хвиль червоного світла майже вдвічі більше довжини крайніх хвиль фіолетового світла, перші промені розсіюються молекулами повітря в 14 разів менше, ніж другі. Інфрачервоні ж промені будуть розсіюватися в зовсім незначному ступені. Тому в розсіяній радіації промені короткохвильової частини видимого спектра, тобто фіолетові і сині, будуть переважати по енергії над жовтогарячими і червоними, а також і над інфрачервоними променями.
Максимум енергії в прямій сонячній радіації в земної поверхні приходиться на область жовто-зелених променів видимої частини спектра. У розсіяній радіації він зміщається на сині промені. Отже, біля земної поверхні максимум сонячної радіації припадає на жовто-зелено-синій спектр.
Додамо ще, що розсіяна сонячна радіація, на відміну від прямої, є частково поляризованою. При цьому ступінь поляризації для радіації, що приходить від різних ділянок небосхилу, неоднакова.
Розсіювання більш великими частками, тобто порошинами, краплями і кристалами, відбувається не за законом Релея, а зворотно пропорційно меншим ступеням довжини хвилі. Тому радіація, розсіяна великими частками, буде не так багата найбільш короткохвильовими променями, як радіація, розсіяна молекулами. На частках діаметром більше 1-2 мкм спостерігається вже не розсіювання, а дифузійне відбиття, при якому радіація відбивається частками, як маленькими дзеркалами (за законом - кут відбиття дорівнює куту падіння), без зміни спектрального складу.