Atmosferska refrakcija je odstupanje svjetlosnih zraka od ravne linije dok prolaze kroz atmosferu zbog promjena gustoće zraka s visinom. Atmosferska refrakcija cca. Zemljina površina stvara fatamorgane i može uzrokovati da udaljeni objekti trepere, drhte ili da su viši ili niži od svog pravog položaja. Osim toga, oblik predmeta može biti iskrivljen - mogu izgledati spljošteno ili rastegnuto. Termin "refrakcija" Isto vrijedi i za lom zvuka.

Atmosferska refrakcija je razlog što se astronomski objekti uzdižu iznad horizonta nešto više nego što zapravo jesu. Refrakcija ne utječe samo na svjetlosne zrake nego na sve elektromagnetska radijacija, iako u u različitim stupnjevima. Na primjer, u vidljivom svjetlu, Plava boja više pogođena lomom nego crvena. To može uzrokovati da se astronomski objekti zamute u spektar na slikama s visoka rezolucija.

Ako je moguće, astronomi planiraju svoja promatranja kada nebesko tijelo prođe gornju točku kulminacije, kada je najviše iznad horizonta. Također, pri određivanju koordinata broda, mornari nikada neće koristiti svjetiljku čija je visina manja od 20° iznad horizonta. Ako se promatranje zvijezde blizu horizonta ne može izbjeći, tada se teleskop može opremiti kontrolnim sustavima za kompenzaciju pomaka uzrokovanog lomom svjetlosti u atmosferi. Ako je disperzija također problem (u slučaju korištenja širokopojasne kamere za promatranja visoke razlučivosti), tada se može koristiti korekcija atmosferske refrakcije (upotrebom para rotirajućih staklene prizme). No budući da stupanj refrakcije atmosfere ovisi o temperaturi i tlaku, kao i o vlazi (količini vodene pare, što je osobito važno pri promatranju u sred. infracrveno područje spektra), količina napora potrebna za uspješnu kompenzaciju može biti previsoka.

Atmosferska refrakcija najjače ometa opažanja kada nije jednolik, na primjer, u prisutnosti turbulencije u zraku. To je razlog svjetlucanja zvijezda i deformacije vidljivog oblika sunca pri zalasku i izlasku sunca.

Atmosferske vrijednosti refrakcije

Atmosferska refrakcija jednaka nuli u zenitu, manja od 1" (jedna lučna minuta) na prividnoj visini od 45° iznad horizonta i dostiže vrijednost od 5,3" na 10° visine; refrakcija se brzo povećava sa smanjenjem visine, dosežući 9,9" na 5° visine, 18,4" na 2° visine i 35,4" na horizontu (1976 Allen, 125); sve vrijednosti dobivene na 10°C i atmosferski pritisak 101,3 kPa.

Na horizontu je vrijednost atmosferske refrakcije nešto veća od prividnog promjera Sunca. Dakle, kada se cijeli disk sunca vidi neposredno iznad horizonta, on je vidljiv samo zahvaljujući lomu, jer da nema atmosfere, ne bi se vidio niti jedan dio sunčevog diska.

Prema prihvaćenoj konvenciji, vrijeme izlaska i zalaska Sunca naziva se vrijeme kada se gornji rub Sunca pojavi ili nestane iznad horizonta; standardna vrijednost za pravu visinu Sunca je -50"...-34" za lom i -16" za polupromjer Sunca (visina nebesko tijelo obično se daje za središte njegovog diska). U slučaju Mjeseca potrebne su dodatne korekcije kako bi se uzela u obzir horizontalna paralaksa Mjeseca i njegov prividni polupromjer, koji varira ovisno o udaljenosti sustava Zemlja-Mjesec.

Dnevne promjene vremena utječu točno vrijeme izlaska i zalaska Sunca i Mjeseca (), pa iz tog razloga nema smisla davati vrijeme prividnog zalaska i izlaska Sunca svjetiljki s točnošću većom od jedne lučne minute (to je detaljnije opisano u knjizi “Astronomski algoritmi”, Jean Meeus, 1991., str. Točniji izračuni mogu biti korisni za određivanje dnevnih promjena vremena izlaska i zalaska sunca kada se koristi standardne veličine refrakcije, jer je jasno da prava promjena mogu se razlikovati zbog nepredvidivih promjena u vrijednosti refrakcije.

Zbog atmosferska refrakcija je 34" na horizontu i samo 29 lučnih minuta na nadmorskoj visini od 0,5° iznad horizonta, a zatim pri zalasku ili izlasku sunca izgleda da je spljošten za oko 5" (što je oko 1/6 njegovog prividnog promjera).

Proračun atmosferske refrakcije

Strogi izračuni refrakcije zahtijevaju numerička integracija pomoću ove metode opisane u radu Auera i Standisha Astronomska refrakcija: proračun za sve zenitne kutove, 2000. Bennett (1982.) je u svom članku "Izračun astronomske refrakcije za primjene u pomorskoj navigaciji" izveo jednostavan empirijska formula za određivanje vrijednosti loma ovisno o prividnoj visini svjetiljki, koristeći Garfinkelov algoritam (1967.) kao referencu, ako h a- ovo je prividna visina svjetiljke u stupnjevima, zatim refrakcija R u lučnim minutama bit će jednako

Točnost formule je do 0,07" za visine od 0° do -90° (Meeus 1991, 102). Smardson (1986) je izveo formulu za određivanje refrakcije u odnosu na pravu visinu svjetiljki; ako h- ovo je prava visina svjetiljke u stupnjevima, zatim refrakcija R u lučnim minutama bit će

formula se slaže s Bennettovom formulom s točnošću od 0,1". Obje formule bit će točne pri atmosferskom tlaku od 101,0 kPa i temperaturi od 10 ° C; za različita značenja pritisak R i temperaturu T rezultat izračuna loma napravljen pomoću ovih formula treba pomnožiti s

(prema Meeus, 1991, 103). Refrakcija se povećava za približno 1% za svakih 0,9 kPa povećanja tlaka i smanjuje se za približno 1% za svakih 0,9 kPa smanjenje tlaka. Slično tome, refrakcija se povećava za oko 1% za svaka 3°C smanjenja temperature, a refrakcija se smanjuje za oko 1% za svaka 3°C povećanja temperature.

Grafikon loma prema visini (Bennett, 1982.)

Slučajni atmosferski učinci uzrokovani refrakcijom

Atmosferske turbulencije povećavaju i smanjuju prividni sjaj zvijezda, čineći ih svjetlijima ili slabijima u milisekundama. Spore komponente tih oscilacija vidljive su nam kao treperenje.

Osim toga, turbulencija uzrokuje mala nasumična kretanja vidljiva slika zvijezda, a također proizvodi brze promjene u svojoj strukturi. Ovi efekti nisu vidljivi golim okom, ali ih je lako vidjeti čak i malim teleskopom.

Stranica 1

Atmosferska refrakcija ovisi o vjetru i prisutnosti slojeva zraka raznih gustoća. Maksimalni doprinos ovom učinku obično daje prizemni vjetar. Stoga se preporuča provesti terenska mjerenja razine buke pri brzini vjetra ne većoj od 5 m/s. Također je potrebno uzeti u obzir učinak ruže kompasa. Na refrakciju također utječe temperatura zraka. Danju, pri povišenim temperaturama zraka na površini Zemlje iu hladnijem sloju iznad, zvučni valširi se preko toplog sloja, odbijajući se prema gore, što smanjuje razinu buke. Noću dolazi do suprotnog fenomena, što rezultira povećanom bukom. Obično je ovaj učinak vidljiv na udaljenostima do 70 m od ceste.  

Zbog atmosferske refrakcije, Sunce i Mjesec, kada su blizu horizonta (tijekom izlaska ili zalaska Sunca), izgledaju spljošteni u okomitom smjeru. Zbog refrakcije svako se svjetleće tijelo pojavljuje iznad horizonta i prije pravog izlaza i ostaje vidljivo još neko vrijeme nakon pravog zalaska sunca.  

Fenomeni atmosferske refrakcije otežavaju izvođenje znanstveno istraživanje i primjena broja optičke metode rješavanje tehničkih problema.  

Osim atmosferske refrakcije, do savijanja oko zemljine površine dolazi i zbog difrakcije radiovalova. Međutim, u zoni sjene (iza horizonta) intenzitet radio valova brzo opada zbog gubitaka u podlozi, koji brzo rastu s povećanjem frekvencije radio signala. Stoga, u RNS dalekometni Koriste valove u dugovalnom i ultradugomalnom području.  

Kako bi se osigurala korekcija za utjecaj atmosferske refrakcije na prijenos radiovalova, predloženi su modeli prosječnih korekcija indeksa refrakcije.  

Ta se pojava naziva atmosferska refrakcija, a kutni pomak Af naziva se lomni kut. Kut loma Lsr je 0 za zvijezde koje se nalaze u zenitu, a najveći je (Af 35) za zvijezde koje se nalaze u blizini horizonta.  

Imajte na umu da će se zbog atmosferske refrakcije kut nagiba koji određuje smjer prema stacionarnom satelitu razlikovati od p vrijednosti, koja je određena iz izraza (2.6) ili sa sl. 2.1, vrijednošću Ar. Potonji ovisi o atmosferskom indeksu loma n i njegovoj promjeni s visinom.  

Atmosferska refrakcija ima značajan utjecaj na širenje valova koji se razmatraju. Njegov se učinak svodi na zakrivljenost putanja radiovalova, poprimajući krivolinijski karakter s konveksnošću u smjeru suprotnom od površine zemlje. Refrakcija je izraženija što je veći sadržaj vodene pare u zraku. U posljednjih godina Utvrđeni su slučajevi širenja ultrakratkih valova na velike udaljenosti - na udaljenosti mnogo puta većoj od daljine vidnog polja.  

U terestričkim uvjetima ovisi o koeficijentu loma atmosfere, a posebno o vodljivosti površine po kojoj se valovi šire.  

Ako uzmemo u obzir takozvanu atmosfersku refrakciju, rezultat će biti još neočekivaniji. Refrakcija savija putanju zraka u zraku i na taj način nam omogućuje da vidimo izlazak sunca prije njegovog geometrijskog pojavljivanja iznad horizonta. Ali kod trenutnog širenja svjetlosti ne može doći do loma, budući da lom uzrokuje razlika u brzini svjetlosti u različitim medijima.  

Refrakcija radio valova ili optičkih zraka u atmosferi, koja se naziva atmosferska refrakcija, dovodi do zavoja u putanji njihovog širenja.  

Ne uzima se u obzir da je prividni položaj Sunca pod utjecajem atmosferske refrakcije čak i kada je zvijezda ispod horizonta. To se ne može procijeniti izravno, budući da je Sunce nevidljivo, ali se može učiniti neizravno - pomoću svjetline zore, izračunate za odsutnost refrakcije i izmjerene u prisutnosti potonje.  

Astronomska refrakcija je pojava loma svjetlosnih zraka nebeskih tijela pri prolasku kroz atmosferu. Budući da gustoća planetarnih atmosfera uvijek opada s visinom, lom svjetlosti se događa na način da je njezina konveksnost u zakrivljenom snopu u svim slučajevima usmjerena prema zenitu. S tim u vezi, refrakcija uvijek "podiže" slike nebeskih tijela iznad njihovog stvarnog položaja (vidi sliku).

Veličina refrakcije, tj. kut između pravog i prividnog položaja svjetiljke na nebu, povezana je s duljinom snopa u atmosferi i kutom nagiba snopa prema atmosferski slojevi jednake gustoće. Refrakcija je nula u zenitu i raste kako se udaljavamo od zenita i približavamo horizontu. Za promatranja sa Zemljine površine, vrijednost loma z izražava se približnom formulom r = 57 "tan z, gdje je z udaljenost prividnog zenita zvijezde (vidi Nebeske koordinate). Ova formula ostaje važeća samo za z<70°. Ближе к горизонту рефракция характеризуется величинами, приведенными в таблице.

Vrijednost refrakcije u određenom trenutku za određenu točku promatranja varira ovisno o temperaturi, tlaku, vlažnosti i drugim meteorološkim čimbenicima. Pri izvođenju visokopreciznih astronomskih mjerenja (vidi Astrometrija), refrakcija se uzima u obzir uvođenjem odgovarajućih korekcija u rezultate mjerenja.

Refrakcija uzrokuje niz optičko-atmosferskih učinaka na Zemlji: povećanje duljine dana zbog činjenice da sunčev disk zbog refrakcije izlazi iznad horizonta nekoliko minuta ranije od trenutka u kojem je Sunce trebalo izaći na temelju geometrijskih razmatranja; spljoštenost vidljivih diskova Mjeseca i Sunca u blizini horizonta zbog činjenice da se donji rub diskova diže lomom više od gornjeg; svjetlucanje zvijezda itd. Zbog razlike u veličini loma svjetlosnih zraka različitih valnih duljina (plave i ljubičaste zrake više odstupaju od crvenih) dolazi do prividnog obojenja nebeskih tijela u blizini horizonta.

Ispravci navedeni u tablici koriste se pri promatranju zvijezda, planeta i drugih tijela koja se nalaze na vrlo velikim udaljenostima od Zemlje.

Za bliža nebeska tijela koja su, recimo, bliža Mjesecu, učinak refrakcije je nešto drugačiji od vrijednosti navedenih u tablici. To je zbog činjenice da su, zbog zakrivljenosti zrake svjetlosti u atmosferi, smjerovi do obližnjih svjetiljki od točke na kojoj stoji promatrač i od točke u kojoj zraka svjetlosti ulazi u zemljinu atmosferu ne- paralelni i tvore mali kut. Taj se kut naziva lomna paralaksa. U rezultate promatranja Mjeseca (do 1,2") i umjetnih Zemljinih satelita (do nekoliko desetaka minuta) vrši se korekcija za lomnu paralaksu.

Astronomska refrakcija

Prolazeći kroz zemljinu atmosferu, svjetlosne zrake mijenjaju svoj pravac. Zbog povećanja gustoće atmosfere povećava se lom svjetlosnih zraka kako se približavaju površini Zemlje. Kao rezultat toga, promatrač vidi nebeska tijela kao da su podignuta iznad horizonta pod kutom koji se naziva astronomska refrakcija.

Refrakcija je jedan od glavnih izvora sustavnih i slučajnih pogrešaka promatranja. Godine 1906 Newcomb je napisao da ne postoji grana praktične astronomije o kojoj se toliko pisalo kao o lomu, a koja bi bila u tako nezadovoljavajućem stanju. Sve do sredine 20. stoljeća astronomi su smanjivali svoja opažanja pomoću tablica refrakcije sastavljenih u 19. stoljeću. Glavni nedostatak svih starih teorija bilo je netočno razumijevanje strukture zemljine atmosfere.

Uzmimo površinu Zemlje AB kao sferu radijusa OA=R i zamislimo Zemljinu atmosferu u obliku slojeva koncentričnih s njom. ajme, 1 u 1 i 2 u 2...s povećanjem gustoće kako se slojevi približavaju Zemljinoj površini (Sl. 2.7). Tada će zraka SA nekog vrlo udaljenog tijela, prelomljena u atmosferi, stići u točku A na pravcu S¢A, odstupajući od svog početnog položaja SA ili od pravca S²A paralelnog s njim za određeni kut S¢AS²= r, naziva se astronomska refrakcija. Svi elementi zakrivljene zrake SA i njezinog konačnog prividnog pravca AS¢ ležat će u istoj okomitoj ravnini ZAOS. Posljedično, astronomska refrakcija samo povećava pravi smjer prema svjetlećem tijelu u okomitoj ravnini koja prolazi kroz njega.

Kutna nadmorska visina zvijezde iznad horizonta u astronomiji se naziva visina zvijezde. Kut S¢AH = h¢ bit će prividna visina zvijezde, a kut S²AH = h = h¢ - r je njegova prava visina. Kutak z je prava zenitna udaljenost svjetiljke, i z¢ je njegova vidljiva vrijednost.

Jačina refrakcije ovisi o mnogim čimbenicima i može se promijeniti na svakom mjestu na Zemlji, čak i unutar jednog dana. Za prosječne uvjete dobivena je približna formula refrakcije:

Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)

Koeficijent 0,9666 odgovara gustoći atmosfere pri temperaturi od +10°C i tlaku od 760 mm Hg. Ako su karakteristike atmosfere različite, tada se korekcija za lom, izračunata prema formuli (2.1), mora korigirati korekcijama za temperaturu i tlak.

Slika 2.7. Astronomska refrakcija

Da bi se uzela u obzir astronomska refrakcija u zenitalnim metodama astronomskih određivanja, temperatura i tlak zraka mjere se tijekom promatranja zenitnih udaljenosti svjetiljki. U preciznim metodama astronomskih određivanja zenitne udaljenosti svjetlih tijela mjere se u rasponu od 10° do 60°. Gornja granica je zbog instrumentalnih grešaka, donja granica je zbog grešaka u refrakcijskim tablicama.

Zenitna udaljenost svjetiljke, korigirana korekcijom refrakcije, izračunava se po formuli:

Prosječna refrakcija (normalna na temperaturi od +10°C i tlaku od 760 mm Hg.), izračunata prema z¢;

Koeficijent koji uzima u obzir temperaturu zraka, izračunat iz vrijednosti temperature;

B– koeficijent koji uzima u obzir tlak zraka.

Mnogi znanstvenici proučavali su teoriju refrakcije. U početku je početna pretpostavka bila da gustoća različitih slojeva atmosfere opada s povećanjem visine tih slojeva u aritmetičkoj progresiji (Bouguer). No ta je pretpostavka ubrzo prepoznata kao nezadovoljavajuća u svakom pogledu, budući da je dovela do premale vrijednosti loma i prebrzog pada temperature s visinom iznad površine Zemlje.

Newton je pretpostavio da gustoća atmosfere opada s visinom prema zakonu geometrijske progresije. I ova se hipoteza pokazala nezadovoljavajućom. Prema ovoj hipotezi, pokazalo se da temperatura u svim slojevima atmosfere treba ostati konstantna i jednaka temperaturi na površini Zemlje.

Najgenijalnija je bila Laplaceova hipoteza, posredna između gornje dvije. Tablice refrakcije koje su se svake godine objavljivale u francuskom astronomskom kalendaru temeljile su se na ovoj Laplaceovoj hipotezi.

Zemljina atmosfera sa svojom nestabilnošću (turbulencija, varijacije refrakcije) postavlja ograničenje na točnost astronomskih promatranja sa Zemlje.

Prilikom odabira mjesta za postavljanje velikih astronomskih instrumenata najprije se sveobuhvatno proučava astroklima područja, koja se shvaća kao skup čimbenika koji iskrivljuju oblik valne fronte zračenja nebeskih tijela koja prolaze kroz atmosferu. Ako valna fronta dođe do uređaja bez izobličenja, tada uređaj u ovom slučaju može raditi s maksimalnom učinkovitošću (s rezolucijom koja se približava teoretskoj).

Kako se pokazalo, kvaliteta teleskopske slike smanjena je uglavnom zbog smetnji koje donosi prizemni sloj atmosfere. Zemlja se zbog vlastitog toplinskog zračenja noću znatno hladi i hladi susjedni sloj zraka. Promjena temperature zraka za 1°C mijenja njegov indeks loma za 10 -6. Na izoliranim planinskim vrhovima debljina prizemnog sloja zraka sa značajnom temperaturnom razlikom (gradijentom) može doseći nekoliko desetaka metara. U dolinama i ravničarskim područjima noću, ovaj sloj je mnogo deblji i može biti stotine metara. To objašnjava izbor mjesta za astronomske zvjezdarnice na izbočinama grebena i na izoliranim vrhovima, odakle gušći hladni zrak može strujati u doline. Visina tornja teleskopa odabrana je tako da se instrument nalazi iznad glavnog područja temperaturnih nehomogenosti.

Važan čimbenik astroklime je vjetar u površinskom sloju atmosfere. Miješanjem slojeva hladnog i toplog zraka uzrokuje pojavu nehomogenosti gustoće u stupcu zraka iznad uređaja. Nehomogenosti čije su dimenzije manje od promjera teleskopa dovode do defokusiranja slike. Veće fluktuacije gustoće (nekoliko metara ili veće) ne uzrokuju oštra izobličenja fronte vala i dovode uglavnom do pomaka, a ne defokusiranja slike.

U gornjim slojevima atmosfere (u tropopauzi) također se opažaju kolebanja gustoće i indeksa loma zraka. No poremećaji u tropopauzi ne utječu osjetno na kvalitetu slika koje proizvode optički instrumenti, budući da su temperaturni gradijenti ondje mnogo manji nego u površinskom sloju. Ti slojevi ne uzrokuju podrhtavanje, već svjetlucanje zvijezda.

U astroklimatskim proučavanjima uspostavlja se veza između broja vedrih dana koje bilježi meteorološka služba i broja noći pogodnih za astronomska promatranja. Najpovoljnija područja, prema astroklimatskim analizama područja bivšeg SSSR-a, su neka planinska područja srednjoazijskih država.

Terestrička refrakcija

Zrake s zemaljskih tijela, ako prijeđu dovoljno dug put u atmosferi, također doživljavaju lom. Putanja zraka je zakrivljena pod utjecajem loma, te ih vidimo na pogrešnim mjestima ili u krivom smjeru gdje se zapravo i nalaze. Pod određenim uvjetima, kao rezultat zemaljske refrakcije, pojavljuju se fatamorgane - lažne slike udaljenih objekata.

Kut terestričke refrakcije a je kut između pravca na prividni i stvarni položaj promatranog objekta (sl. 2.8). Vrijednost kuta a ovisi o udaljenosti do promatranog objekta i o vertikalnom gradijentu temperature u površinskom sloju atmosfere, u kojem dolazi do širenja zraka od prizemnih objekata.

sl.2.8. Manifestacija zemaljske refrakcije tijekom gledanja:

a) – odozdo prema gore, b) – odozgo prema dolje, a – kut terestričke refrakcije

Geodetski (geometrijski) raspon vidljivosti povezan je s terestričkom refrakcijom (slika 2.9). Pretpostavimo da se promatrač nalazi u točki A na određenoj visini hH iznad zemljine površine i promatra horizont u smjeru točke B. NAN ravnina je horizontalna ravnina koja prolazi kroz točku A okomito na polumjer globusa, tzv. ravnina matematičkog horizonta. Kad bi se zrake svjetlosti širile pravocrtno u atmosferi, tada bi najudaljenija točka na Zemlji koju bi promatrač iz točke A mogao vidjeti bila točka B. Udaljenost do ove točke (tangenta AB na globus) je geodetski (ili geometrijski) raspon vidljivosti D 0 . Kružna linija na zemljinoj površini eksploziva je geodetski (ili geometrijski) horizont promatrača. Vrijednost D 0 određena je samo geometrijskim parametrima: polumjerom Zemlje R i visinom h H promatrača i jednaka je D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H, što proizlazi iz sl. 2.9.

sl.2.9. Terestrička refrakcija: matematički (NN) i geodetski (BB) horizonti, geodetski opseg vidljivosti (AB=D 0)

Ako promatrač promatra objekt koji se nalazi na visini h iznad Zemljine površine, tada će geodetski raspon biti udaljenost AC = 3,57 (√ h H + √ h pr). Ove bi tvrdnje bile istinite kada bi svjetlost putovala ravnom linijom kroz atmosferu. Ali to nije istina. Uz normalnu raspodjelu temperature i gustoće zraka u prizemnom sloju, zakrivljena linija koja prikazuje putanju svjetlosnog snopa okrenuta je prema Zemlji svojom konkavnom stranom. Stoga najudaljenija točka koju će promatrač iz A vidjeti neće biti B, već B¢. Geodetski raspon vidljivosti AB¢, uzimajući u obzir lom, bit će u prosjeku 6-7% veći i umjesto koeficijenta 3,57 u formulama će biti koeficijent 3,82. Geodetski raspon izračunava se pomoću formula

, h - u m, D - u km, R - 6378 km

Gdje h n i h pr – u metrima, D – u kilometrima.

Za osobu prosječne visine udaljenost horizonta na Zemlji iznosi oko 5 km. Za kozmonaute V.A.Shatalova i A.S.Eliseeva, koji su letjeli na svemirskom brodu Soyuz-8, domet horizonta u perigeju (visina 205 km) bio je 1730 km, a u apogeju (visina 223 km) – 1800 km.

Kod radio valova lom je gotovo neovisan o valnoj duljini, ali osim o temperaturi i tlaku ovisi i o sadržaju vodene pare u zraku. Pod istim uvjetima promjena temperature i tlaka, radiovalovi se lome jače od svjetlosnih, osobito pri visokoj vlažnosti.

Stoga će u formulama za određivanje dometa horizonta ili otkrivanje objekta radarskom zrakom ispred korijena postojati koeficijent 4,08. Posljedično, horizont radarskog sustava udaljen je otprilike 11%.

Radio valovi se dobro reflektiraju od zemljine površine i od donje granice inverzije ili sloja niske vlažnosti. U takvom jedinstvenom valovodu koji čine zemljina površina i baza inverzije, radiovalovi se mogu širiti na vrlo velike udaljenosti. Ove značajke širenja radiovalova uspješno se koriste u radaru.

Temperatura zraka u prizemnom sloju, osobito u njegovom donjem dijelu, ne opada uvijek s visinom. Može se smanjivati ​​različitim brzinama, ne mora se mijenjati s visinom (izotermija), a može rasti s visinom (inverzija). Ovisno o veličini i predznaku temperaturnog gradijenta, refrakcija može imati različite učinke na raspon vidljivog horizonta.

Vertikalni temperaturni gradijent u homogenoj atmosferi u kojoj se gustoća zraka ne mijenja s visinom, g 0 = 3,42°C/100m. Razmotrimo kakva će biti putanja zrake AB pri različitim gradijentima temperature na površini Zemlje.

Neka, tj. temperatura zraka opada s visinom. Pod ovim uvjetom, indeks loma također opada s visinom. Putanja svjetlosnog snopa u ovom slučaju bit će okrenuta svojoj konkavnoj strani prema zemljinoj površini (na sl. 2.9 putanja AB¢). Ova refrakcija se naziva pozitivna. Najudaljenija točka U¢ promatrač će vidjeti u smjeru zadnje tangente na putanju zrake. Ova tangenta, t.j. horizont vidljiv zbog refrakcije jednak je matematičkom horizontu NAS kut D, manji od kuta d. Kutak d je kut između matematičkog i geometrijskog horizonta bez loma. Dakle, vidljivi horizont se podigao za kut ( d- D) i proširen jer D > D0.

Sada zamislimo to g postupno se smanjuje, tj. S visinom temperatura opada sve sporije. Doći će trenutak kada temperaturni gradijent postane nula (izotermija), a zatim temperaturni gradijent postane negativan. Temperatura više ne opada, nego raste s visinom, tj. uočava se temperaturna inverzija. Kako se temperaturni gradijent smanjuje i prolazi kroz nulu, vidljivi horizont će se dizati sve više i više i doći će trenutak kada D postane jednak nuli. Vidljivi geodetski horizont uzdići će se do matematičkog. Činilo se da se zemljina površina izravnala i postala ravna. Raspon geodetske vidljivosti je beskonačno velik. Polumjer zakrivljenosti grede postao je jednak polumjeru globusa.

S još jačom temperaturnom inverzijom D postaje negativan. Vidljivi horizont izdigao se iznad matematičkog. Promatraču u točki A činit će se da se nalazi na dnu ogromnog bazena. Zbog horizonta se objekti koji se nalaze daleko izvan geodetskog horizonta uzdižu i postaju vidljivi (kao da lebde u zraku) (slika 2.10).

Takvi se fenomeni mogu promatrati u polarnim zemljama. Dakle, s kanadske obale Amerike kroz Smithov prolaz ponekad možete vidjeti obalu Grenlanda sa svim zgradama na njoj. Udaljenost do grenlandske obale je oko 70 km, dok geodetska vidljivost nije veća od 20 km. Još jedan primjer. Iz Hastingsa, na engleskoj strani tjesnaca Pas-de-Calais, mogao sam vidjeti francusku obalu, koja leži preko tjesnaca na udaljenosti od oko 75 km.

sl.2.10. Fenomen neobične refrakcije u polarnim zemljama

Sada pretpostavimo to g=g 0, dakle, gustoća zraka se ne mijenja s visinom (homogena atmosfera), nema refrakcije i D=D 0 .

Na g > g 0 indeks loma i gustoća zraka rastu s visinom. U tom slučaju putanja svjetlosnih zraka svojom je konveksnom stranom okrenuta prema zemljinoj površini. Taj se lom naziva negativnim. Posljednja točka na Zemlji koju će promatrač na A vidjeti bit će B². Vidljivi horizont AB² suzio se i spustio pod kut (D - d).

Iz onoga što je raspravljeno, možemo formulirati sljedeće pravilo: ako se duž širenja svjetlosnog snopa u atmosferi mijenja gustoća zraka (a time i indeks loma), tada će se svjetlosni snop saviti tako da je njegova putanja uvijek konveksan u smjeru smanjenja gustoće (i indeksa loma) zraka .

Refrakcija i fatamorgane

Riječ fatamorgana je francuskog porijekla i ima dva značenja: “odraz” i “varljiva vizija”. Oba značenja ove riječi dobro odražavaju bit fenomena. Fatamorgana je slika objekta koji stvarno postoji na Zemlji, često uvećana i jako izobličena. Postoji nekoliko vrsta fatamorgana ovisno o tome gdje se slika nalazi u odnosu na objekt: gornja, donja, bočna i složena. Najčešće promatrane su gornje i donje fatamorgane, koje se javljaju kada postoji neuobičajena raspodjela gustoće (a time i indeksa loma) po visini, kada na određenoj visini ili blizu površine Zemlje postoji relativno tanak sloj vrlo topao zrak (s niskim indeksom loma), u kojem zrake koje dolaze s tla doživljavaju potpunu unutarnju refleksiju. To se događa kada zrake padaju na ovaj sloj pod kutom većim od kuta potpune unutarnje refleksije. Ovaj topliji sloj zraka igra ulogu zračnog ogledala, reflektirajući zrake koje padaju u njega.

Superior fatamorgane (slika 2.11) pojavljuju se u prisutnosti jakih temperaturnih inverzija, kada gustoća zraka i indeks loma brzo opadaju s visinom. U superiornim fatamorganama, slika se nalazi iznad objekta.

sl.2.11. Vrhunski Mirage

Putanje svjetlosnih zraka prikazane su na slici (2.11). Pretpostavimo da je zemljina površina ravna i da su slojevi jednake gustoće smješteni paralelno s njom. Budući da gustoća opada s visinom, tada . Topli sloj, koji djeluje kao zrcalo, leži na visini. U tom sloju, kada upadni kut zraka postane jednak indeksu loma (), zrake se okreću natrag prema zemljinoj površini. Promatrač može istovremeno vidjeti sam objekt (ako nije iza horizonta) i jednu ili više slika iznad njega - uspravnih i obrnutih.

sl.2.12. Složena superiorna fatamorgana

Na sl. Slika 2.12 prikazuje dijagram nastanka složene gornje fatamorgane. Sam predmet je vidljiv ab, iznad njega je njegova izravna slika a¢b¢, obrnuto u²b² i opet izravni a²¢b²¢. Do takve fatamorgane može doći ako gustoća zraka opada s visinom, prvo polako, zatim brzo, pa opet polako. Slika ispada naopako ako se zrake koje dolaze iz krajnjih točaka objekta sijeku. Ako je objekt daleko (iznad horizonta), tada sam objekt možda nije vidljiv, ali njegove slike, podignute visoko u zrak, vidljive su s velikih udaljenosti.

Grad Lomonosov nalazi se na obali Finskog zaljeva, 40 km od Sankt Peterburga. Obično se iz Lomonosova Sankt Peterburg uopće ne vidi ili se vrlo slabo vidi. Ponekad je Sankt Peterburg vidljiv "na prvi pogled". Ovo je jedan primjer superiornih fatamorgana.

Čini se da bi broj gornjih fatamorgana trebao uključiti barem dio takozvanih zemalja duhova, koje su desetljećima tražene na Arktiku i nikad nisu pronađene. Osobito su dugo tražili Zemlju Sannikova.

Yakov Sannikov bio je lovac i bavio se trgovinom krznom. Godine 1811 Na psima je krenuo preko leda do skupine Novosibirskih otoka i sa sjevernog vrha otoka Kotelny ugledao nepoznati otok u oceanu. Nije uspio doći do njega, ali je otkriće novog otoka prijavio vladi. U kolovozu 1886 E.V. Tol, tijekom svoje ekspedicije na Novosibirsko otočje, također je vidio otok Sannikov i napisao u svom dnevniku: “Horizont je potpuno čist. U smjeru sjeveroistoka, 14-18 stupnjeva, jasno su se uočavale konture četiriju visova koji su se spajali s nizinskim kopnom na istoku. Time je Sanikovljeva poruka u potpunosti potvrđena. Imamo, dakle, pravo nacrtati isprekidanu crtu na odgovarajuće mjesto na karti i napisati na njoj: “Zemlja Sannikova”.

Tol je dao 16 godina svog života u potragu za Zemljom Sannikov. Organizirao je i vodio tri ekspedicije na područje Novosibirskih otoka. Tijekom posljednje ekspedicije na škuni "Zarya" (1900-1902), Tolyina ekspedicija je umrla ne pronašavši Sannikovu Zemlju. Nitko više nije vidio Zemlju Sannikov. Možda je to bila fatamorgana koja se pojavljuje na istom mjestu u određeno doba godine. I Sannikov i Tol vidjeli su privid istog otoka smještenog u ovom smjeru, samo mnogo dalje u oceanu. Možda je to bio jedan od otoka De Long. Možda je to bila ogromna santa leda - cijeli ledeni otok. Takve ledene planine, površine do 100 km2, putuju preko oceana nekoliko desetljeća.

Fatamorgana nije uvijek varala ljude. Engleski polarni istraživač Robert Scott 1902. na Antarktici sam vidio planine kao da vise u zraku. Scott je sugerirao da postoji planinski lanac dalje iza horizonta. I doista, planinski lanac je kasnije otkrio norveški polarni istraživač Raoul Amundsen točno tamo gdje je Scott očekivao da će se nalaziti.

sl.2.13. Inferiorni Mirage

Donje fatamorgane (sl. 2.13) javljaju se s vrlo brzim smanjenjem temperature s visinom, tj. pri vrlo velikim temperaturnim gradijentima. Ulogu zračnog ogledala ima tanki površinski najtopliji sloj zraka. Fatamorgana se naziva inferiornom fatamorganom jer se slika predmeta nalazi ispod objekta. Kod nižih fatamorgana čini se kao da je ispod predmeta površina vode i da se svi predmeti reflektiraju u njoj.

U mirnoj vodi jasno se reflektiraju svi predmeti koji stoje na obali. Refleksija u tankom sloju zraka zagrijanom od zemljine površine potpuno je slična refleksiji u vodi, samo što ulogu zrcala ima sam zrak. Uvjeti zraka u kojima se pojavljuju inferiorne fatamorgane izuzetno su nestabilni. Uostalom, dolje, blizu zemlje, leži jako zagrijan, dakle lakši zrak, a iznad njega hladniji i teži zrak. Mlazovi vrućeg zraka koji se dižu s tla prodiru kroz slojeve hladnog zraka. Zbog toga se fatamorgana mijenja pred našim očima, čini se da je površina "vode" uzburkana. Dovoljan je mali udar vjetra ili udar i doći će do kolapsa, tj. prevrćući zračne slojeve. Teški zrak će se sjuriti, uništavajući zračno ogledalo, a fatamorgana će nestati. Povoljni uvjeti za pojavu inferiornih fatamorgana su homogena, ravna temeljna površina Zemlje, koja se javlja u stepama i pustinjama, te sunčano vrijeme bez vjetra.

Ako je fatamorgana slika stvarno postojećeg objekta, onda se postavlja pitanje: kakvu vodenu površinu vide putnici u pustinji? Uostalom, u pustinji nema vode. Činjenica je da prividna vodena površina ili jezero vidljivo u fatamorgani zapravo nije slika vodene površine, nego neba. Dijelovi neba reflektiraju se u zračnom zrcalu i stvaraju potpunu iluziju sjajne vodene površine. Takva se fatamorgana može vidjeti ne samo u pustinji ili stepi. Javljaju se čak iu Sankt Peterburgu i njegovoj okolici za sunčanih dana preko asfaltnih cesta ili ravne pješčane plaže.

sl.2.14. Bočna fatamorgana

Bočne fatamorgane pojavljuju se u slučajevima kada se slojevi zraka iste gustoće nalaze u atmosferi ne vodoravno, kao obično, već koso, pa čak i okomito (slika 2.14). Takvi se uvjeti stvaraju ljeti, ujutro neposredno nakon izlaska sunca, na stjenovitim obalama mora ili jezera, kada je obala već obasjana Suncem, a površina vode i zrak iznad nje još hladni. Bočne fatamorgane više su puta opažene na Ženevskom jezeru. Bočna fatamorgana može se pojaviti u blizini kamenog zida kuće koju grije Sunce, pa čak i sa strane zagrijane peći.

Složeni tipovi fatamorgana, ili Fata Morgana, nastaju kada istovremeno postoje uvjeti za pojavu i gornje i donje fatamorgane, na primjer, tijekom značajne temperaturne inverzije na određenoj nadmorskoj visini iznad relativno toplog mora. Gustoća zraka najprije raste s visinom (temperatura zraka pada), a zatim također brzo opada (temperatura zraka raste). S takvom raspodjelom gustoće zraka stanje atmosfere je vrlo nestabilno i podložno naglim promjenama. Stoga se izgled fatamorgane mijenja pred našim očima. Najobičnije stijene i kuće, zbog opetovanih izobličenja i povećanja, pretvaraju se pred našim očima u čudesne dvorce vile Morgane. Fata Morgana se promatra uz obalu Italije i Sicilije. Ali može se pojaviti i na velikim geografskim širinama. Ovako je poznati sibirski istraživač F. P. Wrangel opisao Fata Morganu koju je vidio u Nizhnekolymsku: “Radnja horizontalne refrakcije stvorila je neku vrstu Fata Morgane. Planine koje leže na jugu činile su nam se u raznim iskrivljenim oblicima i vise u zraku. Daleke planine kao da su prevrnule svoje vrhove. Rijeka se suzila do te mjere da se činilo da je suprotna obala gotovo kod naših koliba.”

Atmosferska refrakcija

Atmosferska refrakcija je odstupanje svjetlosnih zraka od ravne linije dok prolaze kroz atmosferu zbog promjena gustoće zraka s visinom. Atmosferska refrakcija u blizini Zemljine površine stvara fatamorgane i može uzrokovati da udaljeni objekti trepere, podrhtavaju ili se pojavljuju iznad ili ispod svog stvarnog položaja. Osim toga, oblik predmeta može biti iskrivljen - mogu izgledati spljošteno ili rastegnuto. Termin "refrakcija" Isto vrijedi i za lom zvuka.

Atmosferska refrakcija je razlog što se astronomski objekti uzdižu iznad horizonta nešto više nego što zapravo jesu. Refrakcija ne utječe samo na svjetlosne zrake nego i na sva elektromagnetska zračenja, iako u različitim stupnjevima. Na primjer, u vidljivoj svjetlosti, plava je podložnija lomu više nego crvena. To može uzrokovati zamućenje astronomskih objekata u spektru na slikama visoke razlučivosti.

Ako je moguće, astronomi planiraju svoja promatranja kada nebesko tijelo prođe gornju točku kulminacije, kada je najviše iznad horizonta. Također, pri određivanju koordinata broda, mornari nikada neće koristiti svjetiljku čija je visina manja od 20° iznad horizonta. Ako se promatranje zvijezde blizu horizonta ne može izbjeći, tada se teleskop može opremiti kontrolnim sustavima za kompenzaciju pomaka uzrokovanog lomom svjetlosti u atmosferi. Ako je disperzija također problem (u slučaju korištenja širokopojasne kamere za promatranja visoke razlučivosti), tada se može koristiti korekcija za lom svjetlosti u atmosferi (koristeći par rotirajućih staklenih prizmi). No budući da stupanj atmosferske refrakcije ovisi o temperaturi i tlaku, kao i o vlazi (količini vodene pare, što je posebno važno pri promatranju u srednjem infracrvenom području spektra), količina napora potrebna za uspješnu kompenzaciju može biti previsok.

Atmosferska refrakcija najjače ometa opažanja kada nije jednolik, na primjer, u prisutnosti turbulencije u zraku. To je razlog svjetlucanja zvijezda i deformacije vidljivog oblika sunca pri zalasku i izlasku sunca.

Atmosferske vrijednosti refrakcije

Atmosferska refrakcija jednaka nuli u zenitu, manja od 1" (jedna lučna minuta) na prividnoj visini od 45° iznad horizonta i dostiže vrijednost od 5,3" na 10° visine; refrakcija se brzo povećava sa smanjenjem visine, dosežući 9,9" na 5° visine, 18,4" na 2° visine i 35,4" na horizontu (1976 Allen, 125); sve vrijednosti dobivene na 10°C i atmosferskom tlaku od 101,3 kPa.

Na horizontu je vrijednost atmosferske refrakcije nešto veća od prividnog promjera Sunca. Dakle, kada se cijeli disk sunca vidi neposredno iznad horizonta, on je vidljiv samo zahvaljujući lomu, jer da nema atmosfere, ne bi se vidio niti jedan dio sunčevog diska.

Prema prihvaćenoj konvenciji, vrijeme izlaska i zalaska Sunca naziva se vrijeme kada se gornji rub Sunca pojavi ili nestane iznad horizonta; standardna vrijednost za pravu visinu Sunca je -50"...-34" za lom i -16" za polupromjer Sunca (visina nebeskog tijela obično se daje za središte njegovog diska ). U slučaju Mjeseca, potrebne su dodatne korekcije kako bi se uzela u obzir horizontalna paralaksa Mjeseca i njegov prividni polupromjer, koji varira s udaljenošću sustava Zemlja-Mjesec.

Dnevne vremenske promjene utječu na točno vrijeme izlaska i zalaska Sunca i Mjeseca (vidi članak “Refrakcija na horizontu”), pa iz tog razloga nema smisla davati vrijeme prividnog zalaska i izlaska Sunca svjetiljki s točnošću veći od jedne lučne minute (ovo je detaljnije opisano u knjizi "Astronomski algoritmi", Jean Meeus, 1991., str. 103). Točniji izračuni mogu biti korisni za određivanje dnevnih promjena vremena izlaska i zalaska sunca kada se koriste standardne vrijednosti indeksa loma, jer je jasno da se stvarne promjene mogu razlikovati zbog nepredvidivih promjena indeksa loma.

Zbog atmosferska refrakcija je 34" na horizontu i samo 29 lučnih minuta na nadmorskoj visini od 0,5° iznad horizonta, a zatim pri zalasku ili izlasku sunca izgleda da je spljošten za oko 5" (što je oko 1/6 njegovog prividnog promjera).

Proračun atmosferske refrakcije

Strogo izračunavanje refrakcije zahtijeva numeričku integraciju korištenjem ove metode opisane u radu Auera i Standisha Astronomska refrakcija: izračun za sve zenitne kutove, 2000. Bennett (1982.) je u svom članku "Izračun astronomske refrakcije za upotrebu u pomorskoj navigaciji" izveo jednostavnu empirijsku formulu za određivanje vrijednosti refrakcije ovisno o prividnoj visini svjetiljki, koristeći Garfinkel algoritam (1967) kao referenca, Ako h a- ovo je prividna visina svjetiljke u stupnjevima, zatim refrakcija R u lučnim minutama bit će jednako

Točnost formule je do 0,07" za visine od 0° do -90° (Meeus 1991, 102). Smardson (1986) je izveo formulu za određivanje refrakcije u odnosu na pravu visinu svjetiljki; ako h- ovo je prava visina svjetiljke u stupnjevima, zatim refrakcija R u lučnim minutama bit će

formula se slaže s Bennettovom formulom s točnošću od 0,1". Obje formule bit će točne pri atmosferskom tlaku od 101,0 kPa i temperaturi od 10 ° C; za različite vrijednosti tlaka R i temperaturu T rezultat izračuna loma dobiven ovim formulama treba pomnožiti s

(prema Meeus, 1991, 103). Refrakcija se povećava za približno 1% za svakih 0,9 kPa povećanja tlaka i smanjuje se za približno 1% za svakih 0,9 kPa smanjenje tlaka. Slično tome, refrakcija se povećava za oko 1% za svaka 3°C smanjenja temperature, a refrakcija se smanjuje za oko 1% za svaka 3°C povećanja temperature.

Grafikon loma prema visini (Bennett, 1982.)

Slučajni atmosferski učinci uzrokovani refrakcijom

Atmosferske turbulencije povećavaju i smanjuju prividni sjaj zvijezda, čineći ih svjetlijima ili slabijima u milisekundama. Spore komponente tih oscilacija vidljive su nam kao treperenje.

Osim toga, turbulencija uzrokuje male nasumične pokrete u vidljivoj slici zvijezde, a također proizvodi brze promjene u njezinoj strukturi. Ovi efekti nisu vidljivi golim okom, ali ih je lako vidjeti čak i malim teleskopom.