Как измеряли высоту атмосферной рефракции в древности. Астрономическая рефракция. Значения атмосферной рефракции

Рефракция: общие понятия, модели стандартных атмосфер - рефракция для плоскопараллельных слоев, для сферических слоев. Таблицы рефракции. Влияние аномалий рефракции на видимые координаты светил.

Общие понятия

Влияние рефракции является важной проблемой для наземной астрономии, где выполняются измерения больших углов на небесной сфере, при определении экваториальных координат светил, вычислении моментов их восхода и захода.

астрономической (или атмосферной) рефракцией . Из-за этого наблюдаемое (видимое) зенитное расстояние z¢ светила меньше его истинного (т.е. при отсутствии атмосферы) зенитного расстояния z, а видимая высота h¢ несколько больше истинной высоты h. Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.

Разность r = z - z¢ = h¢ - h , называется рефракцией.

Рис. Явление рефракции в земной атмосфере

Рефракция изменяет лишь зенитные расстояния z, но не изменяет часовые углы. Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция изменяет и склонение, и прямое восхождение светила.

Следует отметить, что рефракция в зените принимает значение r = 0, а на горизонте она достигает 0.5 - 2 градуса. Из-за рефракции диски Солнца и Луны вблизи горизонта выглядят овальными, так как у нижнего края диска рефракция на 6¢ больше, чем у верхнего и поэтому вертикальный диаметр диска кажется укороченным в сравнении с горизонтальным диаметром, который рефракцией не искажается.

Эмпирически, т.е. опытным путем из наблюдений выведено приближенное выражение для определения общей (средней) рефракции:

r = 60².25 ´В\760´273\(273 0 +t 0) ´ tgz¢,

где: В - атмосферное давление, t 0 - температура воздуха.

Тогда, при температуре, равной 0 0 и при давлении 760 мм ртутного столба рефракция для видимых лучей (l =550 миллимикрон) равна:

r =60².25 ´ tgz¢ = К´ tgz¢. Здесь К – постоянная рефракции при указанных выше условиях.

По приведенным формулам рефракция вычисляется для зенитного расстояния не более 70 угловых градусов с точностью до 0.¢¢01 . Пулковские таблицы (5-е издание) позволяют учитывать влияние рефракции до зенитного расстояния z = 80 угловых градусов.

Для более точных расчетов учитывается зависимость рефракции не только от высоты объекта над горизонтом, но и от состояния атмосферы, главным образом от ее плотности, которая сама является функцией, в основном температуры и давления. Поправки на рефракцию рассчитываются при давлении В [мм.рт.ст.] и температуре t° С по формуле:

Для учета влияния рефракции с высокой точностью (0.¢¢01 и выше) теория рефракции достаточно сложна и рассматривается в специальных курсах (Яценко, Нефедьева А.И.и др). Функционально величина рефракции зависит от многих параметров: высоты (H), широты места (j), также температуры воздуха (t), атмосферного давления (p), атмосферного давления (В) на пути светового луча от небесного светила до наблюдателя и различна для разных длин волн электромагнитного спектра (l) и каждого зенитного расстояния (z). Современные расчеты рефракции выполняются на ЭВМ.

Следует также отметить, что рефракцию по степени ее влияния и учета разделяют на нормальную (табличную) и аномальную . Точность учета нормальной рефракции определяется качеством модели стандартной атмосферы и до зенитных расстояний не более 70 градусов достигает 0.¢¢01 и выше. Большое значение здесь имеет выбор места наблюдений - высокогорье, с хорошим астроклиматом и регулярным рельефом местности, обеспечивающим отсутствие наклонных слоев воздуха. При дифференциальных измерениях с достаточным числом опорных звезд на ПЗС кадрах можно учитывать влияние вариаций рефракции, таких как дневная и годичная.

Аномальная рефракция , такая как инструментальная и павильонная учитывается обычно достаточно хорошо с помощью систем сбора метеоданных. В приземном слое атмосферы (до 50 метров) используются такие методы как размещение метеодатчиков на мачтах и зондирование. Во всех указанных случаях можно достичь точности учета аномалий рефракции не хуже 0.²01. Труднее устранить влияние флуктуаций рефракции, обусловленных атмосферной турбуленцией высокой частоты, которые имеют доминирующее влияние. Спектр мощности дрожаний показывает, что их амплитуда значительна в диапазоне от 15гц до 0.02гц. Отсюда следует, что оптимальное время регистрации небесных обьектов должно быть не менее 50 секунд. Эмпирические формулы, выведенные Э.Хегом (e =± 0.²33(T+0.65) - 0.25 ,

где Т - время регистрации) и И.Г.Колчинским (e =1\Ön(± 0.²33(secz) 0.5 , где n - число моментов регистрации) показывают, что при таком времени регистрации для зенитного расстояния (z) равного нулю, точность положения (e) звезды, около 0.²06-0.²10.

По другим оценкам такой тип рефракции может быть учтен посредством измерений в течение одной-двух минут с точностью до 0."03 (А.Яценко), до 0."03-0."06 для звезд в диапазоне 9-16 величины (I.Reqiume) или до 0."05 (E.Hog). Расчеты, проведенные в обсерватории США USNO Стоуном и Даном показали, что при ПЗС регистрации на автоматическом меридианном телескопе (поле зрения 30" x 30" и время экспозиции 100 секунд) можно определить положения звезд дифференциально с точностью до 0.²04. Перспективная оценка, выполненная американскими астрономами Colavita, Zacharias и др. (см. табл.7.1) для широкоугольных наблюдений в видимом диапазоне длин волн показывает, что с помощью двухцветной методики можно достигнуть атмосферного предела точности, около 0.²01.

Для перспективных телескопов с полем зрения ПЗС, порядка, 60"x60", с использованием многоцветовой методики наблюдений, отражательной оптики, наконец с использованием дифференциальными методами опорных каталогов высокой плотности и точности на уровне космических каталогов типа HC и TC

вполне реально достижение точности, порядка нескольких миллисекунд (0.²005).

Рефракция

Видимое положение светила над горизонтом, строго говоря, отличается от вычисленного по формуле (1.37). Дело в том, что лучи света от небесного тела, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходят сквозь атмосферу Земли и преломляются в ней, а так как плотность атмосферы увеличивается к поверхности Земли, то луч света (рис. 19) все более и более отклоняется в одну и ту же сторону по кривой линии, так что направление ОМ 1 , по которому наблюдатель О видит светило, оказывается отклоненным в сторону зенита и не совпадающим с направлением ОМ 2 (параллельным ВМ ), по которому он видел бы светило при отсутствии атмосферы.

Явление преломления световых лучей при прохождении ими земной атмосферы называется астрономической рефракцией.

Угол M 1 OM 2 называется углом рефракции или рефракцией r . Угол ZOM 1 называется видимым зенитным расстоянием светила z", а угол ZOM 2 - истинным зенитным расстоянием z.

Непосредственно из рис. 19 следует

z - z" = r или z = z" + r ,

т.е. истинное зенитное расстояние светила больше видимого на величину рефракции r . Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.

По законам преломления света луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости. Следовательно, траектория луча МВО и направления ОМ 2 и OM 1 лежат в одной вертикальной плоскости. Поэтому рефракция не изменяет азимута светила, и, кроме того, равна нулю, если светило находится в зените.

Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция изменяет и склонение, и прямое восхождение светила.

Точная теория рефракции очень сложна и рассматривается в специальных курсах. Рефракция зависит не только от высоты светила над горизонтом, но и от состояния атмосферы, главным образом от ее плотности, которая сама является функцией, в основном температуры и давления. При давлении В мм. рт. ст. и температуре t° С приближенное значение рефракции

По формулам (1.38) и (1.39) рефракция вычисляется в тех случаях, когда видимое зенитное расстояние z" < 70°. При z" > 70° формулы (1.38) и (1.39) дают ошибку больше 1", увеличивающуюся при дальнейшем приближении к горизонту до бесконечности, тогда как действительная величина рефракции в горизонте составляет около 35". Поэтому для зенитных расстояний z" > 70° рефракция определяется путем сочетания теории со специальными наблюдениями.

Вследствие рефракции наблюдается изменение формы дисков Солнца и Луны при их восходе или заходе. Рефракция нижних краев дисков этих светил у горизонта почти на 6" больше рефракции верхних краев, а так как горизонтальные диаметры рефракцией не изменяются, то видимые диски Солнца и Луны принимают овальную форму.

Опыт показывает, что траектории оптических лучей, проходящих через атмосферу, не являются прямыми линиями; они искривляются более или менее плавно. Такое искривление траектории луча свидетельствует о том, что скорость распространения света в атмосфере отклоняется от таковой в вакууме и, кроме того, изменяется на пути луча. С увеличением показателя преломления скорость света уменьшается. Показатель преломления света в атмосфере мало отличается от единицы (значения в вакууме), однако, учитывая большую длину траектории луча, этого отклонения достаточно для того чтобы получить существенное отличие траектории луча от прямой линии. Показатель преломления света (n) изменяется с изменением плотности атмосферы; аналитически это выражается следующей формулой:

Где р- давление воздуха в мб; Т-температура по абсолютной шкале.

Расчеты показывают, что, когда солнечный свет распространяется по направлению к Земле, лучи, как правило, проходят в среде с все увеличивающимся значением показателя преломления, т. е. оптическая плотность среды увеличивается, а следовательно, скорость света уменьшается.

В результате с приближением к поверхности Земли луч все больше и больше приближается к направлению отвеса, а это значит, что траектория луча будет искривлена так, что вогнутость ее будет обращена к земной поверхности. Вид этой траектории будет аналогичен траектории частички газа или жидкости, которая движется от слоя к слою с все увеличивающимся трением из-за увеличения плотности среды.

Искривление (преломление или рефракция) луча отмечается только в том случае, когда он падает на слои разной оптической плотности под углом, отличным от 90°.

Явление рефракции световых лучей объясняется тем, что электромагнитные волны, распространяясь в среде, поляризуют молекулы последней. В результате этого в среде образуется собственное электромагнитное поле, направленное противоположно внешнему полю. Взаимодействие этих полей и обусловливает уменьшение скорости света и искривление траекторий лучей. Рефракция луча тем больше, чем больше угол падения.

Вследствие искривления лучей в атмосфере удаленные предметы м наблюдаем в направлениях, отличных от истинных, поскольку мы проектируем предмет в направлении касательной к траектории луча в точке наблюдения. Угол между направлением на действительное и видимое положение предмета называется рефракцией (или углом рефракции, а угол между касательными в начальной и конечной точках пути светового луча - углом полной рефракции.

Рис. 1.5.1. Рефракция в атмосфере.

В случае, если объект наблюдения находится за пределами атмосферы (рис. 19 а), рефракция называется астрономической (ρ), если в пределах атмосферы (рис. 196) -земной (r). Астрономическая рефракция может быть вычислена по приближенной формуле:
ρ = 57” tg z’ (для z’ <= 80°), где z’ - видимое зенитное расстояние, которое всегда меньше действительного.

Наличие астрономической рефракции приводит к тому, что измеряемые зенитные расстояния светил оказываются меньше истинных, особенно в случаях, когда светила расположены у горизонта. По этой причине мы видим Солнце некоторое время и после того, как оно опустилось за горизонт, что приводит к увеличению продолжительности дня в умеренных широтах на 8-12 мин.

Явление рефракции обусловливает изменение формы видимого диска Солнца и Луны при нахождении их вблизи горизонта, так как разная величина угла рефракции для верхнего и нижнего краев светил приводит к различной величине приподнятости их, поэтому светила кажутся сплюснутыми.

Вследствие рефракции света наблюдается явление дрожания удаленных предметов и мерцания звезд. Из-за турбулентности атмосферы в последней имеется множество неоднородностей показателя преломления, которые действуют подобно непрерывно перемещающимся линзам, расположенным на пути луча.

В определенных условиях (при аномальном распределении плотности воздуха), связанных с резкими изменениями температуры по высоте и по горизонтали, лучи света в отдельных слоях воздуха могут претерпевать полное внутреннее отражение. Тогда, кроме самого объекта, можно наблюдать и его отраженное изображение (прямое или обратное). Это явление получило название миража. Миражи бывают верхние, нижние и редко боковые.

Верхние миражи обусловлены резким уменьшением плотности воздуха с высотой (при сильных инверсиях), нижние - при больших вертикальных градиентах температуры и неустойчивой стратификации, боковые - при неравномерном распределении плотности на уровне наблюдателя. Верхние и боковые миражи чаще всего наблюдаются в прибрежных водах полярных районов, нижние - в южных пустынных районах.

Верхние и боковые миражи чаще наблюдаются в высоких широтах, где нередки случаи резкого падения плотности с высотой (особенно при температурных инверсиях). Верхние миражи, напротив, возможны при незначительном падении плотности с высотой, особенно при резко неустойчивой стратификации атмосферы.

При верхнем мираже световые лучи, направленные от предмета вверх, отклоняются от прямолинейного направления и, искривляясь, достигают глаза наблюдателя таким образом, что предметы кажутся отраженными вверх в перевернутом виде.

При нижнем мираже лучи отклоняются так, что предмет кажется отраженным вниз и более обычного приподнят над горизонтом.

При боковом мираже мнимые изображения появляются справа или слева от истинного положения предмета.

Иногда очевидцы описывают явление сложного миража, когда очертания предметов сильно искажены. Это явление носит название фата-морганы.

При прохождении световых лучей через облака и осадки они испытывают преломление, отражение и дифракцию в каплях и кристаллах. В результате этого воздействия мы наблюдаем характерные оптические явления - радуги, гало, венцы и др.

Радуга - световая (радужная) дуга (дуги) радиусом 42°, 52°, окрашенная в спектральные цвета (по внешнему краю в красный, по внутреннему в фиолетовый), наблюдаемая на фоне неба и облаков в противоположной от Солнца или Луны стороне с центром в антисолярной точке (точке линии, соединяющей центр солнечного или лунного диска с глазом наблюдателя). Радуга объясняется преломлением солнечных лучей при входе и выходе из капель и полным внутренним их отражением внутри капель. Яркость и интенсивность радуги зависят от преобладающего диаметра дождевых капель. Крупнопанельный дождь образует четкую и яркую радугу с ясным разделением цветов. Радуга на фоне тумана или облаков с мелкими каплями широкая, блеклая или вовсе белая, размытая. Лунная радуга всегда белая, что объясняется свойствами человеческого глаза. Нередко наблюдается более слабая дополнительная дуга (дуги) радуги с обратным расположением цветов. При высоте Солнца 42° и более радуга не наблюдается вовсе. Чем ниже высота Солнца, тем выше и длиннее дуга радуги. Наблюдать радугу можно и в брызгах морских волн.

Гало - могут возникать, как многообразные оптические явления, в ледяных облаках верхнего яруса, особенно в перисто-слоистых. Наиболее повторяющиеся их формы можно разделить на две группы. Слегка окрашенные в различные цвета (красный цвет располагается со стороны Солнца или Луны) - круги радиусом 22° и 46°, касательные дуги к ним, ложные солнца и гало; не имеющие окраски - горизонтальный круг, вертикальные столбы, проходящие через солнечный диск, кресты и др. Окрашенные гало объясняются преломлением света в шестигранных призматических кристаллах ледяных облаков, а неокрашенные (бесцветные) - отражением света от граней кристаллов. Разнообразие форм гало зависит главным образом от типов кристаллов, суммарного движения и пространственной ориентацией их осей (граней), а также от высоты Солнца;

Венцы. В тонких капельножидких облаках, сквозь которые просвечивают Солнце или Луна, могут возникать радужные кольца - венцы. Венцы могут наблюдаться также в тумане вокруг искусственных источников света. Первый световой круг венца (ореол) непосредственно примыкает к свету, далее он сменяется концентрическими менее яркими цветными кольцами - венцами второго, третьего порядков. Размеры венцов колеблются от 1 до 10 °. Венцы образуются за счет дифракции света при прохождении через мельчайшие капли и кристаллы облаков и туманов световых лучей;

Глории - подобны венцам, но наблюдаются они в противоположной от Солнца или Луны стороне с центром в антисолярной точке. Это явление объясняется также дифракцией света, уже отраженного в капельках облаков так, что он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал.

Видимость. Отдаленные предметы видны хуже, чем близкие, не только потому, что уменьшаются их видимые размеры. Даже и очень большие предметы на том или ином расстоянии от наблюдателя становятся плохо различимыми вследствие мутности атмосферы, сквозь которую они видны. Эта мутность обусловлена рассеянием света в атмосфере. Понятно, что она увеличивается при возрастании аэрозольных примесей в воздухе.

Для многих целей очень существенно знать, на каком расстоянии перестают различаться очертания предметов за воздушной завесой. Это расстояние называют дальностью видимости, или просто видимостью. Дальность видимости чаще всего определяется на глаз по определенным, заранее выбранным объектам (темным на фоне неба), расстояние до которых известно. Но имеется и ряд фотометрических приборов для определения видимости.

В очень чистом воздухе, например арктического происхождения, дальность видимости может достигать сотен километров. Рассеяние света в таком воздухе производится преимущественно молекулами атмосферных газов. В воздухе, содержащем много пыли или продуктов конденсации, дальность видимости может понижаться до нескольких километров и даже до метров. Так, при слабом тумане дальность видимости составляет 500-1000 м, а при сильном тумане или сильной песчаной буре может снижаться до десятков и даже нескольких метров.

Дальность видимости . Различают геометрическую, оптическую и метеорологическую дальность видимости. Геометрическая дальность видимости АС (рис. 1.5.2) определяется кривизной Земли и светового луча и зависит от высоты наблюдателя и наблюдаемого объекта. Оптическая дальность видимости - это расстояние, на котором реальный объект при данных условиям погоды, освещения и наблюдения находится на границе восприятия зрением. Она зависит от прозрачности атмосферы, остроты зрения наблюдателя, свойств наблюдаемого объекта и фона, на котором наблюдается объект. Все указанные факторы весьма изменчивы, поэтому оптическую дальность видимости затруднительно применять в практических целях в качестве метеорологического элемента.

Рис. 1.5.2. Дальность видимости горизонта.

Дальность видимости реальных объектов и огней в море ночью будет равна наименьшему значению одной из трех величин: геометрической, оптической и метеорологической дальности видимости.

Поднятие (снижение) горизонта. К явлениям, связанным с земной рефракцией, относятся случаи поднятия и снижения горизонта. При отсутствии рефракции дальность видимого горизонта Д 0 определяется геометрической дальностью.

где Д 0 - геометрическая дальность видимого горизонта в км; h- высота глаза наблюдателя в м.

С учетом земной рефракции дальность видимого горизонта может быть определена из выражения где k = - dn/dr, R- радиус Земли.

При стандартных значениях давления и температуры Д = 1,08 Д 0 .

В этих условиях поднятие горизонта невелико и мы обычно его не замечаем. Если же k<0, то Д<Д 0 т. е. отмечается отрицательная рефракция, луч вогнут кверху и касается Земли ближе, чем прямолинейный. Наконец, при k>0 Д>Д 0 - положительная рефракция, горизонт приподнят.

Изменение дальности видимого горизонта определяется характером изменения температуры, а следовательно, и плотности воздуха по высоте. При падении температуры отмечается положительная рефракция, а при инверсии - отрицательная. При положительной рефракции происходит поднятие горизонта, и мы видим предметы, обычно скрытые кривизной Земли. В этом случае Д существенно больше Д 0 . При отрицательной рефракции горизонт кажется пониженным, и мы не видим даже тех предметов, которые видны в обычных условиях; в этом случае Д много меньше Д 0 .

Наибольшее поднятие горизонта отмечается в холодных воздушных массах (температура по высоте падает). Понижение горизонта наблюдается в теплых воздушных массах. Это явление особенно характерно в прибрежной зоне, когда с берега натекает на море теплый сухой воздух.

Метеорологическая дальность видимости является одной из характеристик прозрачности атмосферы, и ее следует отличать от реальной дальности видимости различных объектов, которая зависит не только от прозрачности атмосферы, но и от цвета объектов, их размеров, удаленности от пункта наблюдений, освещенности и фона.

Метеорологической дальностью видимости называется то наибольшее расстояние, с которого в светлое время суток можно обнаружить на фоне неба вблизи горизонта (или на фоне воздушной дымки) абсолютно четкое тело достаточно больших угловых размеров (больше 15 угловых минут). Видимость определяется с верхнего мостика. Оценивается она по международной 10-балльной шкале (от 0 до 9 баллов) в метрах, километр кабельтовых, милях.

При плавании вблизи берегов следует определять видимость отдельно в сторону моря и отдельно в сторону берегов и записывать в журнал наименьшую видимость.

Для определения видимости в сторону берегов используются имеющиеся в поле зрения и обозначенные на карте отдельные мысы, горы, здания, маяки, знаки и т.п., расстояние до которых известно Объекты должны быть видимы с места наблюдения под углом не более 5-6° к горизонту. В исключительных случаях, при видимости более 1 мили, допускается использование объектов, видимых под углом к горизонту до 11°.

В открытом море, вдали от берегов, при отсутствии в поле зрения каких бы то ни было объектов, необходимых для определения метеорологической дальности видимости, допускается оценка так называемой реальной поверхности моря. При отсутствии других сведений о видимости, величина реальной видимости используется как вспомогательная характеристика в оперативных целях.

Оценка реальной видимости поверхности моря производится по четкости линии действительного горизонта или по дальности видимости поверхности моря, определяемой визуально (табл. 2.).

При этом следует руководствоваться следующими принципами:

а) если видимость настолько хорошая, что поверхность моря видна вплоть до линии горизонта, то балловая оценка реальной видимости поверхности моря определяется в зависимости от высоты места наблюдений по четкости линии горизонта согласно табл. 2.;

б) если видимость настолько плоха, что линия действительного горизонта не видна, то наблюдатель старается определить на глаз, на каком расстоянии поверхность моря становится невидимой.

Табл. 2. Признаки для оценки реальной дальности видимости моря по четкости действительного горизонта

Ночные определения дальности видимости по объектам нельзя производить сразу же после выхода наблюдателя из светлого помещения. Необходимо выждать, когда глаза привыкнут к темноте. Время, необходимое для адаптации глаз (приспособления к темноте), составляет 10 -15 мин. Другим важным условием правильности определения дальности служит отсутствие огней на судне в поле зрения наблюдателя. Объекты для ночных наблюдений не должны быть источниками света и не должны находиться в поле освещения других искусственных источников света.

Если ночь темная и визуальное определение видимости невозможно, то следует использовать установленную зависимость дальности видимости от атмосферных явлений. Если наблюдается одновременно несколько атмосферных явлений, то указывается наименьшая (из соответствующих им) видимость.

Рефракция

Рефракция – это различные виды и проявления рефракционных электромагнитных волн, обусловленные искривлением траектории распространения этих волн.

Различают рефракцию световых волн, включая в неё и рефракцию лучей невидимой (инфракрасной) части спектра, и рефракцию радиоволн, так как искривление лучей тех и других волн зависит от показателя их преломления на пути их распространения в атмосфере, причём сам показатель преломления является функцией длины волны.

Искривление световых лучей вследствие преломления в оптически неоднородной среде с непрерывно изменяющимся от точки к точке показателем преломления называется рефракцией света.

Искривление лучей света от небесных тел при прохождении сквозь атмосферу Земли, обусловленное уменьшением плотности атмосферы (а, следовательно, также её относительной диэлектрической проницаемости и абсолютного показателя преломления) по мере удаления от поверхности Земли называется астрономической рефракцией. При этом объект наблюдения (источник наблюдаемых электромагнитных колебаний) расположен за пределами земной атмосферы. Он может находиться даже на бесконечно большом расстоянии по сравнению с радиусом земного шара.

Искривление лучей света от удалённых земных источников, происходящее в слое атмосферы, прилегающем к поверхности Земли, называется земной рефракцией. При этом источник наблюдаемых электромагнитных колебаний находится в пределах земной атмосферы.

Из-за неоднородности строения земной атмосферы, в которой показатель преломления в различных точках пространства различен и меняется во времени, луч электромагнитной волны является пространственной кривой с переменной кривизной и кручением. Проекции этой кривой на вертикальную и горизонтальную плоскости в точке наблюдения называют соответственно вертикальной и горизонтальной (боковой) рефракцией.

Проходя через земную атмосферу, лучи света изменяют прямолинейное направление. Вследствие увеличения плотности атмосферы преломление световых лучей усиливается по мере приближения к поверхности Земли. В результате наблюдатель видит небесные светила как бы приподнятыми над горизонтом на угол, получивший название астрономической рефракции.

Рефракция является одним из главных источников как систематических, так и случайных ошибок наблюдений. В 1906г. Ньюкомб писал, что нет такой отрасли практической астрономии, о которой бы так много писали, как о рефракции, и которая была бы в таком неудовлетворительном состоянии. До середины 20 века астрономы редуцировали свои наблюдения по таблицам рефракции, составленным в 19 веке. Основным недостатком всех старых теорий было неточное представление о строении земной атмосферы.

Примем поверхность Земли АВ за сферу радиуса ОА=R, а атмосферу Земли представим в виде концентрических с ней слоёв ав, а 1 в 1 , а 2 в 2 …с плотностями, увеличивающимися по мере приближения слоёв к земной поверхности (рис.2.7). Тогда луч SA от какого-нибудь очень отдалённого светила, преломляясь в атмосфере, придёт в точку А по направлению S¢A, отклонившись от своего первоначального положения SA или же от параллельного ему направления S²A на некоторый угол S¢AS²=r , называемый астрономической рефракцией. Все элементы криволинейного луча SA и окончательное видимое его направление AS¢ будут лежать в одной и той же вертикальной плоскости ZAOS. Следовательно, астрономическая рефракция только повышает истинное направление на светило в проходящей через него вертикальной плоскости.

Угловое возвышение светила над горизонтом в астрономии называют высотой светила. Угол S¢AH = h¢ будет видимой высотой светила, а угол S²AH = h = h¢ - r есть истинная его высота. Угол z – истинное зенитное расстояние светила, а z ¢ является видимым его значением.

Величина рефракции зависит от многих факторов и может изменяться в каждом месте на Земле даже в течение суток. Для средних условий получена приближённая формула рефракции:

Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)

Коэффициент 0,9666 соответствует плотности атмосферы при температуре +10°С и давлении 760мм ртутного столба. Если характеристики атмосферы другие, то поправку за рефракцию, рассчитанную по формуле (2.1), необходимо корректировать поправками за температуру и давление.

Рис.2.7.Астрономическая рефракция

Для учёта астрономической рефракции в зенитальных способах астрономических определений во время наблюдения зенитных расстояний светил измеряют температуру и давление воздуха. В точных способах астрономических определений зенитные расстояния светил измеряются в пределах от 10° до 60°. Верхний предел обусловлен инструментальными ошибками, нижний – ошибками таблиц рефракции.

Зенитное расстояние светила, исправленное поправкой за рефракцию, вычисляется по формуле:

Средняя (нормальная при температуре +10°С и давлении 760мм рт. ст.) рефракция, вычисляемая по z ¢;

Коэффициент, учитывающий температуру воздуха, вычисляемый по значению температуры;

B – коэффициент, учитывающий давление воздуха.

Теорией рефракции занимались многие учёные. Первоначально в качестве исходного служило предположение, что плотность различных слоёв атмосферы уменьшается с увеличением высоты этих слоёв в арифметической прогрессии (Буге). Но вскоре это предположение было признано во всех отношениях неудовлетворительным, так как оно приводило к слишком малой величине рефракции и к слишком быстрому уменьшению температуры с высотой над поверхностью Земли.

Ньютон высказал гипотезу об уменьшении плотности атмосферы с высотой по закону геометрической прогрессии. И эта гипотеза оказалась неудовлетворительной. По этой гипотезе выходило, что температура во всех слоях атмосферы должна оставаться постоянной и равной температуре на поверхности Земли.

Самой остроумной оказалась гипотеза Лапласа, промежуточная между двумя вышеизложенными. На этой гипотезе Лапласа были основаны таблицы рефракции, которые ежегодно помещались во французском астрономическом календаре.

Земная атмосфера с её нестабильностью (турбуленция, вариации рефракции) налагает предел на точность астрономических наблюдений с Земли.

При выборе места установки крупных астрономических приборов предварительно всесторонне изучается астроклимат района, под которым понимается совокупность факторов, искажающих форму проходящего через атмосферу волнового фронта излучения небесных объектов. Если волновой фронт доходит до прибора неискажённым, то прибор в этом случае может работать с максимальной эффективностью (с разрешающей способностью, приближающейся к теоретической).

Как выяснилось, качество телескопического изображения снижается главным образом из-за помех, вносимых приземным слоем атмосферы. Земля благодаря собственному тепловому излучению в ночное время значительно охлаждается и охлаждает прилегающий к ней слой воздуха. Изменение температуры воздуха на 1°С изменяет его показатель преломления на 10 -6 . На изолированных горных вершинах толщина приземного слоя воздуха со значительным перепадом (градиентом) температуры может достигать несколько десятков метров. В долинах и на равнинных местах в ночное время этот слой значительно толще и может составлять сотни метров. Этим объясняется выбор мест для астрономических обсерваторий на отрогах хребтов и на изолированных вершинах, откуда более плотный холодный воздух может стекать в долины. Высоту башни телескопа выбирают такой, чтобы прибор находился выше основной области температурных неоднородностей.

Важным фактором астроклимата является ветер в приземном слое атмосферы. Перемешивая слои холодного и тёплого воздуха, он вызывает появление неоднородностей плотности в столбе воздуха над прибором. Неоднородности, размеры которых меньше диаметра телескопа, приводят к дефокусировке изображения. Более крупные флуктуации плотности (в несколько метров и крупнее) не вызывают резких искажений фронта волны и приводят в основном к смещению, а не к дефокусировке изображения.

В верхних слоях атмосферы (в тропопаузе) также наблюдаются флуктуации плотности и показателя преломления воздуха. Но возмущения в тропопаузе не влияют заметно на качество изображений, даваемых оптическими приборами, так как температурные градиенты там значительно меньше, чем в приземном слое. Эти слои вызывают не дрожание, а мерцание звёзд.

При астроклиматических исследованиях устанавливают связь между количеством ясных дней, регистрируемых метеослужбой, и числом ночей, пригодных для астрономических наблюдений. Наивыгоднейшими районами, по данным астроклиматического анализа территории бывшего СССР, являются некоторые горные районы среднеазиатских государств.

Cтраница 1

Атмосферная рефракция зависит от ветра и наличия слоев воздуха различной плотности. Максимальный вклад в этот эффект обычно дает приземный ветер. Поэтому натурные измерения уровней шума рекомендуется проводить при скорости ветра не более 5 м / с. Необходимо учитывать и эффект розы ветров. На рефракцию также влияет температура воздуха. В дневное время при повышенной температуре воздуха у поверхности Земли и в более холодном слое, расположенном выше, звуковая волна распространяется по теплому слою, отражаясь вверх, что снижает уровень шума. Ночью происходит противоположное явление, приводящее к усилению шума. Обычно этот эффект заметен на расстояниях до 70 м от дороги.  

Благодаря атмосферной рефракции Солнце и Луна, когда находятся вблизи горизонта (при восходе или заходе), кажутся сплюснутыми в вертикальном направлении. Вследствие рефракции всякое светило появляется над горизонтом еще до истинного выхода и остается видимым некоторое время после истинного захода.  

Явления атмосферной рефракции затрудняют проведение научных исследований и применение ряда оптических методов решения технических задач.  

Кроме атмосферной рефракции огибание земной поверхности происходит вследствие дифракции радиоволн. Однако в зоне тени (за горизонтом) напряженность радиоволн быстро падает из-за потерь в подстилающей поверхности, которые быстро растут с увеличением частоты радиосигнала. Поэтому в РНС дальнего действия используют волны длинноволнового и сверхдлинноволнового диапазонов.  

Для обеспечения коррекции влияния атмосферной рефракции на прохождение радиоволн были предложены модели средних поправок к индексу рефракции.  

Это явление носит название атмосферной рефракции, а угловое смещение Аф - угла рефракции. Угол рефракции Лср 0 для звезд, расположенных в зените, и максимален (Аф 35) для звезд, находящихся у горизонта.  

Отметим, что вследствие атмосферной рефракции угол наклонения, определяющий направление на стационарный спутник, будет отличаться от величины р, которая определяется по выражению (2.6) или по рис. 2.1, на величину Ар. Последняя зависит от индекса рефракции атмосферы п и его изменения с высотой.  

На распространение рассматриваемых волн существенное влияние оказывает атмосферная рефракция. Ее действие сводится к искривлению траекторий радиоволн, приобретающих криволинейный характер с выпуклостью в сторону, противоположную поверхности земли. Рефракция проявляется тем сильнее, чем больше содержание водяных паров в воздухе. В последние годы были установлены случаи сверхдальнего распространения ультракоротких волн - на расстояния, во м ного раз превышающие расстояние прямой видимости.  

В земных условиях она зависит от коэффициента атмосферной рефракции и особенно от проводимости поверхности, вдоль которой распространяются волны.  

Если же принять во внимание так называемую атмосферную рефракцию, то результат получится еще более неожиданный. Рефракция искривляет путь лучей в воздухе и тем самым позволяет нам видеть восход Солнца ранее его геометрического появления над горизонтом. Но при мгновенном распространении света рефракции быть не может, так как преломление обусловливается различием скорости света в разных средах.  

Преломление радиоволн или оптических лучей в атмосфере, называемое атмосферной рефракцией, ведет к искривлению траектории их распространения.  

Здесь не учитывается, что на видимое положение Солнца оказывает влияние атмосферная рефракция даже в случае, когда светило находится под горизонтом. Это нельзя оценить непосредственно, так как Солнце невидно, но можно сделать косвенно - по яркости зари, вычисленной для отсутствия рефракции и измеренной при наличии последней.  

Рефракция астрономическая - явление преломления световых лучей от небесных светил при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность планетных атмосфер всегда убывает с высотой, преломление света происходит таким образом, что своей выпуклостью искривленный луч во всех случаях обращен в сторону зенита. В связи с этим рефракция всегда «приподнимает» изображения небесных светил над их истинным положением (см. рис.).

Величина рефракции, т. е. угол между истинным и видимым положениями светила на небосклоне, связана с длиной пробега луча в атмосфере и углом наклона луча к атмосферным слоям равной плотности. Рефракция равна нулю в зените и возрастает по мере удаления от зенита с приближением к горизонту. Для наблюдений с поверхности Земли величина рефракции г выражается приближенной формулой , где z - видимое зенитное расстояние светила (см. Небесные координаты). Эта формула остается справедливой лишь для . Ближе к горизонту рефракция характеризуется величинами, приведенными в таблице.

Величина рефракции в данный момент времени для данного пункта наблюдений меняется в зависимости от температуры, давления, влажности и других метеорологических факторов. При выполнении высокоточных астрономических измерений (см. Астрометрия) рефракция учитывается путем введения в результаты измерений соответствующих поправок.

Рефракция вызывает на Земле ряд оптикоатмосферных эффектов: увеличение долготы дня вследствие того, что солнечный диск из-за рефракции поднимается над горизонтом на несколько минут раньше момента, в который Солнце должно было бы взойти на основании геометрических соображений; сплюснутость видимых дисков Луны и Солнца близ горизонта из-за того, что нижний край дисков поднимается рефракцией выше, чем верхний; мерцание звезд и др. Вследствие различия величины рефракции у световых лучей с разной длиной волны (синие и фиолетовые лучи отклоняются больше, чем красные) вблизи горизонта происходит кажущееся окрашивание небесных светил.

Приведенные в таблице поправки использую-ются при наблюдениях звезд, планет и других светил, удаленных на очень большие расстояния от Земли.

Для более близких небесных тел, которые находятся, скажем, ближе Луны, влияние рефракции несколько отлично от величин, приведенных в таблице. Связано это с тем, что вследствие искривления луча света в атмосфере направления на близкие светила из точки, где стоит наблюдатель, и из точки, в которой луч света входит в земную атмосферу, непараллельны и составляют небольшой угол. Этот угол называют рефракционным параллаксом. Поправка на рефракционный параллакс вносится в результаты наблюдений Луны (до ) и искусственных спутников Земли (до нескольких десятков минут).