Что такое атмосферная рефракция

Атмосферная рефракция является причиной того, что астрономические объекты приподнимаются над горизонтом несколько выше, чем они есть на самом деле. Рефракция влияет не только на световые лучи но и на всё электромагнитное излучение, хотя и в разной степени. Например, в видимом свете, синий цвет больше подвержен воздействию рефракции, чем красный. Это может приводить к тому, что астрономические объекты расплываются в спектр на изображениях с высоким разрешением.

По возможности астрономы планируют свои наблюдения при прохождении небесным светилом верхней точки кульминации, когда оно находится выше всего над горизонтом. Также при определении координат судна моряки никогда не будут использовать светило, высота которого менее 20° над горизонтом. Если наблюдения светила, находящегося близко к горизонту нельзя избежать, то можно оборудовать телескоп системами управления для компенсации смещения, вызванного преломлением света в атмосфере. Если дисперсия тоже является проблемой (в случае использования широкополосной камеры при наблюдениях с высоким разрешением), то может быть использовано корректирование преломления света в атмосфере (используя пару вращающихся стеклянных призм). Но так как степень атмосферной рефракции зависит от температуры и давления, а также влажности (количества водяного пара, что особенно важно при наблюдении в середине инфракрасной области спектра), то количество усилий, необходимых для успешной компенсации может быть непомерно высоким.

Атмосферная рефракция мешает наблюдениям сильнее всего тогда, когда она не является однородной, например, при наличии турбулентности в воздухе. Это является причиной мерцания звёзд и деформации видимой формы солнце на закате и восходе.

Значения атмосферной рефракции

Атмосферная рефракция равна нулю в зените, меньше 1′ (одна минута дуги) при видимой высоте 45° над горизонтом, и достигают величины 5,3′ при 10° высоты; рефракция быстро увеличивается с уменьшением высоты, достигая 9,9′ при 5° высоты, 18,4′ при 2° высоты, и 35,4′ на горизонте (1976 Аллен, 125); все значения получены при температуре 10°С и атмосферном давлении 101,3 кПа.

На горизонте величина атмосферной рефракции немного больше, чем видимый диаметр Солнца. Поэтому когда полный диск солнца виден чуть выше горизонта, то он виден лишь благодаря рефракции, так как если бы не было атмосферы, то ни одной части солнечного диска не было бы видно.

Ежедневные изменения погоды влияют на точное время восхода и захода солнца и луны (см. статью «Рефракция у горизонта»), и по этой причине не имеет смысла приводить время видимого захода и восхода светил с точностью большей, чем минута дуги (подробнее это описано в книге «Астрономические алгоритмы», Джин Мееус, 1991 год, стр. 103). Более точные расчёты могут быть полезны для определения происходящих изо дня в день изменений времени восхода и захода светил при использовании стандартных величин рефракции, так как понятно, что реальные изменения могут отличаться из-за непредсказуемых изменений величины рефракции.

Из-за того что атмосферная рефракция составляет 34′ на горизонте, и только 29 минут дуги на высоте 0,5° над горизонтом, то при заходе или восходе солнца кажется, что оно сплющено примерно на 5′ (что составляет около 1/6 его видимого диаметра).

Расчёт атмосферной рефракции

формула согласуется с формулой Беннетта с точностью до 0.1′. Обе формулы будут верными при атмосферном давлении равном 101,0 кПа и температуре 10° С; для различных значений давления Р и температуры Т результат расчёта рефракции, произведённый по этим формулам следует умножить на

(по данным Мееуса, 1991, 103). Рефракция увеличивается примерно на 1% при увеличении давления на каждые 0,9 кПа и уменьшается примерно на 1% на каждые 0,9 кПа снижения давления. Точно так же рефракция увеличивается примерно на 1% при уменьшении температуры на каждые 3° С и рефракция уменьшается примерно на 1% при повышении температуры на каждые 3° С.

График зависимости величины рефракции от высоты (Беннет, 1982)

Случайные атмосферные эффекты, вызванные рефракцией

Турбулентность атмосферы увеличивает и уменьшает видимую яркость звёзд, делая их ярче или слабее за миллисекунды. Медленные компоненты этих колебаний видны нам как мерцание.

Кроме того, турбулентность вызывает небольшие случайные перемещения видимого изображения звезды, а также производит быстрые изменения в его структуре. Эти эффекты не видны невооружённым глазом, но их легко увидеть даже в небольшой телескоп.

Источник

Рефракция (света в атмосфере)

Вследствие того, что атмосфера является средой оптически неоднородной, лучи света распространяются в ней не прямолинейно, а по некоторой кривой линии. Наблюдатель видит, т. о., объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения. Различают астрономическую Р. ‒ явление преломления лучей, идущих от небесного светила к наблюдателю, и геодезическую (земную) Р. ‒ явление преломления лучей, идущих от предметов, находящихся в атмосфере (см. Рефракция геодезическая).

В случае астрономической рефракции, когда луч, идущий от светила, проходит через всю толщу атмосферы, в которой плотность воздуха, а вместе с ней и показатель преломления в общем увеличивается на пути луча, его траектория всегда обращена выпуклостью к зениту (см. рис. ); касательная AS’ к ней проходит выше направления AS к действительному месту светила. Разность между истинным z и измененным рефракцией z▓ зенитными расстояниями называется углом рефракции r, или просто рефракцией. Р. равна нулю в зените и возрастает с увеличением зенитного расстояния. Простейшая теория, в которой не учитывается кривизна слоев атмосферы равной плотности, приводит к формуле:

где коэффициент 60,2▓▓ называется постоянной Р.; В ‒ атмосферное давление (в мм ртутного столба), t ‒ температура воздуха (°С). Формулой можно пользоваться для светил с z мм. рт. см.

Зенитное расстояние, z

У самого горизонта Р. r растет с увеличением z столь быстро, что нижний край дисков Солнца и Луны бывает приподнят на несколько минут дуги больше, чем верхний, и диск приобретает сплюснутую форму. Вследствие Р. всякое светило, в том числе Солнце, появляется над горизонтом ещё до истинного восхода и остаётся видимым некоторое время после истинного захода. Быстрые турбулентные перемещения масс воздуха различной плотности порождают непрерывные колебания величины Р., вследствие чего изображения звёзд в телескопах дрожат или превращаются в размытое бурлящее световое пятно; для невооружённого глаза это воспринимается как мерцание звёзд. Это сильно затрудняет наблюдения небесных светил и заставляет выбирать для астрономических обсерваторий пункты с подходящими атмосферными условиями.

Вследствие различия Р. для лучей с разной длиной волны, особенно большого вблизи горизонта, у диска восходящего или заходящего Солнца может наблюдаться цветная кайма (сверху сине-зелёная, снизу красная), а также явление зелёного луча; звёзды же растягиваются в вертикальный спектр до 40” длиной. Для относительно близких небесных тел (Луны, искусственных спутников Земли) величина угла Р. отличается от вычисленного для звёзд, находящихся на том же зенитном расстоянии; этот эффект называется рефракционным параллаксом.

Явление Р. осложняется наклоном слоев воздуха одинаковой плотности к горизонту, что вызывает боковую Р., при которой объект смещается не только по высоте, но и по азимуту, хотя и незначительно. Знание Р. имеет важное значение в астрометрии, так как положения небесных светил, определяемые из астрономических наблюдений, всегда бывают искажены преломлением в атмосфере, что требует введения соответствующих поправок.

Из др. астрономических явлений, связанных с Р., представляет интерес освещение диска Луны красноватым светом во время полных лунных затмений. Такое освещение создаётся солнечными лучами, проходящими нижние слои воздуха насквозь и вследствие этого испытывающими двойную Р., что даёт угол отклонения до 70▓ и обеспечивает освещение всего сечения конуса земной тени на расстоянии Луны. Р. в атмосферах других планет наблюдаются при покрытиях звёзд диском планеты; звезда при этом кажется несколько смещенной. Эффектная форма Р. наблюдается в атмосфере планеты Венеры при прохождениях её перед солнечным диском, когда преломленные солнечные лучи образуют огненный ободок вокруг части диска планеты, находящейся вне Солнца. Это явление впервые описано М. В. Ломоносовым в 1761.

Р. испытывают также и радиоволны при прохождении через слои атмосферы с различными диэлектрическими проницаемостями или с различной степенью ионизации. Р. радиоволн в ионосфере является причиной распространения коротких волн на большие расстояния (см. Радиоастрономия ).

Лит.: Казаков С. А., Курс сферической астрономии, 2 изд., М. ‒ Л., 1940; Блажко С. Н., Курс сферической астрономии, М. ‒ Л., 1948; Загребин Д. В., Введение в астрометрию, М. ‒ Л., 1966.

Полезное

Смотреть что такое «Рефракция (света в атмосфере)» в других словарях:

РЕФРАКЦИЯ СВЕТА — в широком смысле то же, что преломление свеma, т. е. изменение направления световых лучей при изменении показателя преломления n среды, через к рую эти лучи проходят. Чаще термином «Р. с.» пользуются при описании распространения оптич. излучения… … Физическая энциклопедия

Рефракция света — искривление направления распространения света в неоднородной среде, фазовая скорость света в которой является непрерывной функцией координат. Р. с. в атмосфере обусловлена изменением ее плотности в зависимости от высоты и приводит к тому, что… … Астрономический словарь

Рефракция (геодезич.) — Рефракция геодезическая, собирательный термин, которым иногда объединяют различные виды и проявления Р. электромагнитных волн, обусловленные искривлением траектории распространения этих волн и сопутствующие всевозможным геодезическим измерениям.… … Большая советская энциклопедия

Рефракция — I Рефракция света в атмосфере [позднелат. refractio преломление, от лат. refractus преломленный (refringo ломаю, преломляю)], атмосферно оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся… … Большая советская энциклопедия

РЕФРАКЦИЯ ВОЛН — (от позднелат. refractio преломление) искривление направления распространения волн в неоднородной среде, скорость волн в к рой является непрерывной ф цией координат. Рефракция звука в атмосфере обусловлена пространств. изменениями темп ры воздуха … Большой энциклопедический политехнический словарь

Рефракция астрономическая — (атмосферная рефракция) преломление в атмосфере световых лучей от небесных светил. Поскольку плотность планетных атмосфер всегда убывает с высотой, преломление света происходит таким образом, что своей выпуклостью искривленный луч всегда… … Википедия

РЕФРАКЦИЯ — (ново лат., от предл. re, и fractus сломанный). Изменение направления луча света при переходе через другую среду. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. РЕФРАКЦИЯ в физ. преломление лучей света. В… … Словарь иностранных слов русского языка

Рефракция — преломление лучей света в земной атмосфере. Если быатмосфера была однородна, то лучи света, преломившись на ее пределе,распространялись бы далее прямолинейно. На самом деле плотность воздухаот границы атмосферы до поверхности земли постепенно… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

РЕФРАКЦИЯ — РЕФРАКЦИЯ, и, жен. (спец.). Преломление светового луча в атмосфере, а также изменение направления звуковых колебаний из за неоднородности среды. Р. света. Р. звука. | прил. рефракционный, ая, ое. Рефракционные явления. Толковый словарь Ожегова. С … Толковый словарь Ожегова

РЕФРАКЦИЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ — (Refraction) угол между истинным и видимым направлениями на небесное светило, образующийся вследствие преломления луча света, идущего от светила к земной атмосфере. Вследствие Р. А. видимое положение светил приподнято над горизонтом. Наибольшей… … Морской словарь

Источник

Атмосферная рефракция и оптические явления в атмосфере

Пространственные неоднородности в значениях коэффициента преломления атмосферного воздуха, вызванные пространственными изменениями его физических параметров, приводят к отклонениям в прямолинейном распространении света. Это явление получило название рефракции – искривления траекторий лучей света в неоднородной атмосфере. Принято подразделять рефракцию на ряд видов: Астрономическая рефракция – явление изменения видимого положения внеземных источников света относительно истинного положения их на небесной сфере.

Земная (атмосферная) рефракция – явления, связанные с изменением видимого положения источника света (или предмета), находящегося в атмосфере, при наблюдениях его с поверхности Земли или из другой точки в атмосфере.

Космическая рефракция – эффект изменения положения источников света при их наблюдениях из космоса через земную атмосферу. В литературе можно встретить еще определения регулярной (нормальной) и случайной рефракции. Регулярная рефракция обусловлена плавными изменениями параметров атмосферы и, соответственно, плавными изменениями коэффициента преломления. Случайная рефракция обусловлена относительно мелкомасштабными пространственными вариациями параметров атмосферы и коэффициента преломления.

Эти вариации имеют разные пространственные масштабы – от сантиметров до десятков метров. Они обусловлены, например, турбулентностью в атмосфере. Случайная рефракция приводит к хорошо известному явлению мерцаний точечных источников света, например, мерцанию звезд при их наблюдениях с поверхности Земли. Наконец, отметим явление аномальной рефракции – устойчивые, длительные (до нескольких часов) отклонения показателя преломления воздуха от его среднего значения. Явления рефракции можно объяснить с помощью эффекта преломления света на границах слоев с различными оптическими свойствами.

Рассмотрим распространение света от внеземного источника – рис. 4.10 [22]. Разобьем атмосферу на несколько концентрических слоев, достаточно тонких, чтобы считать их однородными, с постоянным показателем преломления. Обозначим соответствующие этим слоям показатели преломления n1, n2, n3 и т. д. Показатель преломления согласно (4.1.12) связан с плотностью воздуха, которая с высотой убывает, поэтому: n1

,

Из треугольника 1О2, согласно теореме синусов,

Где и расстояния от точек 1 и 2 до точки О (центра Земли). Аналогично для треугольников 2О3 и т.д.

Перемножив попарно равенства получаем

Откуда

Таким образом, в любой точке траектории луча выполняется соотношение

(4.5.3)

Астрономическая рефракция приводит к тому, что все внеземные источники света – Солнце, планеты, звезды – кажутся приподнятыми над горизонтом на некоторый угол. Важной характеристикой является угол астрономической рефракции β – угол между истинным S и видимым S’ направлениями на источник света. Максимальные углы астрономической рефракции достигаются в моменты восхода и захода светил и при небольших отрицательных высотных углах. При средних атмосферных условиях они достигают значений 35′, но при низких температурах и высоком давлении у земной поверхности изменения показателя преломления воздуха могут стать значительными и углы рефракции увеличиваются до 2–3-х градусов. За счет этого явления происходит увеличение продолжительности дня (светлого времени суток). В высоких широтах это увеличение может достигать часов и дней. Так, на полюсе продолжительность полярных дней (когда Солнце не заходит за горизонт) больше на 14 суток, чем продолжительность полярной ночи.

Лучи света от наземных предметов также распространяются по криволинейным траекториям. Углом земной рефракции называется угол между направлениями на видимое и действительное положение предмета. Значения этого угла зависят от расстояния до наблюдаемого предмета и термической стратификации приземного слоя воздуха. В зависимости от характера вертикального градиента температуры (и, следовательно, плотности воздуха), которым, согласно (4.1.12), определяется градиент показателя преломления, в приземном слое атмосферы может происходить поднятие и расширение или опускание и сужение видимого горизонта. Следствием этого эффекта является увеличение (при расширении) или уменьшение (при сужении) геометрической дальности видимости предметов.

Разработка космических методов измерений параметров атмосферы сделала актуальным рассмотрение явлений рефракции при наблюдении внеземных источников через атмосферу из космоса. Важным эффектом космической рефракции является рефракционное удлинение элемента луча. При малых высотах распространения излучения в атмосфере рефракционное удлинение может достигать 5−15 %, что необходимо учитывать при решении различных атмосферных оптических задач. При наблюдениях сквозь атмосферу диска Солнца или Луны изменение угла рефракции с высотой луча приводит к рефракционной расходимости – изменению угла между лучами, исходящими от разных краев диска. Это изменение может быть весьма существенным при достаточном удалении точки наблюдения (космического аппарата) от перигеев распространяющихся через атмосферу лучей. При этом атмосфера может действовать как рассеивающая линза, что приводит к видимому уменьшению яркости диска Солнца (Луны). Это явление рефракционного ослабления. Возможны и обратные ситуации рефракционного усиления, когда атмосфера действует как собирающая линза, уменьшая угловые размеры Солнца (Луны). Особенно сильны эти явления при наблюдениях через нижние слои атмосферы.

Там могут происходить разнообразные искажения изображений Солнца и Луны, включая даже их «разрывы». При наблюдениях излучения точечных источников (звезд) при наблюдениях из космоса, что обусловлено случайными вариациями показателя преломления атмосферы [9].

Различные оптические явления, наблюдаемые в атмосфере, имеют простые физические обоснования. Под сумерками понимают весь комплекс оптических явлений, совершающихся в атмосфере, когда Солнце восходит или заходит за горизонт. Чем ниже Солнце горизонта, тем сильнее оно освещает верхние, следовательно, менее плотные, слои атмосферы, поэтому тем слабее доходящее до поверхности рассеянное излучение. С этим и связан плавный переход от дня к ночи на Земле. Если взглянуть на земной шар из космоса, то он окажется опоясанным широкой полосой сумеречной полутени, неизменно захватывающей от 20 до 25 % земной поверхности в зависимости от состояния атмосферы. По одну ее сторону, на 42–45 % площади земного шара, господствует день, по другую сторону 33–35 % земной поверхности погружено в ночь. В тропиках, где Солнце круче опускается к горизонту, это время меньше – около 10–15 %, тогда как на высоких широтах оно возрастает до 30–40 % длительности года, причем в полярных районах в весенний и осенний периоды непрерывные сумерки – белые ночи − длятся неделями. Радуга возникает при рассеянии солнечных лучей на крупных каплях дождя.

Например, фиолетовые лучи (0,40 мкм) сильнее преломляются, чем зеленые (0,55 мкм), а зеленые — сильнее, чем красные (0,76 мкм).

Показатель преломления прозрачной оптической среды, также называемый коэффициентом преломления, показывает во сколько раз фазовая скорость света меньше скорости света в вакууме.

Комплексный показатель преломления используется, чтобы определить количественно не только изменение фазы на единицу длины, но также и (через его мнимую часть) усиление в оптическом диапазоне или потери при распространении (например, вследствие поглощения).

Комплексный показатель преломления имеет следующую физическую интерпретацию:
а) реальная часть комплексного показателя преломления определяет скорость распространения света в диэлектрике
б) мнимая часть комплексного показателя преломления отвечает за поглощение света в среде.

В стандартной атмосфере коэффициент преломления изменяется с высотой по линейному закону, а в реальной атмосфере изменение N с высотой в среднем происходит по экспоненциальному закону.

Коэффициент преломления тропосферы не зависит от частоты для волн более 1 см. Для волн миллиметрового диапазона существенно сказываются потери, что учитывается путем введения комплексной диэлектрической проницаемости воздуха.

В реальных условиях часто наблюдается нерегулярное изменение метеорологических параметров, что приводит к сложной зависимости N от высоты.

Суточные изменения коэффициента преломления атмосферы наиболее значительны в нижнем километровом слое и могут достигать 10 – 15N – ед. Они также обусловлены большим суточным ходом температуры и влажности воздуха. Случайные флюктуации коэффициента преломления связаны с атмосферной турбулентностью и могут достигать значения 10N – ед.

Искажения диска Солнца при восходе и заходе

За счет рефракции солнечных лучей при восходе и заходе возникает еще несколько оптических явлений. Прежде всего при восходе и заходе искажается форма солнечного диска. Круглый обычно диск Солнца при приближении к горизонту сплющивается в вертикальном направлении, принимая форму яйца с горизонтальной длинной осью (рис. 10.2). Объясняется сплющивание Солнца тем, что нижний его край, касаясь горизонта, испытывает более сильную рефракцию, чем верхний, который находится на высоте 32′ над горизонтом, поскольку угловой диаметр Солнца 32′. При нормальном состоянии атмосферы нижний край приподнимается за счет рефракции на 35′, а верхний только на 28′. В результате солнечный диск оказывается сплющенным на 7′. При более низких температурах у поверхности Земли, например в условиях зимних антициклонов в Сибири или в полярных районах земного шара, угол рефракции увеличивается и сплющивание солнечного диска может быть более сильным.

Подчеркнем особенность визуального наблюдения в сравнении с фотографированием и получением телевизионных изображений. При хорошем освещении (днем) и достаточных угловых размерах наблюдаемых предметов (не менее 20—30′) порог контрастной чувствительности глаза человека, как уже говорилось, равен 2%, а иногда даже 1%, пороги контрастной чувствительности (т. е. минимально разрешаемые яркостные контрасты) фотографического и телевизионного изображений равны соответственно 10—15 и 15—25%. Поскольку атмосфера вносит свою „лепту» в уменьшение имеющихся контрастов, особенно между облаками и поверхностью Земли, минимальные значения контрастов, необходимые для того, чтобы уверенно различать детали на поверхности Земли, должны быть для визуальных наблюдений, фотографирования и телевизионных изображений по крайней мере удвоены, т. е. должны быть не менее 4, 30 и 50% соответственно. Представляете, насколько глаз человека лучше различает особенности, детали наблюдаемых предметов по сравнению с фотографией и телевизионным изображением! Глазом можно увидеть то, что недоступно пока ни фотографии, ни телевизионному изображению.

По утверждению всех космонавтов, визуальная картина земной поверхности из космоса существенно отличается от фотографий и телевизионных изображений, прежде всего своей четкостью. На фотографиях поверхности Земли, облачных покровов всегда присутствует вуаль или „сеточка», что отчасти объясняется засветкой жестким излучением, имеющимся в космосе. На телевизионное изображение ослабляющее влияние оказывает, в частности, атмосфера, через которую оно должно пройти.

Все космонавты легко узнавали материки и океаны по их характерным очертаниям. На океанах видели движение волн, зыбь, в пустынях — песчаные дюны. Улавливали различие в прозрачности атмосферы над отдельными районами земной поверхности, формы облаков, циклоны, грозы и многие другие особенности суши, океана и атмосферы. С высоты полета станции 250—300 км при наблюдении вниз хорошо различимы объекты размером 1—2 км, а иногда и меньше, порядка 500 м.

2. Радиорефракция
Радиорефракцией называется искривление траектории электромагнитных волн при распространении в атмосфере. Плотность реальной атмосферы убывает с высотой, поэтому радиолуч, направленный с земной поверхности вверх, будет переходить из области с большим значением плотности в области с малыми значениями плотности. Если электромагнитный луч будет распространяться в плоскослоистой атмосфере, в которой коэффициент преломления изменяется постепенно, то будет происходить плавное искривление траектории луча. Радиус кривизны будет определяться величиной градиента коэффициента преломления в соответствии с выражением:
,(16)
где dn/dH – градиент коэффициента преломления.
Представляет практический интерес случай критической рефракции, когда радиус кривизны радиолуча, направленного вдоль земной поверхности, равен радиусу Земли и луч огибает земной шар. Условием критической рефракции будет:

Нормальная радиорефракция соответствует рефракции в нормальной (стандартной) атмосфере, имеющей градиент коэффициента преломления –4·10-8 1/м. Радиорефракция при значениях градиента коэффициента преломления от 0 до –4·10-8 1/м называется положительной пониженной рефракцией. Радиорефракция при – 15,7·10-8 – 4·10-8 1/м называется положительной повышенной рефракцией. При значении градиента = – 15,7·10-8 1/м наблюдается критическая рефракция. При значениях градиента коэффициента преломления менее – 15,7·10-8 1/м имеет место сверхрефракция. Радиус кривизны луча меньше радиуса земного шара, вследствие чего луч испытывает многократное отражение от земной поверхности.

В случае устойчивой стратификации в спектре турбулентности происходит переход энергии турбулентности в потенциальную энергию стратификации в результате работы вихрей против архимедовой силы устойчивой стратификации.

Неустойчивая стратификация приводит к возрастанию энергии турбулентности в определенном интервале частот.

Существование инверсионных слоев температуры, а также слоев с резким падением температуры сопровождается повышенным значением турбулентной энергии.

По сравнению с распространением в однородной атмосфере, в неоднородной атмосфере появляются дополнительные источники излучения, интенсивность которых полностью определяется первичным полем. Электромагнитные волны, испытавшие рассеяние на движущихся неоднородностях показателя преломления, несут в себе информацию об интегральных параметрах воздушных движений в атмосфере.

Как известно, максимум ослабления радиоволн в дождях наблюдается в ММ диапазоне волн. Ослабление обусловлено двумя механизмами: поглощением энергии волны в объеме капли дождя и дифракционным рассеянием излучения каплей во внешнее пространство.

Расчеты коэффициентов ослабления и рассеяния радиоволн в дожде показывают, что ослабление миллиметровых волн в дожде в равной степени обусловлено как поглощением энергии волны в объеме капель, так и дифракционным рассеянием падающей волны на каплях, причем это соотношение (между поглощением и рассеянием) практически не зависит ни от длины волны (в диапазоне ММВ), ни от интенсивности дождя, ни от спектра размеров капель.

В диапазоне СМ волн, напротив, ослабление определяется, главным образом, поглощением, а роль рассеяния падает с увеличением длины волны, с уменьшением интенсивности дождя и зависит от вида распределения капель по размерам.

Радиосигналы при распространении в атмосфере испытывает препятствия, в результате чего задерживаются и доходят до Земли (до приемника) чуть позднее. Нетрудно можно сказать [12], что путь радиосигналов определяется по формуле:

где S – электромагнитная дальность (псевдодальность), м; ds – элементарная электромагнитная дальность, м; c – скорость света в вакууме, м/с; v – групповая скорость распространения радиоволн в среде, м/с; n – показатель преломления. Эта электромагнитная дальность или псевдодальность по сравнению с геометрической дальностью всегда больше.

Суммарная задержка радиосигналов в атмосфере состоит из: ионосферной, тропосферной, сдвига шкал времени, систематической ошибки и случайной ошибки [13].

Причина запаздывания радиосигналов заключается в том, что атмосфера состоит из слоев с разными физическими характеристиками поэтому происходит все время рефракция радиоволн. Из формулы (5.1) видно, что электромагнитная дальность зависит от коэффициента преломления.

Тропосферная задержка радиосигналов представляет собой самый большой интерес метеорологов потому, что она даст новую возможность получения информации о влагосодержании атмосферы. В данной главе рассматриваются теоретические основы и использование радиосигналов, полученных со спутников ГНСС, в задаче дистанционного зондирования водяного пара, а также возможность реализации нового метода измерения водяного пара с помощью сети ГНСС-приемников для целей ассимиляции данных в системы гидродинамических прогнозов.

Для атмосферы верно следующее выражение:

где N – показатель преломления в N-единицах; Nd – показатель преломления в N-единицах для сухого воздуха; Nv – показатель преломления в N-единицах для водяного пара.

Показатель преломления в N-единицах для сухого воздуха может быть рассчитан по формуле:

Показатель преломления в N-единицах для водяного пара может быть рассчитан по формуле: Nv= [k₂⋅e /T+k3e/T 2 ]⋅Zv −1 (5.8)

Факторы сжимаемости сухого воздуха и водяного пара могут быть рассчитаны по следующим эмпирическим формулам:

Zd −1 =1+Pd⋅[57.90⋅10 −8 −9.4581⋅10 −4 ⋅ T −1 +0.25844⋅T −2 ]

Zv −1 =1+e⋅[13.7⋅10 −4 ⋅e ]⋅[−2.37321⋅10 −3 +2.23366T −1 −710.92T −2 +7.75141⋅10 4 T −3 ]

Известно, что для любого газа выполняется равенство:

где Pi – давление i-го газа, Па;Zi– фактор сжимаемости i-го газа; ri– плотность i-го газа, кг/м3; Ri– газовая постоянная i-го газа, Дж/кг·К; Ti– температура i-го газа, К.

Вертикальная гидростатическая задержка радиосигналов показывает, на сколько радиосигналы задерживаются в вертикальном столбе сухого атмосферного воздуха

Из описания вертикальной влажной задержки радиосигналов (5.34) видно, что необходимо определить среднюю взвешенную температуру по формуле Нетрудно понять, что средняя «взвешенная» температура имеет региональный характер, то есть она для разных районов будет различна. Средняя взвешенная температура получается экспериментальным путем, а именно, с помощью данных радиозондирования и выражается следующим образом: T_m=a_t+b_t⋅T₀ (5.43)

Вертикальная влажная задержка радиосигналов определяется влагосодержанием водяного пара в атмосфере поэтому точность его определения зависит от точности определения влажной части задержки радиосигналов. В главе 4 мы говорили о том, что влажная задержка составляет всего лишь 10% от тропосферной, а определение гидростатической задержки радиосигналов играет большую роль в точности влажной задержки. Рисунок 5.6 показывает вклад каждой из составляющих общей тропосферной задержки. Видно, что преимущественно имеет гидростатическая задержка, которая главным образом зависит от давления. Нам не трудно видеть, что максимальные значения влажной задержки соответствует максимумам разности между тропосферной и гидростатической задержками, которые нам хорошо видны из рисунка 5.7. Максимальная влажная задержка радиосигналов составляет свыше 14 см, а минимальная — около 2 см.

Проанализировав рисунки 5.9, 5.10 и 5.11 можно сказать, что влажная задержка в большей степени зависит от атмосферного давления и парциального давления водяного пара, так как гидростатическая задержка определяется главным образом приземным давлением поэтому зависимость влажной задержки от приземного давления обратная.

Из сделанных анализов можно прийти к выводу, что метод дистанционного зондирования водяного пара с помощью навигационных приемников позволяет с хорошей точностью определить интегральное количество водяного пара в атмосфере. Поэтому он имеет большое практическое значение, так как знание об интегральном количестве водяного пара будет входить в качество исходных данных гидродинамических моделей, что уточняет прогнозы. Такой метод оперативен и имеет много преимуществ по сравнению с другими методами. Это заключает в экономической значимости, в простой реализации измерения водного пара. И самым главным образом он позволяет с меньшим временным интервалом определить интегрального количества водяного пара

Источник