W atmosferze występują zimne i gorące prądy powietrza. Tam, gdzie ciepłe warstwy znajdują się nad zimnymi, tworzą się wiry powietrza, pod wpływem których promienie świetlne załamują się i zmienia się położenie gwiazdy.
Jasność gwiazdy zmienia się, ponieważ promienie, które odchylają się od normy, są nierównomiernie skupiane na powierzchni planety. Jednocześnie cały krajobraz stale się zmienia i zmienia pod wpływem zjawisk atmosferycznych, na przykład wiatru. Obserwator gwiazd znajduje się albo w bardziej oświetlonym obszarze, albo odwrotnie, w bardziej zacienionym.
Jeśli chcesz obserwować migotanie gwiazd, pamiętaj, że w zenicie, w spokojnej atmosferze, zjawisko to można wykryć tylko sporadycznie. Jeśli skierujesz wzrok na ciała niebieskie znajdujące się bliżej horyzontu, zauważysz, że migoczą one znacznie częściej. Wyjaśnia to fakt, że patrzysz na gwiazdy przez gęstszą warstwę powietrza i odpowiednio przebijasz wzrok większa liczba przepływa powietrze. Nie zauważysz zmian w kolorze gwiazd znajdujących się na wysokości większej niż 50°. Jednak w gwiazdach poniżej 35° zauważysz częste zmiany koloru. Syriusz bardzo pięknie migocze, mieniąc się wszystkimi kolorami widma, szczególnie w Zimowe miesiące, nisko nad horyzontem.
Silne migotanie gwiazd świadczy o niejednorodności atmosfery, co jest związane z różnymi zjawiskami meteorologicznymi. Dlatego wiele osób uważa, że migotanie jest związane z pogodą. Często zyskuje na wytrzymałości przy niskim ciśnieniu atmosferycznym, niższej temperaturze, zwiększonej wilgotności itp. Ale od tego zależy stan atmosfery duża liczba różne czynniki, Co się dzieje ten moment Nie da się przewidzieć pogody na podstawie migotania gwiazd.
Zjawisko to kryje w sobie tajemnice i niejasności. Przyjmuje się, że nasila się o zmierzchu. Mogłoby być złudzenie optyczne i konsekwencją niezwykłych zmian atmosferycznych, które często występują o tej porze dnia. Uważa się, że migotanie gwiazd jest spowodowane zorzą polarną. Ale bardzo trudno to wyjaśnić, biorąc pod uwagę, że zorza polarna znajduje się na wysokości ponad 100 km. Ponadto pozostaje tajemnicą, dlaczego białe gwiazdy migoczą mniej niż czerwone.
Gwiazdy to słońca. Pierwszą osobą, która odkryła tę prawdę, był naukowiec włoskiego pochodzenia. Bez przesady, jego nazwisko jest znane każdemu nowoczesny świat. To legendarny Giordano Bruno. Twierdził, że wśród gwiazd są podobne do Słońca rozmiary, temperatura ich powierzchni, a nawet kolor, który bezpośrednio zależy od temperatury. Ponadto istnieją gwiazdy znacznie różniące się od Słońca - olbrzymy i nadolbrzymy.
Tabela rang
Różnorodność niezliczonych gwiazd na niebie zmusiła astronomów do ustanowienia między nimi pewnego porządku. W tym celu naukowcy postanowili podzielić gwiazdy na odpowiednie klasy ich jasności. Na przykład gwiazdy, które emitują światło kilka tysięcy razy więcej niż Słońce, nazywane są gigantami. Natomiast gwiazdy o minimalnej jasności są karłami. Naukowcy odkryli, że Słońce według tej cechy jest przeciętną gwiazdą.
czy świecą inaczej?
Przez pewien czas astronomowie uważali, że gwiazdy świecą inaczej ze względu na ich odmienne położenie względem Ziemi. Ale tak nie jest. Astronomowie odkryli, że nawet te gwiazdy, które znajdują się w tej samej odległości od Ziemi, mogą mieć zupełnie inną jasność pozorną. Jasność ta zależy nie tylko od odległości, ale także od temperatury samych gwiazd. Aby porównać gwiazdy pod względem ich pozornej jasności, naukowcy używają określonej jednostki miary – wielkości bezwzględnej. Pozwala nam obliczyć rzeczywiste promieniowanie gwiazdy. Korzystając z tej metody, naukowcy obliczyli, że na niebie jest tylko 20 najjaśniejszych gwiazd.
Dlaczego gwiazdy mają różne kolory?
Napisano powyżej, że astronomowie rozróżniają gwiazdy na podstawie ich wielkości i jasności. Nie jest to jednak cała ich klasyfikacja. Oprócz rozmiaru i pozornej jasności wszystkie gwiazdy są również klasyfikowane według koloru. Faktem jest, że światło definiujące tę lub inną gwiazdę ma promieniowanie falowe. Te są dość krótkie. Pomimo minimalnej długości fali światła, nawet najmniejsza różnica w wielkości fal świetlnych radykalnie zmienia kolor gwiazdy, który bezpośrednio zależy od temperatury jej powierzchni. Na przykład, jeśli podgrzejesz żelazną patelnię, nabierze ona odpowiedniego koloru.
Spektrum barw gwiazdy jest swego rodzaju paszportem, który określa jej najwięcej cechy. Na przykład Słońce i Capella (gwiazda podobna do Słońca) zostały zidentyfikowane przez astronomów jako jedno i to samo. Obydwa mają bladożółty kolor i temperaturę powierzchni 6000°C. Co więcej, ich widmo zawiera te same substancje: linie, sód i żelazo.
Gwiazdy takie jak Betelgeuse czy Antares mają zazwyczaj charakterystyczny czerwony kolor. Ich temperatura powierzchni wynosi 3000°C i zawierają tlenek tytanu. Gwiazdy takie jak Syriusz i Wega są białe. Temperatura ich powierzchni wynosi 10000°C. Ich widma mają linie wodoru. Istnieje również gwiazda o temperaturze powierzchni 30 000°C – jest to niebiesko-biały Orionis.
Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego gwiazd nie widać na niebie w ciągu dnia? W końcu powietrze jest tak samo przezroczyste w dzień, jak i w nocy. Chodzi o to, że w ciągu dnia atmosfera rozprasza światło słoneczne.
Wyobraź sobie, że jesteś wieczorem w dobrze oświetlonym pokoju. Przez szybę okienną dość wyraźnie widać jasne światła znajdujące się na zewnątrz. Ale słabo oświetlone obiekty są prawie niemożliwe do zobaczenia. Jednak gdy tylko zgaśniemy światło w pomieszczeniu, szyba przestanie być przeszkodą w naszym widzeniu.
Coś podobnego dzieje się podczas obserwacji nieba: w ciągu dnia atmosfera nad nami jest jasno oświetlona i widać przez nią Słońce, ale słabe światło odległych gwiazd nie może przeniknąć. Kiedy jednak Słońce schowa się za horyzontem, a światło słoneczne (a wraz z nim światło rozproszone w powietrzu) „zgaśnie”, atmosfera stanie się „przezroczysta” i będzie można obserwować gwiazdy.
W kosmosie to inna sprawa. Gdy statek kosmiczny wznosi się na wysokość, pod spodem pozostają gęste warstwy atmosfery, a niebo stopniowo ciemnieje.
Na wysokości około 200-300 km, gdzie zwykle latają załogowe statki kosmiczne, niebo jest całkowicie czarne. Jest zawsze czarna, nawet jeśli Słońce znajduje się obecnie na jej widocznej części.
„Niebo jest całkowicie czarne. Gwiazdy na tym niebie wyglądają nieco jaśniej i są wyraźniej widoczne na tle czarnego nieba” – tak swoje kosmiczne wrażenia opisał pierwszy kosmonauta Yu.A. Gagarin.
Jednak nawet ze statku kosmicznego znajdującego się po dziennej stronie nieba nie wszystkie gwiazdy są widoczne, a jedynie te najjaśniejsze. Oko zakłóca oślepiające światło Słońca i światło Ziemi.
Jeśli spojrzymy na niebo z Ziemi, wyraźnie zobaczymy, że wszystkie gwiazdy migoczą. Wydają się blaknąć, a potem rozbłysnąć, mieniąc się różnymi kolorami. Im niżej gwiazda znajduje się nad horyzontem, tym silniejsze migotanie.
Migotanie gwiazd można również wytłumaczyć obecnością atmosfery. Zanim dotrze do naszych oczu, światło emitowane przez gwiazdę przechodzi przez atmosferę. W atmosferze zawsze znajdują się masy cieplejszego i zimniejszego powietrza. Jego gęstość zależy od temperatury powietrza w danym obszarze. Przechodząc z jednego obszaru do drugiego, promienie świetlne ulegają załamaniu. Zmienia się kierunek ich propagacji. Z tego powodu w niektórych miejscach nad powierzchnią ziemi są one skoncentrowane, w innych stosunkowo rzadkie. W wyniku ciągłego ruchu mas powietrza strefy te stale się przesuwają, a obserwator widzi wzrost lub spadek jasności gwiazd. Ponieważ jednak promienie o różnych kolorach nie są załamywane jednakowo, momenty wzmocnienia i osłabienia różnych kolorów nie występują jednocześnie.
Ponadto inne, bardziej złożone efekty optyczne mogą odgrywać pewną rolę w migotaniu gwiazd.
Na jakość zdjęć teleskopowych wpływa także obecność ciepłych i zimnych warstw powietrza oraz intensywne ruchy mas powietrza.
Gdzie są najlepsze warunki do obserwacji astronomicznych: w górach czy na równinie, nad morzem czy w głębi lądu, w lesie czy na pustyni? I w ogóle, co jest lepsze dla astronomów – dziesięć bezchmurnych nocy w ciągu miesiąca czy tylko jedna pogodna noc, ale taka, w której powietrze jest idealnie czyste i spokojne?
To tylko niewielka część zagadnień, jakie trzeba rozstrzygnąć przy wyborze lokalizacji pod budowę obserwatoriów i instalację dużych teleskopów. Takimi problemami zajmuje się szczególna dziedzina nauki – astroklimatologia.
Oczywiście najlepsze warunki do obserwacji astronomicznych panują poza gęstymi warstwami atmosfery, w przestrzeni kosmicznej. Nawiasem mówiąc, gwiazdy tutaj nie migoczą, ale płoną zimnym, spokojnym światłem.
Znane konstelacje wyglądają dokładnie tak samo w kosmosie, jak na Ziemi. Gwiazdy znajdują się w ogromnych odległościach od nas, a oddalenie się od powierzchni Ziemi o kilkaset kilometrów nie może zmienić niczego w ich widzialnym wyglądzie. względne położenie. Nawet przy obserwacji z Plutona zarysy konstelacji byłyby dokładnie takie same.
Podczas jednego orbity poruszającego się statku kosmicznego niska orbita okołoziemska w zasadzie można zobaczyć wszystkie konstelacje ziemskiego nieba. Obserwowanie gwiazd z kosmosu ma podwójne znaczenie: astronomiczne i nawigacyjne. W szczególności bardzo ważne jest obserwowanie światła gwiazd niezmodyfikowanego przez atmosferę.
Nie mniej ważna w kosmosie jest nawigacja gwiazdowa. Obserwując wybrane wcześniej gwiazdy „odniesienia”, można nie tylko zorientować statek, ale także określić jego położenie w przestrzeni.
Astronomowie od dawna marzyli o przyszłych obserwatoriach na powierzchni Księżyca. Wydawało się, że całkowity brak atmosfery powinien stworzyć na naturalnym satelicie Ziemi idealne warunki do obserwacji astronomicznych zarówno podczas księżycowej nocy, jak i księżycowego dnia.
Na świecie jest wiele ciekawych rzeczy. Migotanie gwiazd to jedno z najbardziej niesamowitych zjawisk. Ile różnych wierzeń wiąże się z tym zjawiskiem! Nieznane zawsze przeraża i przyciąga jednocześnie. Jaka jest natura tego zjawiska?
Wpływ atmosfery
Astronomowie to zrobili ciekawe odkrycie: Migotanie gwiazd nie ma nic wspólnego z ich zmianami. Dlaczego więc gwiazdy migoczą na nocnym niebie? Wszystko zależy od atmosferycznego ruchu strumieni zimnego i gorącego powietrza. Tam, gdzie ciepłe warstwy przechodzą przez zimne, tworzą się wiry powietrzne. Pod wpływem tych wirów promienie światła ulegają zniekształceniu. W ten sposób załamują się promienie świetlne, zmieniając pozorne położenie gwiazd.
Ciekawostką jest to, że gwiazdy w ogóle nie migoczą. Ta wizja powstaje na ziemi. Oczy obserwatorów dostrzegają światło wychodzące z gwiazdy po jej przejściu przez atmosferę. Dlatego na pytanie, dlaczego gwiazdy migoczą, możemy odpowiedzieć, że gwiazdy nie migoczą, ale zjawiskiem, które obserwujemy na Ziemi, jest zniekształcenie światła, które przeszło od gwiazdy przez atmosferyczne warstwy powietrza. Gdyby takie ruchy powietrza nie występowały, nie zaobserwowano by migotania, nawet w przypadku najbardziej odległej gwiazdy w kosmosie.
Wyjaśnienie naukowe
Jeśli bardziej szczegółowo rozwiniemy pytanie, dlaczego gwiazdy migoczą, warto zauważyć, że proces ten obserwuje się, gdy światło gwiazdy przemieszcza się z gęstszej warstwy atmosfery do mniej gęstej. Ponadto, jak wspomniano powyżej, warstwy te stale przemieszczają się względem siebie. Z praw fizyki wiemy, że ciepłe powietrze unosi się, a zimne – przeciwnie, opada. Migotanie następuje wtedy, gdy światło przechodzi przez tę granicę warstwy.
Przechodząc przez warstwy powietrza o różnej gęstości, światło gwiazd zaczyna migotać, a ich kontury zacierają się, a obraz się zwiększa. Jednocześnie zmienia się również intensywność promieniowania i odpowiednio jasność. Zatem badając i obserwując opisane powyżej procesy naukowcy zrozumieli, dlaczego gwiazdy migoczą, a ich migotanie ma różną intensywność. W nauce tę zmianę natężenia światła nazywa się scyntylacją.
Planety i gwiazdy: jaka jest różnica?
Kolejnym interesującym faktem jest to, że nie każdy świecący obiekt kosmiczny wytwarza światło emanujące zjawiskiem scyntylacji. Weźmy planety. Odbijają również światło słoneczne, ale nie migoczą. Planetę od gwiazdy odróżnia natura promieniowania. Tak, światło gwiazdy migocze, ale światło planety nie.
Od czasów starożytnych ludzkość nauczyła się poruszać w przestrzeni kosmicznej za pomocą gwiazd. W czasach, gdy nie wynaleziono precyzyjnych instrumentów, niebo pomagało znaleźć właściwą drogę. I dziś ta wiedza nie straciła na znaczeniu. Astronomia jako nauka rozpoczęła się w XVI wieku, kiedy po raz pierwszy wynaleziono teleskop. To wtedy zaczęli uważnie obserwować światło gwiazd i badać prawa rządzące ich migotaniem. Słowo astronomia w tłumaczeniu z języka greckiego jest to „prawo gwiazd”.
Nauka gwiazd
Astronomia bada Wszechświat i ciała niebieskie, ich ruch, położenie, strukturę i pochodzenie. Dzięki rozwojowi nauki astronomowie wyjaśnili, czym migocząca gwiazda na niebie różni się od planety, jak zachodzi rozwój ciała niebieskie, ich systemy, satelity. Nauka ta sięga daleko poza granice Układ Słoneczny. Pulsary, kwazary, mgławice, asteroidy, galaktyki, czarne dziury, materia międzygwiazdowa i międzyplanetarna, komety, meteoryty i wszystko, co z nimi związane przestrzeń kosmiczna, studiuje astronomię.
Na intensywność i kolor migoczącego światła gwiazd wpływa także wysokość atmosfery i bliskość horyzontu. Łatwo zauważyć, że znajdujące się w pobliżu gwiazdy świecą jaśniej i mienią się różnymi kolorami. Spektakl ten staje się szczególnie piękny w mroźne noce lub zaraz po deszczu. W tych momentach niebo jest bezchmurne, co przyczynia się do jaśniejszego migotania. Syriusz ma szczególny blask.
Atmosfera i światło gwiazd
Jeśli chcesz obserwować migotanie gwiazd, powinieneś zrozumieć, że przy spokojnej atmosferze w zenicie jest to możliwe tylko sporadycznie. Jasność strumienia świetlnego stale się zmienia. Dzieje się tak ponownie na skutek odchylenia promieni świetlnych, które są nierównomiernie skoncentrowane nad powierzchnią ziemi. Wiatr wpływa również na krajobraz gwiazd. W tym przypadku obserwator panoramy gwiazd stale znajduje się na przemian w zaciemnionym lub oświetlonym obszarze.
Podczas obserwacji gwiazd znajdujących się na wysokości powyżej 50° zmiana koloru nie będzie zauważalna. Ale gwiazdy o temperaturze poniżej 35° będą dość często migotać i zmieniać kolor. Bardzo intensywne migotanie wskazuje na niejednorodność atmosfery, co jest bezpośrednio związane z meteorologią. Obserwując migotanie gwiazd zauważono, że ma ono tendencję do intensyfikacji przy niskim ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze. Zwiększenie migotania można również zauważyć wraz ze wzrostem wilgotności. Nie da się jednak przewidzieć pogody za pomocą scyntylacji. Stan atmosfery zależy od wielu różnych czynników, co nie pozwala nam wyciągać wniosków na temat pogody jedynie na podstawie migotania gwiazd. Oczywiście niektóre rzeczy działają, ale zjawisko to wciąż ma swoje niejasności i tajemnice.
Przechodząc przez atmosferę ziemską, promienie świetlne zmieniają swój prosty kierunek. Ze względu na wzrost gęstości atmosfery załamanie promieni świetlnych wzrasta w miarę zbliżania się do powierzchni Ziemi. W efekcie obserwator widzi ciała niebieskie jakby uniesione nad horyzontem pod kątem zwanym refrakcją astronomiczną.
Refrakcja jest jednym z głównych źródeł zarówno systematycznych, jak i losowych błędów obserwacji. W 1906 r Newcomb napisał, że nie ma dziedziny astronomii praktycznej, o której napisano tyle co o refrakcji, a która byłaby w tak niezadowalającym stanie. Do połowy XX wieku astronomowie ograniczali swoje obserwacje, korzystając z tablic refrakcji opracowanych w XIX wieku. Główną wadą wszystkich starych teorii było niedokładne zrozumienie struktury atmosfery ziemskiej.
Weźmy powierzchnię Ziemi AB jako kulę o promieniu OA=R i wyobraźmy sobie atmosferę ziemską w postaci warstw koncentrycznych z nią och, 1 w 1 i 2 w 2...o gęstości wzrastającej w miarę zbliżania się warstw do powierzchni ziemi (ryc. 2.7). Następnie promień SA z jakiegoś bardzo odległego ciała, załamany w atmosferze, dotrze do punktu A w kierunku S¢A, odchylając się od swojego położenia początkowego SA lub od kierunku S²A równoległego do niego o pewien kąt S¢AS²= R zwane refrakcją astronomiczną. Wszystkie elementy promienia zakrzywionego SA i jego ostateczny pozorny kierunek AS¢ będą leżeć w tej samej płaszczyźnie pionowej ZAOS. W konsekwencji załamanie astronomiczne jedynie zwiększa prawdziwy kierunek do źródła światła w przechodzącej przez niego płaszczyźnie pionowej.
Kątowe wzniesienie gwiazdy nad horyzontem w astronomii nazywane jest wysokością gwiazdy. Kąt S¢AH = h¢ będzie pozorną wysokością gwiazdy i kątem S²AH = h = h¢ - r to jego prawdziwa wysokość. Narożnik z jest rzeczywistą odległością od zenitu źródła światła, oraz z¢ jest jego widoczną wartością.
Wielkość załamania światła zależy od wielu czynników i może zmieniać się w każdym miejscu na Ziemi, nawet w ciągu jednego dnia. Dla warunków przeciętnych uzyskano przybliżony wzór na refrakcję:
Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)
Współczynnik 0,9666 odpowiada gęstości atmosfery w temperaturze +10°C i ciśnieniu 760 mm Hg. Jeżeli charakterystyka atmosfery jest inna, wówczas poprawkę na załamanie, obliczoną według wzoru (2.1), należy skorygować poprzez poprawki na temperaturę i ciśnienie.
Rys. 2.7 Refrakcja astronomiczna
Aby uwzględnić refrakcję astronomiczną w zenitalnych metodach oznaczeń astronomicznych, podczas obserwacji odległości zenitalnych opraw oświetleniowych dokonuje się pomiaru temperatury i ciśnienia powietrza. W precyzyjnych metodach oznaczeń astronomicznych odległości zenitalne opraw mierzone są w zakresie od 10° do 60°. Górna granica wynika z błędów instrumentalnych, dolna wynika z błędów w tablicach refrakcji.
Odległość zenitową oprawy, skorygowaną o korektę refrakcji, oblicza się ze wzoru:
Średnie (normalne w temperaturze +10°C i ciśnieniu 760 mm Hg.) załamanie, obliczone przez z¢;
Współczynnik uwzględniający temperaturę powietrza, obliczony na podstawie wartości temperatury;
B– współczynnik uwzględniający ciśnienie powietrza.
Wielu naukowców zajmowało się teorią refrakcji. Początkowo przyjęto wstępne założenie, że gęstość poszczególnych warstw atmosfery maleje wraz ze wzrostem wysokości tych warstw postęp arytmetyczny(Booge). Założenie to jednak szybko uznano za pod każdym względem niezadowalające, gdyż prowadziło do zbyt małej wartości załamania światła i zbyt szybkiego spadku temperatury wraz z wysokością nad powierzchnią Ziemi.
Newton postawił hipotezę, że zgodnie z tym prawem gęstość atmosfery maleje wraz z wysokością postęp geometryczny. I ta hipoteza okazała się niezadowalająca. Zgodnie z tą hipotezą okazało się, że temperatura we wszystkich warstwach atmosfery powinna pozostać stała i równa temperaturze na powierzchni Ziemi.
Najbardziej pomysłowa była hipoteza Laplace'a, pośrednia pomiędzy dwiema powyższymi. Tablice refrakcji publikowane corocznie we francuskim kalendarzu astronomicznym opierały się na hipotezie Laplace'a.
Atmosfera ziemska wraz z jej niestabilnością (turbulencje, zmiany załamania światła) ogranicza dokładność obserwacji astronomicznych z Ziemi.
Wybierając miejsce na instalację dużych instrumentów astronomicznych, w pierwszej kolejności kompleksowo bada się astroklimat danego obszaru, rozumiany jako zespół czynników zniekształcających kształt czoła fali promieniowania ciał niebieskich przechodzących przez atmosferę. Jeżeli czoło fali dociera do urządzenia w stanie niezniekształconym, to urządzenie w tym przypadku może pracować z maksymalną wydajnością (z rozdzielczością zbliżoną do teoretycznej).
Jak się okazało, jakość obrazu teleskopowego pogarsza się głównie na skutek zakłóceń wprowadzanych przez przyziemną warstwę atmosfery. Ziemia pod wpływem własnego promieniowania cieplnego w nocy znacznie się ochładza i chłodzi sąsiednią warstwę powietrza. Zmiana temperatury powietrza o 1°C powoduje zmianę jego współczynnika załamania światła o 10 -6. Na izolowanych szczytach górskich grubość przyziemnej warstwy powietrza przy znacznej różnicy temperatur (gradientie) może sięgać kilkudziesięciu metrów. W dolinach i na terenach płaskich w nocy warstwa ta jest znacznie grubsza i może sięgać setek metrów. To wyjaśnia wybór lokalizacji obserwatoriów astronomicznych na ostrogach grzbietów i na izolowanych szczytach, skąd do dolin może napływać gęstsze, zimne powietrze. Wysokość wieży teleskopu dobiera się tak, aby instrument znajdował się powyżej głównego obszaru niejednorodności temperatury.
Ważnym czynnikiem wpływającym na astroklimat jest wiatr w powierzchniowej warstwie atmosfery. Mieszając warstwy zimnego i ciepłego powietrza, powoduje to pojawienie się niejednorodności gęstości w słupie powietrza nad urządzeniem. Niejednorodności o wymiarach mniejszych niż średnica teleskopu prowadzą do rozogniskowania obrazu. Większe wahania gęstości (kilka metrów lub więcej) nie powodują ostrych zniekształceń czoła fali i prowadzą głównie do przemieszczenia, a nie rozogniskowania obrazu.
W górnych warstwach atmosfery (w tropopauzie) obserwuje się także wahania gęstości i współczynnika załamania światła powietrza. Jednak zaburzenia tropopauzy nie wpływają zauważalnie na jakość obrazów wytwarzanych przez instrumenty optyczne, ponieważ gradienty temperatury są tam znacznie mniejsze niż w warstwie powierzchniowej. Warstwy te nie powodują drżenia, ale migotania gwiazd.
W badaniach astroklimatycznych ustala się związek między liczbą dni pogodnych zarejestrowanych przez służbę pogodową a liczbą nocy odpowiednich do obserwacji astronomicznych. Najkorzystniejsze obszary, według analizy astroklimatycznej terytorium byłego ZSRR, to niektóre górzyste regiony państw Azji Środkowej.
Refrakcja ziemska
Promienie z obiektów naziemnych, jeśli pokonują wystarczająco długą drogę w atmosferze, również ulegają załamaniu. Trajektoria promieni załamuje się pod wpływem załamania i widzimy je w niewłaściwych miejscach lub w złym kierunku tam, gdzie faktycznie się znajdują. W pewnych warunkach w wyniku załamania światła naziemnego pojawiają się miraże - fałszywe obrazy odległych obiektów.
Kąt załamania ziemi a to kąt pomiędzy kierunkiem do pozornej i rzeczywistej pozycji obserwowanego obiektu (ryc. 2.8). Wartość kąta a zależy od odległości od obserwowanego obiektu oraz od pionowego gradientu temperatury w powierzchniowej warstwie atmosfery, w której następuje propagacja promieni od obiektów naziemnych.
Ryc.2.8. Manifestacja refrakcji naziemnej podczas obserwacji:
a) – od dołu do góry, b) – od góry do dołu, a – kąt załamania światła naziemnego
Zasięg widzialności geodezyjnej (geometrycznej) związany jest z refrakcją ziemską (ryc. 2.9). Załóżmy, że obserwator znajduje się w punkcie A na pewnej wysokości hH nad powierzchnią ziemi i obserwuje horyzont w kierunku punktu B. Płaszczyzna NAN jest płaszczyzną poziomą przechodzącą przez punkt A prostopadłą do promienia kuli ziemskiej, zwaną płaszczyzna horyzontu matematycznego. Jeśli promienie światła rozchodzą się w atmosferze prostoliniowo, to najdalszym punktem na Ziemi, jaki mógłby zobaczyć obserwator z punktu A, byłby punkt B. Odległość do tego punktu (styczna AB do kuli ziemskiej) to geodezyjny (lub geometryczny) zakres widoczności D 0 . Okrągła linia na materiale wybuchowym powierzchni Ziemi to geodezyjny (lub geometryczny) horyzont obserwatora. Wartość D 0 jest określona wyłącznie przez parametry geometryczne: promień Ziemi R i wysokość h H obserwatora i jest równa re o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H, co wynika z rys. 2.9.
Ryc.2.9. Refrakcja naziemna: horyzonty matematyczne (NN) i geodezyjne (BB), zasięg widzialności geodezyjnej (AB=D 0)
Jeżeli obserwator zaobserwuje obiekt znajdujący się na wysokości h nad powierzchnią Ziemi, wówczas zasięgiem geodezyjnym będzie odległość AC = 3,57 (√ godz. + √ godz. pr). Stwierdzenia te byłyby prawdziwe, gdyby światło przemieszczało się przez atmosferę po linii prostej. Ale to nieprawda. Przy normalnym rozkładzie temperatury i gęstości powietrza w warstwie przyziemnej zakrzywiona linia przedstawiająca trajektorię wiązki światła jest zwrócona w stronę Ziemi wklęsłą stroną. Dlatego najdalszym punktem, jaki zobaczy obserwator z A, nie będzie B, ale B¢. Zasięg widzialności geodezyjnej AB¢, uwzględniając refrakcję, będzie średnio o 6-7% większy i zamiast współczynnika 3,57 we wzorach będzie współczynnik 3,82. Zasięg geodezyjny oblicza się za pomocą wzorów
, h - w m, D - w km, R - 6378 km
Gdzie H n i H pr – w metrach, D - w kilometrach.
Dla osoby średniego wzrostu odległość horyzontu na Ziemi wynosi około 5 km. Dla kosmonautów V.A. Shatalov i A.S. Eliseev, którzy polecieli dalej statek kosmiczny„Sojuz-8” zasięg horyzontu w perygeum (wysokość 205 km) wynosił 1730 km, a w apogeum (wysokość 223 km) – 1800 km.
W przypadku fal radiowych załamanie jest prawie niezależne od długości fali, ale oprócz temperatury i ciśnienia zależy również od zawartości pary wodnej w powietrzu. W tych samych warunkach zmian temperatury i ciśnienia fale radiowe załamują się silniej niż światło, zwłaszcza przy dużej wilgotności.
Dlatego we wzorach na określenie zasięgu horyzontu lub wykrycie obiektu przez wiązkę radaru przed korzeniem będzie współczynnik 4,08. W rezultacie horyzont systemu radarowego jest oddalony o około 11%.
Fale radiowe dobrze odbijają się od powierzchni ziemi oraz od dolnej granicy inwersji, czyli warstwy o niskiej wilgotności. W tak unikalnym falowodzie utworzonym przez powierzchnię ziemi i podstawę inwersji fale radiowe mogą rozprzestrzeniać się na bardzo duże odległości. Te cechy propagacji fal radiowych są z powodzeniem wykorzystywane w radarach.
Temperatura powietrza w warstwie przyziemnej, zwłaszcza w jej dolnej części, nie zawsze spada wraz z wysokością. Może zmniejszać się w różnym tempie, może nie zmieniać się wraz ze wzrostem (izotermia) i może rosnąć wraz ze wzrostem (inwersja). W zależności od wielkości i znaku gradientu temperatury załamanie może mieć różny wpływ na zasięg widzialnego horyzontu.
Pionowy gradient temperatury w jednorodnej atmosferze, w której gęstość powietrza nie zmienia się wraz z wysokością, G 0 = 3,42°C/100m. Zastanówmy się, jaka będzie trajektoria promienia AB przy różnych gradientach temperatury na powierzchni Ziemi.
Niech, tj. temperatura powietrza spada wraz z wysokością. W tych warunkach współczynnik załamania światła również maleje wraz z wysokością. Trajektoria wiązki światła będzie w tym przypadku zwrócona w stronę powierzchni ziemi wklęsłą stroną (na ryc. 2.9 trajektoria AB¢). To załamanie nazywa się dodatnim. Najdalszy punkt W¢ obserwator będzie widział w kierunku ostatniej stycznej do ścieżki promienia. Ta tangens, tj. horyzont widoczny na skutek załamania światła jest równy horyzontowi matematycznemu NAS kąt D, mniejszy niż kąt D. Narożnik D jest kątem między horyzontem matematycznym i geometrycznym bez załamania. W ten sposób widoczny horyzont podniósł się o kąt ( D- D) i rozwinąłem, ponieważ D > D0.
Teraz wyobraźmy to sobie G stopniowo maleje, tj. Wraz z wysokością temperatura spada coraz wolniej. Przyjdzie moment, gdy gradient temperatury osiągnie zero (izotermia), a następnie gradient temperatury stanie się ujemny. Temperatura już nie spada, ale wzrasta wraz z wysokością, tj. obserwuje się inwersję temperatury. Gdy gradient temperatury maleje i przechodzi przez zero, widoczny horyzont będzie się wznosił coraz wyżej i nadejdzie moment, gdy D stanie się równe zeru. Widoczny horyzont geodezyjny wzrośnie do matematycznego. Wydawało się, że powierzchnia ziemi wyprostowała się i stała się płaska. Zasięg widoczności geodezyjnej jest nieskończenie duży. Promień krzywizny belki stał się równy promieniowi kuli ziemskiej.
Przy jeszcze silniejszej inwersji temperatury D staje się ujemne. Widoczny horyzont wzniósł się ponad horyzont matematyczny. Obserwatorowi w punkcie A będzie się wydawać, że znajduje się na dnie ogromnego basenu. Dzięki horyzontowi obiekty znajdujące się daleko poza horyzontem geodezyjnym wznoszą się i stają się widoczne (jakby unosiły się w powietrzu) (ryc. 2.10).
Takie zjawiska można zaobserwować w krajach polarnych. Tak więc od kanadyjskiego wybrzeża Ameryki przez Cieśninę Smitha czasami można zobaczyć wybrzeże Grenlandii ze wszystkimi znajdującymi się na nim budynkami. Odległość do wybrzeża Grenlandii wynosi około 70 km, natomiast zasięg widoczności geodezyjnej nie przekracza 20 km. Inny przykład. Z Strona angielska Cieśnina Pas de Calais z Hastings Widziałem wybrzeże Francji, leżące po drugiej stronie cieśniny w odległości około 75 km.
Ryc.2.10. Zjawisko niezwykłej refrakcji w krajach polarnych
Załóżmy teraz, że G=G 0, dlatego gęstość powietrza nie zmienia się wraz z wysokością (jednorodna atmosfera), nie ma załamania światła i D=D 0 .
Na G > G 0 współczynnik załamania światła i gęstość powietrza rosną wraz z wysokością. W tym przypadku trajektoria promieni świetlnych jest zwrócona w stronę powierzchni ziemi wypukłą stroną. To załamanie nazywa się ujemnym. Ostatnim punktem na Ziemi, który zobaczy obserwator w A, będzie B². Widoczny horyzont AB² zwężał się i opadał pod kątem (D - D).
Na podstawie tego, co zostało rozważone, możemy sformułować następna zasada: jeśli podczas propagacji wiązki światła w atmosferze zmieni się gęstość powietrza (a co za tym idzie współczynnik załamania światła), to wiązka światła załamie się tak, że jej trajektoria będzie zawsze wypukła w kierunku zmniejszania się gęstości (i współczynnika załamania światła) ) powietrza.
Refrakcja i miraże
Słowo miraż ma pochodzenie francuskie i ma dwa znaczenia: „odbicie” i „zwodnicza wizja”. Obydwa znaczenia tego słowa dobrze oddają istotę zjawiska. Miraż to obraz obiektu, który faktycznie istnieje na Ziemi, często powiększony i znacznie zniekształcony. Istnieje kilka rodzajów miraży w zależności od położenia obrazu w stosunku do obiektu: górny, dolny, boczny i złożony. Najczęściej obserwowane są miraże górne i dolne, które powstają, gdy występuje nietypowy rozkład gęstości (a co za tym idzie współczynnika załamania światła) na wysokości, gdy na określonej wysokości lub w pobliżu powierzchni Ziemi znajduje się stosunkowo cienka warstwa bardzo ciepłe powietrze (o niskim współczynniku załamania światła), w którym promienie pochodzące od obiektów naziemnych ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Dzieje się tak, gdy promienie padają na tę warstwę pod kątem większym niż kąt całkowitego wewnętrznego odbicia. Ta cieplejsza warstwa powietrza pełni rolę zwierciadła powietrza, odbijając wpadające do niej promienie.
Doskonałe miraże (ryc. 2.11) powstają w obecności silnych inwersji temperatury, gdy gęstość powietrza i współczynnik załamania światła gwałtownie maleją wraz z wysokością. W mirażach wyższych obraz znajduje się nad obiektem.
Ryc.2.11. Doskonały Miraż
Trajektorie promieni świetlnych pokazano na rysunku (2.11). Załóżmy, że powierzchnia Ziemi jest płaska i równolegle do niej leżą warstwy o jednakowej gęstości. Ponieważ gęstość maleje wraz z wysokością, to . Ciepła warstwa, która działa jak lustro, leży na wysokości. W tej warstwie, gdy kąt padania promieni staje się równy współczynnikowi załamania światła (), promienie obracają się z powrotem na powierzchnię ziemi. Obserwator może jednocześnie widzieć sam obiekt (jeśli nie znajduje się za horyzontem) i jeden lub więcej obrazów nad nim - w pozycji pionowej i odwróconej.
Ryc.2.12. Złożony, doskonały miraż
Na ryc. Rycina 2.12 przedstawia schemat występowania złożonego mirażu górnego. Sam obiekt jest widoczny ok, nad nim znajduje się jego bezpośredni obraz a¢b¢, odwrócony w²b² i znowu bezpośrednio a²¢b²¢. Taki miraż może wystąpić, jeśli gęstość powietrza zmniejsza się wraz z wysokością, najpierw powoli, potem szybko i ponownie powoli. Obraz odwraca się do góry nogami, jeśli promienie pochodzące z skrajnych punktów obiektu przecinają się. Jeśli obiekt znajduje się daleko (poza horyzontem), to sam obiekt może nie być widoczny, ale jego obrazy, uniesione wysoko w powietrze, są widoczne z dużych odległości.
Miasto Łomonosow położone jest na brzegu Zatoka Fińska 40 km od Petersburga. Zwykle z Łomonosowa Petersburga nie widać wcale lub widać bardzo słabo. Czasem Petersburg widać „na pierwszy rzut oka”. To jeden z przykładów doskonałych miraży.
Najwyraźniej liczba górnych miraży powinna uwzględniać przynajmniej część tzw. Krain Widm, których przez dziesięciolecia szukano w Arktyce i nigdy nie odnaleziono. Szczególnie długo poszukiwali Ziemi Sannikowskiej.
Jakow Sannikow był myśliwym i zajmował się handlem futrami. W 1811 r Wyruszył na psach po lodzie do grupy Wysp Nowosyberyjskich i z północnego krańca wyspy Kotelny dostrzegł nieznaną wyspę na oceanie. Nie udało mu się do niej dotrzeć, ale zgłosił rządowi odkrycie nowej wyspy. W sierpniu 1886 r E.V. Tol podczas swojej wyprawy na Wyspy Nowosyberyjskie również widział Wyspę Sannikow i zapisał w swoim pamiętniku: „Horyzont jest zupełnie czysty. W kierunku północno-wschodnim, 14-18 stopni, wyraźnie widoczne były kontury czterech płaskowyżów, które łączyły się z nizinnym terenem na wschodzie. Tym samym wiadomość Sannikowa została całkowicie potwierdzona. Mamy zatem prawo postawić w odpowiednim miejscu na mapie linię przerywaną i napisać na niej: „Ziemia Sannikowska”.
Tol poświęcił 16 lat swojego życia na poszukiwania Ziemi Sannikowskiej. Zorganizował i przeprowadził trzy wyprawy w rejon Wysp Nowosyberyjskich. Podczas ostatniej wyprawy szkunerem „Zaria” (1900–1902) wyprawa Tolyi zakończyła się niepowodzeniem, nie odnajdując Ziemi Sannikowskiej. Ziemi Sannikowskiej już nikt nie widział. Być może był to miraż, który pojawia się w tym samym miejscu o określonych porach roku. Zarówno Sannikov, jak i Tol widzieli miraż tej samej wyspy położonej w tym kierunku, tylko znacznie dalej w oceanie. Być może była to jedna z wysp De Long. Być może była to ogromna góra lodowa – cała lodowa wyspa. Takie góry lodowe, o powierzchni dochodzącej do 100 km2, wędrują po oceanie od kilkudziesięciu lat.
Miraż nie zawsze zwodził ludzi. Angielski polarnik Robert Scott w 1902 r. na Antarktydzie widziałem góry jakby wiszące w powietrzu. Scott zasugerował, że dalej za horyzontem znajduje się pasmo górskie. I rzeczywiście, pasmo górskie zostało później odkryte przez norweskiego badacza polarnego Raoula Amundsena dokładnie tam, gdzie według Scotta miało się znajdować.
Ryc.2.13. Niższy Miraż
Miraże dolne (ryc. 2.13) występują przy bardzo szybkim spadku temperatury wraz z wysokością, tj. przy bardzo dużych gradientach temperatury. Rolę lustra powietrznego pełni cienka najcieplejsza warstwa powietrza. Miraż nazywany jest mirażem gorszym, ponieważ obraz obiektu znajduje się pod obiektem. W niższych mirażach wydaje się, że pod obiektem znajduje się powierzchnia wody i wszystkie obiekty się w niej odbijają.
W spokojnej wodzie wszystkie obiekty stojące na brzegu są wyraźnie odbite. Odbicie w cienkiej warstwie powietrza ogrzanego z powierzchni ziemi jest całkowicie podobne do odbicia w wodzie, tyle że rolę lustra pełni samo powietrze. Klimat, w którym występują miraże gorsze, jest wyjątkowo niestabilny. Przecież pod ziemią, przy ziemi, znajduje się powietrze silnie nagrzane, a przez to lżejsze, a nad nim powietrze zimniejsze i cięższe. Strumienie gorącego powietrza unoszące się znad ziemi przenikają przez warstwy zimnego powietrza. Z tego powodu miraż zmienia się na naszych oczach, powierzchnia „wody” wydaje się być wzburzona. Wystarczy niewielki podmuch wiatru lub wstrząs i nastąpi zawalenie, czyli tzw. przewracając warstwy powietrza. Ciężkie powietrze spadnie w dół, niszcząc lustro powietrzne, a miraż zniknie. Korzystnymi warunkami występowania miraży gorszych jest jednorodna, płaska powierzchnia podłoża Ziemi, występująca na stepach i pustyniach oraz słoneczna, bezwietrzna pogoda.
Jeśli miraż jest obrazem naprawdę istniejącego obiektu, pojawia się pytanie – jaki obraz powierzchnia wody podróżnicy widzą na pustyni? Przecież na pustyni nie ma wody. Faktem jest, że pozorna tafla wody lub jezioro widoczna w mirażu jest w rzeczywistości obrazem nie tafli wody, ale nieba. Części nieba odbijają się w lustrze powietrznym i tworzą całkowitą iluzję błyszczącej tafli wody. Taki miraż można zobaczyć nie tylko na pustyni czy stepie. Pojawiają się nawet w Petersburgu i okolicach w słoneczne dni, nad asfaltowymi drogami lub płaską piaszczystą plażą.
Ryc.2.14. Boczny miraż
Miraże boczne występują w przypadkach, gdy warstwy powietrza o tej samej gęstości znajdują się w atmosferze nie poziomo, jak zwykle, ale ukośnie, a nawet pionowo (ryc. 2.14). Takie warunki powstają latem, rano tuż po wschodzie słońca, na skalistych brzegach morza lub jeziora, kiedy brzeg jest już oświetlony przez Słońce, a powierzchnia wody i powietrze nad nią są jeszcze zimne. Na Jeziorze Genewskim wielokrotnie obserwowano miraże boczne. Miraż boczny może pojawić się w pobliżu kamiennej ściany domu ogrzewanego słońcem, a nawet z boku nagrzanego pieca.
Złożone typy miraży, czyli Fata Morgana, powstają, gdy jednocześnie zachodzą warunki pojawienia się zarówno mirażu górnego, jak i dolnego, na przykład podczas znacznej inwersji temperatury na pewnej wysokości nad stosunkowo ciepłym morzem. Gęstość powietrza najpierw wzrasta wraz z wysokością (temperatura powietrza spada), a następnie szybko maleje (temperatura powietrza wzrasta). Przy takim rozkładzie gęstości powietrza stan atmosfery jest bardzo niestabilny i podlega gwałtownym zmianom. Dlatego wygląd mirażu zmienia się na naszych oczach. Najzwyklejsze skały i domy, wskutek powtarzających się zniekształceń i powiększeń, na naszych oczach zamieniają się w cudowne zamki wróżki Morgany. Fata Morgana obserwuje się u wybrzeży Włoch i Sycylii. Ale może również wystąpić na dużych szerokościach geograficznych. Tak słynny syberyjski odkrywca F.P. Wrangel opisał Fata Morganę, którą zobaczył w Niżniekolimsku: „Działanie poziomej refrakcji wytworzyło rodzaj Fata Morgany. Góry leżące na południu wydawały nam się w różnych zniekształconych kształtach i wiszące w powietrzu. Wydawało się, że odległe góry mają przewrócone szczyty. Rzeka zwęziła się do tego stopnia, że przeciwległy brzeg zdawał się być prawie przy naszych chatach”.
