Реферат: Атмосферное излучение

<u/>

АТМОСФЕРА [от гр. atmos — пар и sphaire — шар] — газообразная оболочка Земли и других небесных тел. У земной поверхностив основном состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%),водяного пара (0,2-2,6%), углекислого газа (0,03%). Газовый состав атмосферыявляется причиной многих оптических эффектов, связанных с излучением. Пораспределению температуры с высотой атмосферу делят на следующие слои:тропосферу, где развиваются почти все погодные процессы (образование облаков,выпадение осадков и пр.); над тропосферой расположен переходный слой — тропопауза, выше которой идет ряд слоёв, составляющих вместе т. н. верхние слоиатмосферы. Земная атмосфера прозрачна почти полностью для падающего извнеизлучения лишь в двух сравнительно узких окнах: оптическом — в диапазоне волн от 0.25 мкм до 1.5-2 мкми радиодиапазоне — дляволн длиной от 1 мм до 15-30 м.

Природа атмосферного излученияразлична:

1)   толща атмосферы являетсягигантским «оптическим прибором», перераспределяющим световой поток, попадающийот солнца на землю;

2)   атмосфера играет рольнакопительного элемента, принимающего и удерживающего энергию космоса воколоземной области;

3) атмосфера является зеркалом,которое препятствует энергетической утечке с земли;

     и, на конец, 4) атмосфера сама являетсяпервоисточником энергии электромагнитных волн.

Голубой цвет дневного безоблачногонеба является примером перераспределения световой энергии в атмосфере. Русскийфизик  Мандельштам показал, что беспорядочное движение молекул не может сделатьгаз однородным. Наоборот, в реальном газе всегда имеются мельчайшие разреженияи уплотнения, образующиеся в результате хаотического теплового движения молекулгаза. Вот они-то и приводят к рассеянию света, так как нарушают оптическую однородностьвоздуха. Так как размеры неоднородностей, возникающих в результате хаотическогодвижения, меньше длины световых волн, то рассеиваться будут преимущественноволны, соответствующие фиолетовой и синей части спектра. А это приводит, вчастности, к голубой окраске неба днем, когда солнце высоко, и к краснымвосходам и закатам при малых углах наблюдения утром и вечером.

     Неоднородность атмосферы приводит к такимпериодически возникающим свечениям, как гало и солнечная колонна. Светлый туманвокруг Солнца или Луны можно видеть довольно часто. Это бывает тогда, когданебо затянуто пеленой — лёгкими высокими перистыми облаками. Мельчайшие ледяныекристаллики и капельки воды, из которых эти облака состоят, как бы светятся,рассеивая лучи яркого источника света. Иногда, если облака достаточно тонкие иоднородные, вокруг Солнца или Луны появляется не просто туманное свечение, аяркий круг, реже сразу несколько кругов – гало’ (от греч. «галос» -«круг», «диск»).  Гало – белыеили радужные световые дуги и окружности вокруг диска Солнца или Луны. Онивозникают вследствие преломления или отражения света находящимися в атмосферекристаллами льда или снега. Кристаллы, формирующие гало, располагаются наповерхности воображаемого конуса с осью, направленной от наблюдателя (извершины конуса) к Солнцу. При некоторых условиях атмосфера бывает насыщенамелкими кристаллами, многие грани которых образуют прямой угол с плоскостью,проходящей через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы. Такие грани отражаютпоступающие лучи света с отклонением на 22°, образуя красноватое с внутреннейстороны гало, но оно может состоять и из всех цветов спектра. Реже встречаетсягало с угловым радиусом 46°, располагающееся концентрически вокруг22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок.Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае наобразующих прямые углы гранях кристаллов. Ширина кольца такого гало превышает2,5°. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркостьв верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное галопредставляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общийцентр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешнейстороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен.

Изредка ледяные кристаллы, составляющие облака,располагаются так, что отдельные участки гало светятся более ярко, образуяпаргелии (от греч. «пара» — «возле» и «гелиос» — «солнце») — ложные солнца.Возможно, название звучит слишком громко, но именно за ним скрывается довольноскромное метеорологическое явление. Есть в нем и практическая польза — егопоявление сопровождает прохождение холодного атмосферного фронта и позволяетпредсказать близкое похолодание. В такие периоды в атмосфере образуютсякристаллы льда определенной формы, и результатом преломления в них солнечногосвета являются довольно яркие радужные пятна по сторонам от солнца (чаще всего- на угловом расстоянии в 22 угловых градуса). Несколько напоминая«оторванные» фрагменты радуги, они отличаются от нее большей долейяркой белизны. Не перепутать эти явления помогает их различное местоположениена небе — в отличие от ложных солнц, радуга всегда бывает видна в стороне,противоположной Солнцу.

Ложные солнца — это наиболее яркиефрагменты общей картины явления гало, и потому бывают чаще замечаемы. Принеравномерной структуре облачности ложное солнце может наблюдаться только содной стороны от «истинного». Продолжается это явление от несколькихдо десятков минут, пока высотные ветры не разрушат благоприятную для егообразования тонкую облачность.

В тихую погоду на закате или навосходе можно заметить по обе стороны от Солнца столбы света, как бывздымающиеся к небу из-под Земли. Это лучи, отражённые от вертикальнорасположенных ледяных кристаллов, из которых образуются медленно опускающиесяперистые облака. Отдельные участки «солнечных столбов» бывают порой настолькояркими, что тоже создают ложные солнца. В сильный мороз такие столбы предвещаютдальнейшее понижение температуры. В обоих случаях причиной оптического явленияявляется атмосферный водяной пар, находящийся во взвешенном состоянии в формемельчайших кристалликов льда.

В каплях воды, взвешеенных ввоздухе, то можно наблюдать радугу. Капли воды играют в данном случае рольпризмы, разлагающей солнечный свет в спектр.

Взвешенные в атмосфере водяныельдинки являются причиной появления других светящихся объектов — перламутровыхи серебряных облаков. Перламутровые облака — очень тонкие просвечивающие облака, которые возникают на высотах 22-30 км,сходные по форме с чечевицеобразными. Эти облака имеют радужную окраскувследствие дифракции света на частицах облаков — переохлажденных каплях илиледяных кристаллов. В сумерки рассеянный и отраженный этими облаками свет стольярок, что предметы на земле отбрасывают заметные тени. Эти облака наблюдаются всеверных горных странах — Финляндии, Скандинавии, Аляске. По-видимому,воздушные течения, возникающие над горами, обуславливают их происхождение.Вследствие редкости этого явления перламутровые облака мало изучены.

Что касается серебристых облаков,то их наблюдают ученые более ста лет. Сейчас хорошо известно, что серебристыеоблака плавают в земной атмосфере на высотах от 75 до 90 километров. Этотатмосферный слой характерен крайне низкими температурами, доходящими до минус140°С. Такой холод объясняется тем, что земное излучение сюда почти не доходит,а для излучений Солнца на этих высотах нет поглотителей (ниже такимпоглотителем служит озон, а выше — атомарный кислород). Более всего здесьпонижается температура летом, и притом в средних широтах, таковы особенностициркуляции и теплообмена в верхней атмосфере. Поэтому, серебристые облаканаблюдаются только в летний период (июнь-сентябрь), и в средних широтах (всеверном полушарии на широтах 45-70°, в южном — на широтах 40-65°). В последниегоды серебристые облака изучают не только с Земли, но и из космоса. Былоустановлено, что слабая дымка серебристых облаков образуется не только надсредними широтами, но и в экваториальном поясе.

Серебристыеоблака — светлые прозрачные облака, (настолько прозрачные, что через них хорошовидны звезды) самые высокие облачные образования. На вид серебристые облакапохожи на обычные перистые. Но в отличие от перистых облаков, которые видныднем, серебристые видны после захода солнца, или перед его восходом. Крометого, серебристые облака обладают «собственным свечением», т.е. всегда выглядятсветлыми на фоне темного неба. Различают четыре основных класса серебристых облаков:флер, полосы, волны, вихри.

1)Флер — это тонкая дымка, более или менее однородная. Часто флер сочетается сдругими формами — заполняет промежутки между полосами и гребнями. Но нередкобывает виден только флер.

2) Полосы, параллельные горизонту- основная форма серебристых облаков. Реже появляются полосы, наклоненные кгоризонту или перекрещивающиеся.

3) Волновые образования имеют видгребней волн. Их принято делить на три подкласса: гребешки (короткие, идущие нанебольших расстояниях параллельно друг другу), гребни (более длинные и частоиначе ориентированные, чем маленькие гребешки), волнообразные изгибы,накладывающиеся на другие образования так, что вся система облаков словноколышется на большой волне.

4) Вихри — облака этого класса,пожалуй, самые эффектные, но встречаются они реже других. Вихревые образованияпорой напоминают причудливые перья диковинных птиц, иногда похожи на«воронки» с темной серединой.

Длительные исследованиясеребристых облаков показали, что эти облака, состоят из мельчайшихкристалликов льда. Весьма вероятно, что ядрами конденсации для намерзания льдаслужат частицы метеорной пыли, проникающие в нашу атмосферу из космическогопространства или образующиеся в результате разрушения в атмосфере метеорныхчастиц.

Так как, чаще всего серебристые облака наблюдались послесильных, особенно катастрофических извержений, то была гипотеза о том, что ониобусловлены вулканическим пеплом. Очень яркие серебристые облака и светлыебелые ночи отмечались после падения Тунгусского метеорита. По данным наблюдений34 метеорологических станций, поле серебристых облаков тогда имело площадь51х106 км2.

Таким образом, природа серебристых и перламутровых облаковне везде одна и та же. В районах высоких и средних широт это настоящиеконденсационные серебристые облака, а в низких широтах они обусловленыпреимущественно вулканической и космической пылью. Не исключаются антропогенныесеребристые и перламутровые облака, возникающие в результате ядерных взрывов,работы реактивных двигателей.

Серебристые облака,, совершенноне связаны с привычными нам облаками из водяных капель. Возникают серебристыеоблака на высотах около 80 км, раз в 10 выше, чем обычные. Подсвеченныесолнцем, находящимся под горизонтом, они имеют серебристый или голубоватыйоттенок, иногда окрашиваясь у горизонта в золотистый цвет. Кроме окраски, отобычных тонких облаков серебристые отличаются вытянутостью в направленииполюса.

!!! Наблюдаются они только светлымилетними ночами в умеренных и северных широтах.

Природа серебристых облаков до сих пор не вполне изучена.Предположительно, они состоят из мельчайших частиц, покрытых льдом, и потомуотражающих свет. Появление таких частиц в верхней атмосфере связывается свыбросом вулканической пыли при сильных извержениях или попаданием межпланетнойпыли. !!!

Излучением атмосферы, не связанным с излучением солнца,является полярное сияние. Полярные сияния возникают, когда движущиеся с высокойскоростью заряженные частицы (электроны и протоны), излучаемые Солнцем,попадают в магнитное поле Земли и сталкиваются с молекулами газа в верхнихслоях атмосферы. Столкновения заряженных частиц с молекулами азота и кислорода,приводят их в возбужденное состояние. Выделяя избыток энергии, молекулыкислорода дают яркое излучение в зелёной и красной областях спектра, а молекулыазота — в фиолетовой. В результате в небе над полюсами возникают разноцветныеполосы протяженностью около 4000 километров. Такие процесы происходят только вверхних слоях атмосферы, т.к. во-первых, в низких плотных слоях столкновениямолекул воздуха друг с другом сразу отнимает у них энергию, получаемую отсолнечных частиц, а во-вторых, сами космические частицы не могут проникнуть глубоков атмосферу Земли.  Последние исследования показали, что молекулы воздухавозбуждаются в основном электронами. Как следует из названия, полярные сияниявозникают в основном  в районе полюсов Земли. Причина тому — отклонениезаряженных частиц к полюсам магнитным полем Земли. Возникают полярные сияния,то есть свечение верхних разреженных слоев атмосферы, после взаимодействияатомов и молекул на высотах 90-1000 км. Полярные сияния симметричны, т.е.наблюдаются на обоих полушариях. Кроме того, это свечение наблюдается не толькос земли, но и из космоса.  Полярные сияния периодически наблюдаются у Венеры иЮпитера.

Солнечные лучи,проникая сквозь прозрачную атмосферу, нагревают земную поверхность, заставляяее излучать. Тепловое инфракрасное излучение земной поверхности невоспринимаемое глазом излучение земной поверхности с длинами волн от 3 до 80мкм. Поток собственного излучения земной поверхности направлен вверх и почтицеликом поглощается атмосферой, нагревая ее. За счет собственного излученияземная поверхность теряет тепло. Атмосфера Земли поглощает земное излучение иснова возвращает большую его часть к Земле (встречное излучение). Природа этогоизлучения, как и природа полярного сияния, состоит в возбуждении атомов имолекул квантами теплового излучения  земли и спонтанным испусканием квантоввозбужденными частицами.Установлено,что флуоресценция (люминесценция, прекращающаяся через 10^-8cек.)атмосферы в основном определяется кислородом, при атмосферном давлении азот иводяной пар не вносят существенного вклада во флуоресценцию воздуха; спонижением давления вклад водяного пара становится более заметным. Кроме того,верхние слои атмосферы содержат ряд соединений металлов и чистых металлов, вчастности натрия. В своём спектре натрий имеет так называемый дублет: линииизлучения 589 и 589.6 нм.  Это излучение относится к эмиссионному атмосферномуизлучению верхних слоёв атмосферы. Изучение свечения натрия проводится ночью,когда полностью исключено рассеянное солнечное излучения. Возбуждение эмиссионногоизлучения натрия происходит в результате цепи химических реакций, происходящихв верхних слоях атмосферы (в реакциях участвует натрий, оксид натрия, кислороди озон). Интенсивность реакций и излучения меняется с течением суток и зависитот времени года, максимум интенсивности свечения приходится на  зимние сумерки.Интенсивность излучения химических элементов атмосферы мала, чувствительностичеловеческого глаза не достаточно для того, чтобы отреагировать на него. Кроменатрия способностью излучать обладают атомарный кислород (длина волны излучения557,7) и гидроксильные OH группы.

На данный моментобнаружено, что излучение атмосферы занимает область 260 нм — 80 мкм.Регистрация излучения атмосферы позволяет судить о её химическом составе,проводить метеорологические исследования, предсказывать погоду. В настоящиймомент атмосферное излучение активно изучается (УФ область, чувствительныеприёмники).