В метеорологии видимость — это мера расстояния , на котором объект или свет можно четко различить. Она зависит от прозрачности окружающего воздуха и , как таковая, неизменна независимо от уровня освещенности или времени суток. Она сообщается в приземных метеорологических наблюдениях и коде METAR либо в метрах , либо в статутных милях , в зависимости от страны. Видимость влияет на все виды транспорта: автомобильный , железнодорожный , парусный и авиационный .
Геометрический диапазон зрения ограничен кривизной Земли и зависит от уровня глаз и высоты рассматриваемого объекта. В геодезии при расчете геодезической видимости необходимо учитывать атмосферную рефракцию .
Приложение 3 ИКАО «Метеорологическое обеспечение международной аэронавигации» [1] содержит следующие определения и примечания:
Приложение 3 [1] также определяет дальность видимости на взлетно-посадочной полосе (RVR) как:
В чрезвычайно чистом воздухе в Арктике или горных районах видимость может достигать 240 км (150 миль) там, где есть крупные маркеры, такие как горы или высокие хребты. Однако видимость часто несколько снижается из-за загрязнения воздуха и высокой влажности . Различные метеостанции сообщают об этом как о дымке (сухой) или тумане (влажный). Туман и дым могут снизить видимость почти до нуля, что делает вождение чрезвычайно опасным. То же самое может произойти во время песчаной бури в пустынных районах и вблизи них или при лесных пожарах . Сильный дождь (например, из-за грозы ) не только вызывает плохую видимость, но и неспособность быстро затормозить из-за аквапланирования . Метели и наземные метели (снежная низина) также частично определяются плохой видимостью.
Для определения видимости рассматривается случай абсолютно черного объекта, рассматриваемого на абсолютно белом фоне. Визуальный контраст , C V (x), на расстоянии x от черного объекта определяется как относительная разница между интенсивностью света фона и объекта
где F B (x) и F (x) — интенсивности фона и объекта соответственно. Поскольку объект предполагается абсолютно черным, он должен поглощать весь падающий на него свет. Таким образом, когда x = 0 (на объекте), F (0) = 0 и C V (0) = 1.
Между объектом и наблюдателем на F (x) влияет дополнительный свет, рассеиваемый в поле зрения наблюдателя, и поглощение света газами и частицами . Свет, рассеиваемый частицами за пределами конкретного луча, может в конечном итоге вносить вклад в облученность цели, явление, известное как многократное рассеяние . В отличие от поглощенного света, рассеянный свет не теряется из системы. Скорее, он может менять направление и вносить вклад в другие направления. Он теряется только из исходного луча, движущегося в одном конкретном направлении. Вклад многократного рассеяния в облученность в точке x изменяется в зависимости от коэффициента рассеяния отдельных частиц, концентрации частиц и глубины луча. Изменение интенсивности dF является результатом этих эффектов на расстоянии dx . Поскольку dx является мерой количества взвешенных газов и частиц, доля F , которая уменьшается, считается пропорциональной расстоянию dx . Дробное уменьшение F равно
где b ext — коэффициент затухания . Рассеивание фонового света в поле зрения наблюдателя может увеличить F на расстоянии dx . Это увеличение определяется как b' F B ( x ) dx , где b' — константа. Общее изменение интенсивности выражается как
Поскольку F B представляет собой интенсивность фона, она по определению не зависит от x . Следовательно,
Из этого выражения ясно, что b' должно быть равно b ext . Таким образом, визуальный контраст C V ( x ) подчиняется закону Бера-Ламберта
это означает, что контраст уменьшается экспоненциально с расстоянием от объекта:
Лабораторные эксперименты определили, что коэффициенты контрастности от 0,018 до 0,03 воспринимаются в типичных условиях дневного зрения. Обычно для расчета дальности видимости используется коэффициент контрастности 2% ( C V = 0,02). Подстановка этого значения в приведенное выше уравнение и решение относительно x дает следующее выражение для дальности видимости (уравнение Кошмидера):
где x V в единицах длины. На уровне моря атмосфера Рэлея имеет коэффициент ослабления приблизительно 13,2 × 10−6 м − 1 на длине волны 520 нм. Это означает, что в максимально чистой атмосфере видимость ограничена примерно 296 км.
Восприятие видимости зависит от нескольких физических и визуальных факторов. Реалистичное определение должно учитывать тот факт, что зрительная система человека (ЗС) очень чувствительна к пространственным частотам, а затем использовать преобразование Фурье и функцию контрастной чувствительности ЗС для оценки видимости. [2]
Международное определение тумана — это видимость менее 1 км (3300 футов); дымка — это видимость от 1 км (0,62 мили) до 2 км (1,2 мили), а дымка — от 2 км (1,2 мили) до 5 км (3,1 мили). Обычно предполагается, что туман и мгла состоят в основном из капель воды, дымка и дым могут иметь меньший размер частиц. Это имеет значение для датчиков, таких как тепловизоры (TI/ FLIR ), работающих в дальнем ИК-диапазоне на длинах волн около 10 мкм, которые лучше проникают через дымку и некоторые виды дыма, поскольку размер их частиц меньше длины волны; поэтому ИК-излучение не преломляется и не поглощается частицами в значительной степени. [ необходима цитата ]
При тумане иногда может идти моросящий дождь и снег . Обычно это происходит, когда температура опускается ниже 0 °C (32 °F). Эти условия опасны из-за образования льда, которое может быть смертельно опасным, особенно из-за плохой видимости, которая обычно сопровождает эти условия на расстоянии менее 1000 ярдов. Сочетание плохой видимости и образования льда может привести к авариям на дорогах. Эти холодные погодные явления в основном вызваны низколежащими слоистыми облаками .
Видимость менее 100 метров (330 футов) обычно считается нулевой. В таких условиях дороги могут быть закрыты или могут быть активированы автоматические предупреждающие огни и знаки для предупреждения водителей. Они были установлены в определенных районах, которые подвержены повторяющейся плохой видимости, особенно после столкновений или скоплений с участием нескольких транспортных средств.
Кроме того, правительственное метеорологическое агентство часто выпускает рекомендации для плохой видимости, например, рекомендации о густом тумане от Национальной метеорологической службы США . Обычно они советуют автомобилистам избегать поездок, пока туман не рассеется или другие условия не улучшатся. Поездки в аэропорты также часто задерживаются из-за плохой видимости, иногда вызывая длительное ожидание из-за минимумов видимости при подходе и сложности безопасного перемещения самолетов по земле в условиях плохой видимости. [3] [4]
Уменьшение видимости, вероятно, является наиболее очевидным симптомом загрязнения воздуха . Ухудшение видимости вызвано поглощением и рассеиванием света частицами и газами в атмосфере . Поглощение электромагнитного излучения газами и частицами иногда является причиной изменения цвета в атмосфере, но обычно не вносит существенного вклада в ухудшение видимости.
Рассеивание частицами ухудшает видимость гораздо легче. Видимость ухудшается значительным рассеянием частицами между наблюдателем и удаленным объектом. Частицы рассеивают свет от солнца и остального неба через линию зрения наблюдателя, тем самым уменьшая контраст между объектом и фоновым небом. Частицы, которые наиболее эффективны для снижения видимости (на единицу массы аэрозоля ), имеют диаметр в диапазоне 0,1-1,0 мкм. Влияние молекул воздуха на видимость незначительно для коротких визуальных расстояний, но его необходимо учитывать для расстояний свыше 30 км.
Метеорологическая оптическая дальность (MOR) — это измерение видимости в километрах. MOR — это длина пути в атмосфере, необходимая для уменьшения светового потока в коллимированном луче от лампы накаливания до 5% от его первоначального значения. Существует несколько аналитических подходов для измерения видимости (MOR) напрямую или косвенно. Одним из новых приборов, способных вычислять MOR, является оптический анализатор экстинкции (OEA). Он фактически вычисляет оптический коэффициент экстинкции (ß) путем прямого измерения времени затухания (также известного как постоянная времени затухания) инжектированного лазерного света внутри оптической полости, содержащей образец окружающего газа. OEA — это метод спектроскопии поглощения с усилением полости (CEAS) . Вкратце, инжектированный лазерный свет в высокоточную оптическую полость «отскакивает» многократно, в резонансе, между двумя противоположными зеркалами на общую длину пути в несколько километров, пока он полностью не затухнет или «затухнет», в основном из-за его затухания образцами окружающего газа, протекающими через полость. После учета затухания света, вызванного неаэрозольными частицами, затухание света, вызванное аэрозолем, легко выводится встроенным алгоритмом OEA. Для этого количество света, ослабленного из-за 1) утечки из зеркал с высокой отражательной способностью и 2) поглощения неаэрозольными частицами, присутствующими в образце газа, автоматически учитывается путем пропускания того же анализируемого образца газа через аэрозольный фильтр в полость для измерения затухания света, вызванного газом без аэрозолей. Более подробную информацию о принципе работы OEA можно найти здесь. Вышеописанный процесс определения MOR быстрый (1 Гц) и полностью автоматизирован для работы OEA без участия оператора в полевых условиях.
Географическая видимость зависит от высоты места наблюдения и топологии его окрестностей. Плоскости и водные поверхности обеспечивают максимальную дальность видимости, но растительность, здания и горы являются географическими препятствиями, которые ограничивают географическую видимость. Когда небо ясное и метеорологическая видимость высокая, кривизна Земли ограничивает максимально возможную геодезическую видимость. Видимость с возвышенной точки наблюдения вниз до поверхности моря можно рассчитать с помощью теоремы Пифагора , поскольку линия визирования и радиус Земли образуют два катета прямоугольного треугольника . Высота возвышенной точки плюс радиус Земли образуют ее гипотенузу . Если и глаза, и объект подняты над плоскостью отсчета, то есть два прямоугольных треугольника. Касательная, касающаяся поверхности Земли или воды, состоит из двух коротких катетов двух прямоугольных треугольников, которые складываются для расчета геометрической дальности видимости.
В геодезии при расчетах всегда учитывается атмосферная рефракция, что увеличивает дальность видимости, так что даже объекты, находящиеся за горизонтом, по-прежнему видны .
![{\displaystyle dF(x)=\left[b'F_{\text{B}}(x)-b_{\text{ext}}F(x)\right]dx}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8c3754a329aafd476fd18d4cc7ead41d7b80bf14)
![{\displaystyle dF_{\text{B}}(x)=0=\left[b'F_{\text{B}}(x)-b_{\text{ext}}F_{\text{B}}(x)\right]dx}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f660c4c0d37d35e56d6129377e63bad91d4e1997)
