Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

Атмосфера по отношению к потокам солнечной радиации пред­ставляет собой мутную среду. Понятие мутности связано, прежде всего, с наличием в атмосфере различного рода примесей — взвешенных в воздухе твердых или жидких частиц самых различ­ных размеров. Примеси частично поглощают проходящую через ат­мосферу солнечную радиацию, а также вследствие дифракции час­тично рассеивают ее. Однако и при отсутствии примесей атмосфера является мутной средой, рассеивающей радиацию. При этом в каче­стве элементов мутности выступают молекулярные комплексы, в которых изменение числа молекул и расстояний между ними при­водит к колебаниям плотности.

Рассеяние на молекулярных комплексах называют обычно моле­кулярным или рэлеевским (по имени ученого, впервые установив­шего законы этого явления). Рассеяние на частицах примесей назы­вают аэрозольным. Сущность рассеяния заключается в особой фор­ме взаимодействия переменного поля падающей электромагнитной волны с частицей, находящейся в некоторой среде. Благодаря тако­му взаимодействию частица становится источником новых электро­магнитных волн — рассеянной радиации.

Задача о рассеянии радиации в общем виде сводится к решению системы уравнений Максвелла с заданными граничными условия­ми. Из анализа уравнений Максвелла следует, что падающий поток радиации определенной длины волны создает поток рассеянной ра­диации с той же длиной волны.

Большое влияние на вид решения оказывают геометрическая структура мутной среды и ее физические свойства.

Геометрическая структура среды может быть охарактеризована в основном безразмерными параметрами г/λ и l /λ, где г — радиус ча­стицы, l — расстояние между частицами и λ — длина волны падаю­щей радиации. Законы рассеяния оказываются существенно раз­личными для случаев, когда г «λ, и когда размер частицы соизмерим с длиной волны падающей радиации или значительно превы­шает ее (г ≥λ).

Если l /λ» 1, то частицы можно рассматривать как независимые излучатели. Поскольку частицы обычно расположены хаотично, то явление интерференции наблюдаться не будет и складываться будут не поля отдельных частиц, а лишь интенсивности рассеянного излу­чения. Это упрощает решение задачи так называемого кратного рас­сеяния. Кратное рассеяние есть результат рассеяния уже прежде рассеянной радиации. Кратным рассеянием можно пренебречь, если степень мутности не очень велика.

Физические свойства среды и рассеивающих частиц характери­зуются так называемым комплексным показателем преломления = п (1 + ik), где п — абсолютный показатель преломления; к — ха­рактеристика поглощения, связанная с показателем поглощения k соотношением 4πκ= k λ.

Молекулярное рассеяние. В нижних слоях атмосферы ослабле­ние солнечной радиации происходит в основном под влиянием рас­сеяния, поглощение играет меньшую роль. Поэтому вместо комп­лексного показателя т можно использовать лишь вещественный по­казатель п, так как к ≈ 0. Теория молекулярного рассеяния разрабо­тана английским ученым Рэлеем. В основе ее лежат следующие предположения: а) радиус рассеивающих диэлектрически однород­ных шарообразных частиц значительно меньше длины волны (г «λ); б) показатель преломления частиц мало отличается от пока­зателя преломления среды, причем п μ < 1, гдеμ = 2πr / λ в) частицы рассеивают свет независимо друг от друга, для чего должно выпол­няться условие l» λ; г) рассеянный свет наблюдается на расстоя­нии R» г.

Аэрозольное рассеяние солнечной радиации. Если размеры ча­стиц становятся сравнимыми с длиной волны падающей радиации, то их нельзя уже рассматривать как излучающие диполи и необхо­димо принимать во внимание излучение систем высших порядков (квадрупольные и т. д.). Поэтому законы рассеяния света на круп­ных частицах будут существенно иными, чем в случае молекуляр­ного рассеяния.

Теория рассеяния на крупных частицах создана Лявом и Ми. Важные исследования в этой области выполнены В. В. Шулейкиным, Ван де Хюлстом и др.

В атмосфере встречаются крупные частицы двух видов: непро­зрачные (пыль, п = ∞) и прозрачные (капли воды). Водяные капли в пределах ультрафиолетового и видимого участков спектра поглоща­ют очень слабо. Абсолютный показатель преломления воды в этой области несколько убывает с ростом λ (среднее значение п — 1,33).

Согласно теории, объемный коэффициент ослабления k_λ для крупных частиц описывается формулой

где K(μ, m) — некоторая функция от μ = 2πг/λ и комплексного по­казателя преломления т, называемая эффективным сечением рас­сеяния; N — число частиц в единице объема. График функции K(μ) для случая капель воды (п = 1,33) приведен на рис. 6.2. Кривая име­ет несколько максимумов, однако функция К(μ) близка к 2 при до­статочно больших р., т. е. для предельно больших частиц:

Начальный участок кривой до первого максимума (при малых μ) соответствует молекулярному рассеянию.

В дальнейшем характер зависимости рассеяния от длины волны самый раз­нообразный. Однако если частица становится доста­точно большой (μ > 40), то рассеяние практически не зависит от длины волны (так называемое нейтраль­ное рассеяние). Если в ат­мосфере такие частицы присутствуют, то небо

становится белесоватым, поскольку свет всех длин волн рассеивает­ся в одинаковой степени. По этой же причине облака и туманы име­ют белый цвет.