Раздел 4. Рассеяние света в атмосфере

1.2. Неоднородности атмосферы

Электромагнитные волны, проходящие через атмосферу, вызывают колебания электронов в атомах. В результате колебаний электронов возбуждаются вторичные волны, распространяющиеся по всем направлениям. Вторичные волны являются когерентными и интерферируют между собой. В однородной атмосфере вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной электромагнитной волны. Следовательно, в однородной среде не происходит рассеяние волн, то есть, нет перераспределения энергии по направлениям.

В неоднородной атмосфере вторичные волны не компенсируют друг друга в боковых направлениях и создают дифракционную картину с довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям, то есть происходит рассеяние электромагнитных волн.

4.1. Молекулярное рассеяние

Рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с молекулами воздуха. Пусть на отдельную молекулу падает электромагнитная волна. Поскольку размеры молекулы много меньше длины волны, то все участки молекулы будут находиться в электромагнитном поле единой напряженности, поскольку пространственным изменением напряженности на расстояниях, равных размеру молекулы, мы пренебрегаем. Таким образом, внешнее поле, действующее на молекулу, можно считать однородным. Под действием электрического поля падающей волны произойдет разделение зарядов частиц, составляющих молекулу (явление поляризуемости вещества), и молекула приобретет собственное электрическое поле. Аппроксимируем его как поле электрического диполя. Колебания внешнего поля (во времени) приведут к аналогичным колебаниям диполя, т.е. его движению с ускорением, в результате чего диполь сам станет вторичным центром генерации электромагнитной волны. Эта вторичная волна и есть рассеянное излучение.

Полагая, что все молекулы взаимодействуют с излучением независимо, получаем для объемного коэффициента молекулярного рассеяния формулу: . (4.1.9)

Объемный коэффициент молекулярного рассеяния (4.1.9) прямо пропорционален концентрации. Согласно (4.1.9) объемный коэффициент молекулярного рассеяния обратно пропорционален четвертой степени длины волны света. Это утверждение носит название закон Релея. Согласно закону Релея голубые и синие лучи света (примерно 0.45 мкм) рассеиваются в воздухе значительно (почти в 4 раза) сильнее, чем оранжевые и красные лучи (0.64 мкм). Этим и объясняется голубой цвет безоблачного неба, определяемый рассеянным солнечным излучением, где преобладают голубые и синие лучи; красный цвет зари, а также красный цвет заходящих Солнца и Луны: при больших зенитных углах ослабление в атмосфере становится значительным, и поэтому в спектре прямого и рассеянного излучения «остаются» в основном красные и оранжевые лучи.

На рис. 4.3 дан спектральный ход действительной и мнимой части показателя преломления воды и льда – наиболее распространенных в земной атмосфере аэрозольных веществ. Рисунок демонстрирует спектральную изменчивость n и κ, особенно сильную для мнимой части показателя преломления – коэффициента поглощения.

На рис. 4.8 представлен спектральный ход коэффициентов ослабления для различных типов атмосферных аэрозолей [23]. Видно, что максимальное ослабление (~ 10² м^-1) характерно для кучевых облаков.