Атмосферная оптика — это «изучение оптических характеристик атмосферы или продуктов атмосферных процессов... [включая] временное и пространственное разрешение, выходящее за рамки различимых невооруженным глазом». [ 1] Метеорологическая оптика — это «часть атмосферной оптики, занимающаяся изучением закономерностей, наблюдаемых невооруженным глазом». [2] Тем не менее, эти два термина иногда используются взаимозаменяемо.
Метеорологические оптические явления, описанные в этой статье, связаны с тем, как оптические свойства атмосферы Земли вызывают широкий спектр оптических явлений и явлений визуального восприятия . Примерами метеорологических явлений являются:
Другие явления, примечательные тем, что они являются формами зрительных иллюзий, включают в себя:
Книга по метеорологической оптике была опубликована в шестнадцатом веке, но с 1950 года появилось множество книг на эту тему. [6] Тема была популяризирована широким распространением книги Марселя Миннарта « Свет и цвет на открытом воздухе » в 1954 году. [7] [8]
В «Книге оптики » (1011–22 гг. н. э.) Ибн аль-Хайтам утверждал, что зрение происходит в мозге, и что личный опыт влияет на то, что люди видят и как они видят, и что зрение и восприятие субъективны. Выступая против теории рефракции Птолемея о том, почему люди воспринимают Солнце и Луну больше на горизонте, чем когда они находятся выше в небе, он переопределил проблему в терминах воспринимаемого, а не реального увеличения. Он сказал, что оценка расстояния до объекта зависит от наличия непрерывной последовательности промежуточных тел между объектом и наблюдателем. Что важно, Ибн аль-Хайтам сказал, что оценка размера объекта зависит от его оценённого расстояния: объект, который кажется близким, кажется меньше, чем объект, имеющий тот же размер изображения на сетчатке, который кажется далёким. При находящейся над головой Луне нет непрерывной последовательности промежуточных тел. Следовательно, он кажется далёким и маленьким. При горизонте Луны существует непрерывная последовательность промежуточных тел: все объекты между наблюдателем и горизонтом, поэтому Луна кажется далекой и большой. Благодаря работам Роджера Бэкона , Джона Печама и Витело , основанным на объяснении Ибн аль-Хайтама, иллюзия Луны постепенно стала приниматься как психологическое явление, а теория Птолемея была отвергнута в 17 веке. [9] Более 100 лет исследования иллюзии Луны проводились учеными, изучающими зрение, которые неизменно были психологами, специализирующимися на человеческом восприятии . После обзора множества различных объяснений в своей книге 2002 года «Тайна иллюзии Луны » Росс и Плаг пришли к выводу: «Ни одна теория не победила». [10]
Цвет света с неба является результатом рэлеевского рассеяния солнечного света , что приводит к воспринимаемому синему цвету. В солнечный день рэлеевское рассеяние придает небу синий градиент , наиболее темный около зенита и наиболее яркий вблизи горизонта. Лучи света, исходящие из зенита, проходят кратчайший возможный путь ( 1 ⁄ 38 ) через воздушную массу , что приводит к меньшему рассеиванию. Лучи света, исходящие из горизонта, проходят самый длинный возможный путь через воздух, что приводит к большему рассеиванию. [11]
Синева находится на горизонте, потому что синий свет, приходящий с больших расстояний, также преимущественно рассеивается. Это приводит к красному смещению удаленных источников света, которое компенсируется синим оттенком рассеянного света на линии видимости. Другими словами, красный свет также рассеивается; если он делает это в точке, находящейся на большом расстоянии от наблюдателя, у него гораздо больше шансов достичь наблюдателя, чем синий свет. На расстояниях, приближающихся к бесконечности, рассеянный свет, таким образом, белый. Далекие облака или заснеженные вершины гор будут казаться желтыми по этой причине; [12] этот эффект не очевиден в ясные дни, но очень выражен, когда облака закрывают линию видимости, уменьшая синий оттенок от рассеянного солнечного света.
Рассеивание из-за частиц размером с молекулу (как в воздухе) больше в прямом и обратном направлениях, чем в боковом направлении. [13] Отдельные капли воды, подвергающиеся воздействию белого света, создадут набор цветных колец. Если облако достаточно густое, рассеяние от нескольких капель воды размоет набор цветных колец и создаст размытый белый цвет. [14] Пыль из Сахары перемещается по южной периферии субтропического хребта на юго-восток Соединенных Штатов летом, что меняет цвет неба с голубого на белый и приводит к увеличению количества красных закатов. Ее присутствие отрицательно влияет на качество воздуха летом, поскольку она увеличивает количество взвешенных в воздухе частиц. [15]
Небо может стать разноцветным, например, красным, оранжевым, розовым и желтым (особенно вблизи заката или восхода солнца) и черным ночью. Эффекты рассеяния также частично поляризуют свет от неба, что наиболее заметно под углом 90° от Солнца.
Модели распределения яркости неба были рекомендованы Международной комиссией по освещению (CIE) для проектирования схем дневного освещения . Последние разработки относятся к «моделям всего неба» для моделирования яркости неба в погодных условиях от ясного неба до пасмурного . [17]
Цвет облака, видимый с Земли, многое говорит о том, что происходит внутри облака. Плотные глубокие тропосферные облака демонстрируют высокую отражательную способность (от 70% до 95%) во всем видимом спектре . Крошечные частицы воды плотно упакованы, и солнечный свет не может проникнуть далеко в облако, прежде чем он отразится, придавая облаку его характерный белый цвет, особенно при просмотре сверху. [18] Капельки облаков имеют тенденцию эффективно рассеивать свет, так что интенсивность солнечного излучения уменьшается с глубиной в газах. В результате основание облака может варьироваться от очень светлого до очень темно-серого в зависимости от толщины облака и того, сколько света отражается или передается обратно наблюдателю. Тонкие облака могут выглядеть белыми или приобретать цвет своей окружающей среды или фона. Высокие тропосферные и нетропосферные облака кажутся в основном белыми, если состоят полностью из ледяных кристаллов и/или переохлажденных капель воды.
По мере созревания тропосферного облака плотные капли воды могут объединяться, образуя более крупные капли, которые могут объединяться, образуя капли, достаточно большие, чтобы выпадать в виде дождя. В результате этого процесса накопления пространство между каплями становится все больше, позволяя свету проникать глубже в облако. Если облако достаточно большое и капли внутри расположены достаточно далеко друг от друга, может случиться так, что часть света, который попадает в облако, не отражается обратно, прежде чем он поглощается. Простым примером этого является возможность видеть дальше во время сильного дождя, чем в густом тумане. Этот процесс отражения / поглощения является причиной того, что цвет облаков варьируется от белого до черного. [19]
Другие цвета встречаются в облаках естественным образом. Голубовато-серый цвет является результатом рассеяния света внутри облака. В видимом спектре синий и зеленый находятся на коротком конце видимых длин волн света, в то время как красный и желтый находятся на длинном конце. [20] Короткие лучи легче рассеиваются каплями воды, а длинные лучи с большей вероятностью поглощаются. Голубоватый цвет свидетельствует о том, что такое рассеяние производится каплями размером с дождь в облаке. Кучево-дождевое облако, излучающее зеленый цвет, является признаком того, что это сильная гроза , [21] способная вызвать сильный дождь, град , сильный ветер и возможные торнадо . Точная причина зеленых гроз до сих пор неизвестна, но она может быть связана с комбинацией покрасневшего солнечного света, проходящего через очень оптически толстые облака. Желтоватые облака могут возникать в конце весны - начале осени во время сезона лесных пожаров . Желтый цвет обусловлен наличием загрязняющих веществ в дыме. Желтоватые облака, вызванные наличием диоксида азота, иногда можно увидеть в городских районах с высоким уровнем загрязнения воздуха. [22]
Красные, оранжевые и розовые облака появляются почти исключительно на восходе и закате и являются результатом рассеивания солнечного света атмосферой. Когда угол между Солнцем и горизонтом составляет менее 10 процентов, как это происходит сразу после восхода или прямо перед закатом, солнечный свет становится слишком красным из-за преломления для любых цветов, кроме тех, которые имеют красноватый оттенок. [21] Облака не становятся такого цвета; они отражают длинные и нерассеянные лучи солнечного света, которые преобладают в эти часы. Эффект очень похож на то, как если бы человек посветил красным прожектором на белый лист. В сочетании с большими, зрелыми грозовыми облаками это может привести к образованию кроваво-красных облаков. Облака выглядят темнее в ближнем инфракрасном диапазоне, потому что вода поглощает солнечное излучение на этих длинах волн .
Гало (ἅλως; также известное как нимб, ледяная дуга или глориол) — оптическое явление, возникающее при взаимодействии света от Солнца или Луны с ледяными кристаллами в атмосфере, что приводит к появлению цветных или белых дуг, колец или пятен на небе. [23] Многие гало располагаются вблизи Солнца или Луны, но другие находятся в других местах и даже в противоположной части неба. Они также могут образовываться вокруг искусственных источников света в очень холодную погоду, когда ледяные кристаллы, называемые алмазной пылью, плавают в близлежащем воздухе. [24]
Существует много типов ледяных гало. Они образуются ледяными кристаллами в перистых или перисто-слоистых облаках высоко в верхней тропосфере , на высоте от 5 километров (3,1 мили) до 10 километров (6,2 мили), или, в очень холодную погоду, ледяными кристаллами, называемыми алмазной пылью , дрейфующими в воздухе на низких уровнях. [25] [26] [ 27] Конкретная форма и ориентация кристаллов отвечают за типы наблюдаемых гало. Свет отражается и преломляется ледяными кристаллами и может разделяться на цвета из-за дисперсии . Кристаллы ведут себя как призмы и зеркала , преломляя и отражая солнечный свет между своими гранями, посылая лучи света в определенных направлениях. [23] Для круглых гало предпочтительные угловые расстояния составляют 22 и 46 градусов от ледяных кристаллов, которые их создают. [28] Атмосферные явления, такие как гало, использовались в метеорологии как эмпирическое средство прогнозирования погоды , при этом их присутствие указывает на приближение теплого фронта и связанного с ним дождя . [29]
Собачьи солнца — это распространенный тип гало, с появлением двух едва окрашенных ярких пятен слева и справа от Солнца, на расстоянии около 22° и на той же высоте над горизонтом. Они обычно вызваны пластинчатыми шестиугольными ледяными кристаллами . [25] [26] Эти кристаллы имеют тенденцию становиться горизонтально выровненными, когда они опускаются в воздух, заставляя их преломлять солнечный свет влево и вправо, в результате чего возникают два ложных солнца. [26] [25]
По мере того, как Солнце поднимается выше, лучи, проходящие через кристаллы, все больше отклоняются от горизонтальной плоскости. Их угол отклонения увеличивается, и ложные солнца удаляются от Солнца. [30] Однако они всегда остаются на той же высоте, что и Солнце. Собачьи солнца окрашены в красный цвет со стороны, ближайшей к Солнцу. Дальше цвета переходят в синий или фиолетовый. [25] Однако цвета значительно перекрываются и поэтому приглушены, редко бывают чистыми или насыщенными. Цвета ложного солнца в конечном итоге сливаются с белым цветом паргелического круга (если последний виден).
Теоретически возможно предсказать формы ложных солнц, которые можно было бы увидеть на других планетах и лунах. На Марсе ложные солнца могут быть образованы как водяным льдом, так и CO 2 -льдом. На гигантских газовых планетах — Юпитере , Сатурне , Уране и Нептуне — другие кристаллы образуют облака из аммиака , метана и других веществ, которые могут создавать гало с четырьмя или более ложными солнцами. [31]
Распространенным оптическим явлением, связанным с каплями воды, является глория. [23] Слава — это оптическое явление, очень похожее на культовый нимб Святого вокруг головы наблюдателя, созданный светом, рассеянным обратно (комбинация дифракции , отражения и преломления ) к его источнику облаком однородных по размеру капель воды. Слава имеет несколько цветных колец, с красными цветами на самом внешнем кольце и синими/фиолетовыми цветами на самом внутреннем кольце. [32]
Угловое расстояние намного меньше, чем у радуги, и составляет от 5° до 20° в зависимости от размера капель. Глори можно увидеть только тогда, когда наблюдатель находится прямо между Солнцем и облаком преломляющихся капель воды. Поэтому его обычно наблюдают в воздухе, когда глори окружает тень самолета на облаках (это часто называют Глори пилота ). Глори также можно увидеть с гор и высоких зданий, [33] когда есть облака или туман ниже уровня наблюдателя или в дни с туманом у земли. Глори связана с оптическим явлением антилион .
Радуга — оптическое и метеорологическое явление, которое вызывает появление спектра света в небе, когда солнечный свет падает на капельки влаги в атмосфере Земли. Она принимает форму разноцветной дуги . Радуги, вызванные солнечным светом, всегда появляются в части неба, прямо противоположной Солнцу, но возникают не выше 42 градусов над горизонтом для наблюдателей на земле. Чтобы увидеть их под более высокими углами, наблюдателю нужно находиться в самолете или около вершины горы, поскольку в противном случае радуга будет ниже горизонта. Чем больше капли, образовавшие радугу, тем она будет ярче. Радуги чаще всего встречаются вблизи полуденных гроз летом. [34]
Однократное отражение от задней части массива капель дождя создает радугу с угловым размером на небе, который варьируется от 40° до 42° с красным цветом снаружи. Двойные радуги создаются двумя внутренними отражениями с угловым размером от 50,5° до 54° с фиолетовым цветом снаружи. Внутри «первичной радуги» (самой низкой и обычно самой яркой радуги) дуга радуги показывает красный цвет на внешней (или верхней) части дуги и фиолетовый цвет на внутренней части. Эта радуга вызвана светом, отражающимся один раз в каплях воды. В двойной радуге вторая дуга может быть видна выше и снаружи первичной дуги, и имеет обратный порядок цветов (красный цвет обращен внутрь к другой радуге, в обеих радугах). Эта вторая радуга вызвана светом, дважды отражающимся внутри капель воды. [34] Область между двойной радугой темная. Причина появления этой темной полосы заключается в том, что, хотя свет под первичной радугой возникает в результате отражения капель, а свет над верхней (вторичной) радугой также возникает в результате отражения капель, в области между двойной радугой вообще не существует механизма, который мог бы отображать какой-либо свет, отраженный от капель воды.
Радуга охватывает непрерывный спектр цветов; отдельные полосы (включая количество полос) являются артефактом человеческого цветового зрения , и на черно-белой фотографии радуги не видно никаких полос (только плавная градация интенсивности до максимума, затем исчезающая до минимума на другой стороне дуги). Для цветов, видимых обычным человеческим глазом, наиболее часто цитируемая и запоминаемая последовательность на английском языке — это семикратный красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый Исаака Ньютона (популярно запоминаемый мнемонистами, такими как Рой Г. Бив ). [35]
Мираж — это естественное оптическое явление, при котором лучи света преломляются, создавая смещенное изображение удаленных объектов или неба. Слово пришло в английский язык через французское mirage , от латинского mirare , что означает «смотреть на, удивляться». Это тот же корень, что и у слов «mirror» и «to amazing». Кроме того, оно имеет свои корни в арабском mirage .
В отличие от галлюцинации , мираж — это реальное оптическое явление, которое можно запечатлеть на камеру, поскольку световые лучи на самом деле преломляются, формируя ложное изображение в месте нахождения наблюдателя. Однако то, что, по-видимому, представляет изображение, определяется интерпретативными способностями человеческого ума. Например, худшие изображения на суше очень легко ошибочно принять за отражения от небольшого водоема.
Миражи можно разделить на «низшие» (то есть низшие), «высшие» (то есть высшие) и « Фата-моргану » — разновидность высшего миража, состоящего из серии необычайно сложных, вертикально расположенных изображений, которые образуют один быстро меняющийся мираж.
Зеленые вспышки и зеленые лучи — оптические явления, которые происходят вскоре после заката или перед восходом Солнца, когда зеленое пятно видно, обычно не более секунды или двух, над Солнцем, или зеленый луч выстреливает из точки заката. Зеленые вспышки на самом деле представляют собой группу явлений, возникающих по разным причинам, и некоторые из них встречаются чаще, чем другие. [36] Зеленые вспышки можно наблюдать с любой высоты (даже с самолета). Обычно они видны на свободном горизонте , например, над океаном, но возможны также над вершинами облаков и гор.
Также можно наблюдать зеленую вспышку от Луны и яркие планеты на горизонте, включая Венеру и Юпитер . [37] [38]
Это оптическое явление происходит из-за того, что лучи света сильно изгибаются, когда они проходят через воздушные слои с разной температурой в крутой термической инверсии , где образовался атмосферный канал . [39] Термическая инверсия — это атмосферное состояние, при котором более теплый воздух существует в четко определенном слое над слоем значительно более холодного воздуха. Эта температурная инверсия противоположна тому, что обычно имеет место; воздух обычно теплее вблизи поверхности и холоднее выше. В тихую погоду слой значительно более теплого воздуха может находиться над более холодным плотным воздухом, образуя атмосферный канал, который действует как преломляющая линза , создавая серию как перевернутых, так и прямых изображений.
Fata Morgana — необычная и очень сложная форма миража, форма верхнего миража , которая, как и многие другие виды верхних миражей, видна узкой полосой прямо над горизонтом. Это итальянская фраза, произошедшая от вульгарного латинского слова «фея» и колдуньи Артура Морганы ле Фей [40] из веры в то, что миражи, часто видимые в Мессинском проливе , были воздушными замками фей [41] или ложной землей, предназначенной для заманивания моряков на смерть, созданной ее колдовством. Хотя термин Fata Morgana иногда неправильно применяется к другим, более распространенным видам миражей, истинная Fata Morgana — это не то же самое, что обычный верхний мираж, и, конечно, не то же самое, что нижний мираж .
Миражи Fata Morgana чрезвычайно искажают объект или объекты, на которых они основаны, так что объект часто кажется очень необычным, и может даже быть преобразован таким образом, что он становится совершенно неузнаваемым. Fata Morgana можно увидеть на суше или на море, в полярных регионах или в пустынях. Этот вид миража может включать в себя практически любой удаленный объект, включая такие вещи, как лодки, острова и береговая линия.
Fata Morgana не только сложна, но и быстро меняется. Мираж состоит из нескольких перевернутых (вверх ногами) и прямых (вверх правой стороной) изображений, которые накладываются друг на друга. Миражи Fata Morgana также показывают чередующиеся сжатые и растянутые зоны. [39]
Эффект Новой Земли — это полярный мираж, вызванный высокой рефракцией солнечного света между атмосферными термоклинами . Эффект Новой Земли создаст впечатление, что солнце встает раньше или садится позже, чем должно быть на самом деле (говоря астрономически). [42] В зависимости от метеорологической ситуации эффект представит Солнце в виде линии или квадрата (который иногда называют «прямоугольным солнцем»), состоящего из сплющенных форм песочных часов. Мираж требует, чтобы лучи солнечного света имели инверсионный слой на протяжении сотен километров, и зависит от температурного градиента инверсионного слоя . Солнечный свет должен преломляться в соответствии с кривизной Земли не менее чем на 400 километров (250 миль), чтобы обеспечить подъем высоты на 5 градусов для видимости солнечного диска.
Первым человеком, зафиксировавшим это явление, был Геррит де Вир , участник злополучной третьей экспедиции Виллема Баренца в полярный регион. Новая Земля , архипелаг, где де Вир впервые наблюдал это явление, дал название эффекту. [42]
Сумеречные лучи — это почти параллельные лучи солнечного света, проходящие через атмосферу Земли, но, по-видимому, расходящиеся из-за линейной перспективы . [43] Они часто возникают, когда такие объекты, как горные вершины или облака, частично затеняют солнечные лучи, как облачный покров . Различные воздушные соединения рассеивают солнечный свет и делают эти лучи видимыми из-за дифракции , отражения и рассеивания.
Сумеречные лучи также иногда можно увидеть под водой, особенно в арктических районах, появляющимися из шельфовых ледников или трещин во льду. Также их можно увидеть в дни, когда солнце попадает на облака под идеальным углом, освещая эту область.
Существует три основных формы сумеречных лучей [ необходима ссылка ] :
Их обычно можно увидеть вблизи восхода и заката солнца, когда высокие облака, такие как кучево-дождевые облака и горы, могут быть наиболее эффективны в создании этих лучей. [ необходима цитата ]
Противосумеречные лучи, хотя в действительности они параллельны, иногда видны на небе в направлении, противоположном солнцу. Они кажутся снова сходящимися на далеком горизонте.
Рефракция атмосферы влияет на видимое положение астрономических и наземных объектов, обычно заставляя их казаться выше, чем они есть на самом деле. По этой причине навигаторы, астрономы и геодезисты наблюдают за позициями, когда эти эффекты минимальны. Моряки будут снимать звезду только тогда, когда она находится на высоте 20° или более над горизонтом, астрономы стараются планировать наблюдения, когда объект находится выше всего в небе, а геодезисты стараются проводить наблюдения днем, когда рефракция минимальна.
Атмосферная дифракция — это визуальный эффект, возникающий при преломлении солнечного света взвешенными в воздухе частицами.
К атмосферным оптическим явлениям относятся: