Оптические, электрические и акустические явления в атмосфере

2.1. Оптические явления.

В прошлом году мы рассматривали важный вопрос, касающийся изучения солнечной радиации. Однако основное внимание было обращено тогда на радиацию как источник энергии. Вместе с тем солнечная радиация имеет еще одно важное значение. Проходя через атмосферу, она формирует различные световые явления, изучением которых занимается специальный раздел физики атмосферы – атмосферная оптика.

В зависимости от причин возникновения все оптические явления можно разделить на 3 группы:

1. Связанные в основном с рассеиванием света в атмосфере (голубой цвет неба; его освещенность и форма; сумерки; желто-красный цвет неба утром и вечером и др.)
2. Связанные в основном с преломлением света и изменением плотности воздуха (рефракцией) (миражи, мерцание звезд, сужение и расширение горизонта и др.)
3. Связанные с преломлением света и наличием в атмосфере капель воды и ледяных кристаллов (радуга, гало, венцы и др.)

Мы с вами прошлый раз рассмотрели в основном явления первых двух групп. Сейчас очень коротко выясним как образуются явления 3 группы.

Радуга.

Она наблюдается на фоне облаков, из которых выпадает дождь, если эти облака освещены солнцем, т.е. расположены против него. Это разноцветная дуга с угловым радиусом 42⁰. По внешнему краю она красная, по внутреннему – фиолетовая. Между ними – остальные цвета. Радуга является частью окружности, центр которой лежит на прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя. Если солнце низко над горизонтом, то она представляет собой почти полуокружность. При высоте солнца 42⁰ и более радуга не видна, т.к. опускается за горизонт (с самолета можно увидеть радугу в виде круга).

Иногда кроме основной радуги видна дополнительная с радиусом 53⁰. Цветность в ней располагается противоположно. В природе может быть одновременно видна и третья и даже четвертая радуга. Их интенсивность, ширина и окраска зависят от размеров капель.

Образование радуги связано с преломлением и отражением луча в капле. При входе в каплю луч преломляется, внутри отражается и при выходе еще раз преломляется. В результате угол поворота лучей (относительно входящего луча) оказывается равен ≈138◦.

Вторая радуга объясняется тем, что внутри капли происходит 2-х кратное отражение луча.

Гало.

В ледяных облаках верхнего яруса, особенно в Cs, иногда появляются радужные круги радиусом 22 или 46 угловых радиусов, центры которых совпадают с центром солнечного или лунного дисков. Очередность окраски гало обратная по сравнению с радугой.

Гало объясняется преломлением света в шестигранных ледяных призмах. Неокрашенные гало наблюдаются когда вместо преломления имеет место отражения луча от граней призмы. При гало радиусом 22⁰ свет преломляется боковыми гранями при беспорядочной ориентации соей кристаллов в атмосфере. Гало 46⁰ образуется, когда преломление не между гранями, а гранями и основаниями призм.

Разнообразие форм гало и другие явления (столбы, горизонтальные круги, ложные солнца и т.д.) формируются в зависимости от ориентации осей кристаллов в пространстве и высоты Солнца.

Венцы.

В тонких обычно водяных облаках, например Ac, состоящих из мелких однородных капель и закрывающих диск солнца иногда наблюдаются окрашенные дифракционные кольца. В ярком свете солнца венцы можно наблюдать только через темное стекло или вокруг его отражения в спокойной воде. Поэтому чаще всего венцы наблюдают вокруг луны и звезд, а также вокруг искусственных источников (например, фонарь). Кольца венцов обычно разделены темными промежутками. Размеры венцов разные от 1 до 5⁰. Дифракция света образуется при прохождении его через очень малые промежутки между облачными элементами.

2.2. Атмосферное электричество

2.2.1. Ионизация атмосферы

Исследованиями установлено, что атмосфера электропроводна. Это связано с ее свойством ионизацией. Суть ее состоит в том, что под влиянием ряда факторов (и прежде всего радиоактивного и космического излучения) от нейтральных молекул отделяются электроны. Остающиеся части молекул превращаются в положительные ионы. Освободившиеся электроны присоединяются к нейтральным молекулам, образуя отрицательные ионы. Вокруг этих ионов группируются другие молекулы. Такие заряженные комплексы молекул называются легкими ионами. Когда к ним присоединяются частички примесей они становятся больше размерами и превращаются в так называемые тяжелые ионы.

Электропроводность атмосферы определяется концентрацией ионов и их подвижностью и в свою очередь связана с метеорологическим состоянием атмосферы. Загрязнение атмосферы приводит к уменьшению электропроводности. В годовом ходе проводимость атмосферы выше в теплый период. Она выше и рано утром.

С высотой ионизация быстро растет. Особенно велика ионизация на высотах от 50-80 км до 400-500 км. По этому этот слой атмосферы называется ионосферой. Электромагнитные волны испытывают определенное влияние ионосферы. Лишь ультракороткие волны пронизывают ионосферу. Радиоволны в ней искривляются, а более длинные волны полностью отражаются уже в нижней ионосфере.

2.2.2. Электрическое поле атмосферы и облаков.

Электрические заряды, постоянно содержащиеся в атмосфере и на Земле, создают электрическое поле. В целом Земля заряжена отрицательно, а атмосфера положительно. Наибольшая напряженность электрического поля отмечается у Земли, а на высоте 10 км поле близко к нулю.

В облаках постоянно происходят процессы электризации, образуются объемные электрические заряды и электрическое поле. Например, в грозовом облаке может скопиться заряд от 10 до 200Кл (для сравнения, заряд всей поверхности Земли равен -579000 Кл). Распределение зарядов внутри облака таково: обычно в верхней части облака скапливаются положительный заряд, в нижней – отрицательный.

2.2.3. Гроза, ее характеристики.

Особенно большие объемные заряды электричества скапливаются при формировании мощных кучево-дождевых облаков. При критической разности потенциалов между двумя разноименными зарядами в облаке, облаками или между облаком и землей возникает разряд молнии. Чаще всего возникает линейная молния с разрядом, напоминающим ветвь дерева. Учитывая малую продолжительность молнии (десятки доли секунд), сила тока при разряде очень велика ≈ 20000А и более. Разряды чаще всего возникают между облаками, а не между Землей и облаком. Весьма редкой формой молнии является шаровая, которая до сих пор не изучена (неясно, например, почему она существует значительно дольше чем линейная).

Таким образом, гроза – это процесс проявления кучево-дождевого облака (осадки, молния, гром, шквал). Ее продолжительность от нескольких минут до нескольких часов.

Наибольшее число гроз в экваториальных и тропических районах на суше: 100-150 дней в году. К полюсам их количество уменьшается.

2.3. Атмосферная акустика.

Этот раздел физики атмосферы изучает особенности распространения звуков (звуковых волн) в атмосфере. Звук – это колебания воздуха с частотами от 16-20 до 20000 Гц (т.е. от 20 до 20 тыс. колебаний в секунду), которые воспринимаются ухом. Звуковая волна – это изменения (колебания) плотности воздуха. Источниками звука могут быть:

- устройства, вызывающие упругие звуковые колебания (музыкальные инструменты, голос человека, звонок и т.д.)

- вихри, возникающие в воздушном потоке при обтекании твердых тел (вой ветра в трубах, гудении проводов и т.д.)

- мгновенное уплотнение воздуха при взрывах, выстрелах, вулканизме и т.д.

Атмосфера является акустически неоднородной средой, поэтому звуковые волны испытывают ослаблении, отражении, преломлении.

Все это связано с физическим состоянием атмосферы. Поэтому изучение распространения звука является косвенным методом изучения свойств самой атмосферы.

Скорость звука (С) в атмосфере можно рассчитать по формуле Лапласа. В сухом воздухе при нормальных условиях (Р₀= 1013гПа, t = 0⁰С) С ≈ 332 м/с.

В реальной атмосфере С = , k = C_p/C_u, R – удельная газовая постоянная, Т – температура воздуха, т.е. скорость зависит от температуры воздуха. Увеличение температуры воздуха на 1⁰С приводит к увеличению скорости на 0,6 м/с.

Влияние влажности на С очень мало (через k, хотя зависимость прямая). Отмечена также пропорциональная зависимость С от ветра (при совпадении направлений звука и ветра).

Скорость звука зависит и от вертикального градиента и температуры воздуха. При понижении t с высотой на некотором расстоянии от источника формируется «звуковая тень», т.к. траектории звуковых лучей поднимаются вверх. По этому, если в зоне «звуковой тени» подниматься вверх, то можно выйти из «тени». При обратном (инверсионном) распределении температуры с высотой «звуковая тень» не наблюдается, т.к. звуковые лучи опускаются вниз. В этом случае дальность слышимости увеличивается.

В атмосфере звук не только преломляется (из-за разной плотности воздуха), но и отражается от более плотных зон «с туманами», с осадками, от облаков и особенно от твердых поверхностей.

В природе существует также целый ряд звуковых явлений, происхождение которых связано с метеопроцессами. В первую очередь таким явлением является «гром». Его возникновение связано с внезапным расширением воздуха в канале молнии, что создает ударную волну. По промежутку времени между громом и молнией можно определить расстояние до грозового очага. Для этого время в секундах нужно умножить на 332 м/с (или каждые 3 секунды времени соответствуют 1 км до разряда).

При обтекании ветром твердых предметов с них срываются вихри, поэтому нередко слышим звук (гудение проводов).

Скрип снега при морозах объясняется разламыванием кристаллов и их перемешиванием.

Голос моря» - это срывы с гребней волны ветровых вихрей, в результате чего возникают инфразвуки, которые не слышны для уха, но которые давят на перегородку уха и вызывают боль.