Фетт В. Атмосферная пыль

Подождите немного. Документ загружается.

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

Яркость и видимость

Витающая в воздухе пыль снижает прозрачность

атмосферы значительно сильнее, чем другие факторы

[107]. Она повышает интенсивность рассеянного атмосфе-

рой света, уменьшает яркость фона и таким образом —

различия в яркости и окраске объекта и фона [108].

Коротковолновая об- Алинноволновая об-

ласть спектра ласть спектра

Фиг. 57. Схема, поясняющая метод расчета по-

мутнения атмосферы, вызванного пылью.

—

интенсивность солнечной радиации, вычисленная теорети-

чески без учета поглощения света водяным паром и пылью;

—

ослабление радиации за счет водяного пара, избирательно

поглощающего в длинноволновой области спектра; ///—ослаб-

ление радиации за счет пыли. Для расчета ослабления ко-

ротковолновой солнечной радиации за счет пыли из теорети-

чески вычисленной коротковолновой радиации следует вычесть

полную радиацию, достигающую Земли, и прибавить длинно-

волновую радиацию, достигающую Земли.

Следствием этого является более раннее наступление су-

мерек. От подобного «сухого», вызванного дымкой по-

мутнения атмосферы следует отличать «влажное» по-

мутнение, обусловленное капельками воды. Освещен-

ность и видимость определяются содержанием в воздухе

пыли и влаги. Помутнение возникает также вследствие

неоднородности воздушной массы [109].

На фиг. 57 изображена схема, поясняющая метод

расчета вызванного пылью помутнения атмосферы и со-

держания пыли в ней на основании измерения солнеч-

ной радиации. Помутнение атмосферы, вызванное

пылью, еще не поддается строгому математическому

расчету. На основании измерения яркости рассеянного

света под 175 и 180° Казертано [110] попытался вычис-

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

205

лить один из параметров, позволяющих определить со-

держание пыли в атмосфере.

Речке [111] установил зависимость видимости от со-

держания пыли в воздухе и его относительной влажно-

сти (фиг. 58). Из его данных следует, что видимость об-

ратно пропорциональна содержанию пыли. Суточные и

Фиг. 58. Зависимость видимости от со-

держания пыли в воздухе и относитель-

ной влажности [111].

/ — относительная влажность; II — число пылинок

в 1 см

годовые изменения дальности видимости и степени чи-

стоты воздуха находятся в полном соответствии. Напри-

мер, утром видимость плоха в долинах и хороша в го-

рах; весной она лучше, чем летом. Исследования Речке

позволяют в общем сделать следующие выводы (не от-

носящиеся лишь к периодам дождей):

а) с увеличением числа частиц растет и относитель-

ная влажность, а видимость соответственно умень-

шается;

б) изменение видимости при одной и той же относи-

тельной влажности указывает на изменение содер-

жания пыли;

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

в) изменение видимости при одном и том же содер-

жании 'пыли указывает на изменение относитель-

ной влажности.

При очень малой относительной влажности дальность

видимости в районе «Моря мрака» необычно велика,

хотя воздух заполнен пылью, вызывающей помутнение

Высота над уровнем моря ,м

Фиг. 59. Зависимость коэффициента ослабления света от высоты

над уровнем моря, установленная на основании многолетних наблю-

дений Данжона (см. [103]).

молочного цвета [112]. Обычная видимость при харма-

тане на берегу Гвинеи составляет

—1,5 км, а в исклю-

чительных случаях.— 150 м [55]. Фактор мутности мо-

жет достигать величины 6—8. При этом интенсивность

полуденной солнечной радиации составляет всего

0,9 кал • см~

•

мин~\ несмотря на то, что солнце нахо-

дится над горизонтом на высоте 66° [113]. Пыльные бури

могут вызвать потемнение в дневное время [6]. Шустер

описал другой крайний случай — абсолютную чистоту

воздуха в Тибетском нагорье: «На плато Куан-шу

объекты, находящиеся на расстоянии 16 км, -видны так

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

207

же хорошо, как и на расстоянии 1 км. Это создает впе-

чатление безвоздушного пространства и не дает возмож-

ности определять расстояния». Аналогичное явление на-

блюдал Ленгби на горе Уитни в Калифорнии на высоте

4000 м (см. [114]). Обычно уже на высоте 1000 м над

уровнем моря воздух не загрязнен планктоном (фиг. 59,

[103]).

Основные вопросы дальности видимости были по-

дробно разработаны Фойциком [115]. В частности, он вы-

вел приближенные формулы и построил кривые, позво-

ляющие определять влияние помутнения атмосферы на

дальность видимости [116]. Следует также отметить вве-

денный Винкелем и Цандером [117] показатель, назван-

ный ими «маскирующей способностью пыли» (R); этот

показатель определяется формулой

R — —• NV,

где D — диаметр витающих частиц, N — число частиц

в 1 см

, V — расстояние объекта от наблюдателя [117].

Эта формула позволяет на основании измерений види-

мости определить количество частиц пыли, вызвавших

помутнение атмосферы.

Интересны экспериментальные данные, показываю-

щие, что помутнение атмосферы прямо пропорционально

массе частиц, приходящейся на единицу объема, и об-

ратно пропорционально их размерам. Следовательно,

при одной и той же массе частиц видимость тем лучше,

чем больше их размер, и поэтому в застойном воздухе

улучшение видимости может наступить за счет агрега-

ции пылинок [102].

Вопросы, касающиеся помутнения атмосферы, рас-

смотрены в ряде работ [118—124]. О помутнении атмо-

сферы во время извержений вулканов сообщают Гётц

[125], Дорно [126] и Хамфрейс [127].

Цветовые явления в атмосфере

Влияние атмосферной пыли на цвет неба и солнеч-

ного диска еще не вполне выяснено. Поэтому излагае-

мая ниже взаимосвязь между загрязнением атмосферы

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

и ее цветом указывает лишь на направление процесса,

но не дает его количественной характеристики.

Частицы, 'приближающиеся по размерам к молеку-

лам, рассеивают преимущественно фиолетовые и голу-

бые лучи равномерно во всех направлениях; частицы же

пыли одинаково рассеивают свет любой длины волны,

но преимущественно в направлении первичного луча

(см. фиг. 1), вследствие чего в направлении солнца си-

нева неба окрашивается в беловатый цвет [128]. Таким

образом, благодаря наличию в атмосфере частиц пыли

к рэлеевской синеве неба примешивается белый свет, рас-

сеянный пылью. Интенсивность рассеянного света, имею-

щего голубой цвет с беловатым оттенком, выражается

формулой

J=Cjr*-\-c£~2.

Чем больше количество пыли, витающей в атмосфере,

тем больше коэффициент с

и, следовательно, тем замет-

нее беловатый оттенок синевы неба [107, стр. 641]. В при-

веденной формуле показатель степени во втором члене

равен —2, но, по данным Фольца [129], он зависит от

времени года.

Существует такой размер частиц и такой показатель

'преломления, при которых частицы сильнее рассеивают

длинноволновую часть солнечного спектра [130].

Кислинг [131] считает, что окраска сумерек зависит

главным образом от дифракции света, вызванной влаж-

ным воздухом. Но необычные сумеречные явления, на-

блюдаемые после извержений вулканов, показывают, что

при большом содержании пыли в воздухе она может

оказывать решающее влияние на характер сумерек. Хо-

рошо известны оптические явления, наблюдавшиеся

после извержения вулкана Кракатау в 1883 г. [132, 133].

Атмосфера была беловатой, желтой или красной,

а солнце имело то лазоревый или зеленый, то свин-

цово-серый или красный цвет. Пурпурное сияние отли-

чалось особенной яркостью. Извержения других вулка-

нов также сопровождались подобными оптическими

явлениями, но значительно меньшей интенсивности. Па-

пример, такие явления зарегистрированы после изверже-

ния вулканов Пеле в 1902 г., Везувия в 1906 г., Катмая

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

209

в 1912 г. [100], одного чилийского вулкана в 1922 г. [134]

и Этны в 1923 г. [135]. Они были нерегулярны и прояв-

лялись на меньшей территории. В начале 1913 г. Робитч

не обнаружил их на Шпицбергене, в то время как Веге-

нер наблюдал их в Гренландии [107]. Пепел, извергну-

тый Кракатау, постепенно распространился, вероятно,

по всей земной атмосфере [107, 136]. Маурер [137, 138]

пытался доказать, что ряд оптических аномалий в атмо-

сфере, замечавшихся, например, в 1892, 1907, 1908, 1910

и 1916 гг., имеет космическое происхождение. Вольф [139,

140] объясняет аномалии 1910 г. прохождением Земли

через хвост кометы Галлея [141, 142].

В Северной Германии 27 сентября 1950 г. цвет солнца

и луны стал синим. Эта окраска была вызвана слоем

пыли, образовавшимся на высоте 14 км над ледяным

облачным покровом. Источником пыли считают лесные

пожары в Канаде или большое извержение японского

вулкана Асамаи [143—146]. Судя по спектру «синего»

солнца, размер частичек пыли находился в пределах

0,4-Ю

-4

см [147]. Окраска неба изменяется также при

харматане.

После извержения Кракатау было замечено «кольцо

Бишопа» вокруг солнца — ряд дифракционных венцов

нео'бычно большого размера. Оно имело неяркую крас-

новато-коричневую окраску, ширину около 10° и наруж-

ный радиус 22°. Внутреннее пространство казалось бе-

ловатым с голубым оттенком. Пертнер [148] (см. также

[133]) определил, что диаметр частиц, вызвавших появ-

ление этого кольца, равен 1,85-Ю

-4

см. При вычисле-

ниях он допустил, что частицы сферические, и пользо-

вался формулой

0,000571

sin 0 '

где

— наружный 1радиус в угловой мере (величина

радиуса Солнца исключена). Правильнее, однако, счи-

тать, что это кольцо вызвано имеющими продолговатую

форму продуктами конденсации газов, изверженных вул-

каном. Исходя из измерений плотности, их средний раз-

мер составляет 1,52 • Ю

-4

см.

14 В. Фетт

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

Кольцо является границей ореола, окружающего

солнце. Поскольку частицы аэрозоля имеют неодинако-

вые размеры, свет, дифрагированный на них, образует

кольца различного радиуса. Кольца большего радиуса,

вызванные мельчайшими частицами, имеют красновато-

коричневую окраску, а кольца меньшего радиуса белые.

Величина радиуса изменяется на протяжении дня, уве-

личиваясь при заходе солнца. Чем разнообразнее раз-

мер частиц, тем шире красноватое кольцо.

Кольцо Бишопа появлялось и много позже 1883 г.

В 1911—1917 гг. размеры его были еще больше, что ука-

зывает на значительно меньший размер частиц, вызвав-

ших его образование (табл. 27).

Таблица 27

Некоторые данные о кольцах Бишопа

Год

наблюдения

Наружный радиус

кольца Бишопа

Диаметр частиц,

вызвавших появление

кольца, Ю

-4

см

1885 22°

1,52

1912

40°

0,89

1916 50° 0,75

Дорно считает, что кольцо Бишопа, наблюдавшееся

в 1915—1917 гг., имело космическое происхождение.

Гётц [149] описывает дифракционный венец, возникший

в Арозе после извержения чилийским вулканом в 1921 г.

большого количества пыли. Его ширина составляла

4—5°, наружный радиус—11°, цвет был голубоватым

с красноватой каймой и блеском. Это явление сопрово-

ждалось интенсивным пурпурным сиянием.

Оптическое явление, называемое пурпурным сия-

нием, вызывается такими же причинами, как и кольцо

Бишопа. Это сияние представляет собой смесь красного

дифрагированного и голубого рассеянного света. Крас-

ный свет заходящего солнца виден благодаря малым

частицам, витающим в атмосфере. Для красного света

с длиной волны 7,6-10~

см диаметр ореола составляет

30°5', а иногда и больше (если частицы чрезвычайно

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

211

малы) [107]. Интенсивное пурпурное сияние увеличивает

продолжительность сумерек [135]. Нередко оно возни-

кает мгновенно. По мнению Зюринга [150], для объясне-

ния образования пурпурного сияния надо допустить

существование границ отдельных слоев атмосферы и не

считать, что размер диффундирующих частиц посте-

пенно уменьшается по направлению снизу вверх. На-

блюдения Вегенера [151], установившего связь между

расположением верхней сумеречной дуги и скачкообраз-

ным изменением плотности атмосферы на высоте тро-

попаузы, подтверждают правильность этого мнения

(см. также [152]).

Измерения, выполненные до настоящего времени,

дают возможность найти только пределы размеров

частиц. Некоторые исходные положения для объясне-

ния природы частиц установлены в опытах, имевших

целью искусственно создать окраску сумерек. Пыль,

полученная измельчением кускового материала, не вы-

зывала ни в проходящем, ни в отраженном свете особых

явлений окрашивания или красок, наблюдающихся при

дифракции. Это объясняется большим размером частиц

и особенно их неоднородностью по размеру, приводя-

щей к взаимному разрушению дифракционных венцов.

Совершенно другие результаты дали опыты с однород-

ными по размерам спорами гриба, хотя их диаметр со-

ставлял 26-Ю

-4

—31•10

см. Благодаря однородности

спор по размерам удалось воспроизвести цветовые яв-

ления, вызываемые дифракцией. Основываясь на свой-

стве однородного тумана вызывать дифракционные

венцы, Кислинг (см. [107]) объясняет необычные суме-

речные явления дифракцией света в однородных слоях

приподнятого тумана. При отсутствии такого тумана они

вообще не наблюдаются. Эти данные показывают, что

необычные сумеречные явления принципиально отли-

чаются от обычных и что очень трудно точно разграни-

чить оптические явления по виду частиц, которые их

обусловливают.

Принято считать, что коричневато-желтая окраска

неба появляется при запыленной атмосфере. Однако

нельзя упускать из виду, что частицы пыли имеют свою

окраску и вследствие этого могут, например, окрашивать

13*

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

облака [107]. Благодаря городскому дыму воздух при-

обретает фиолетовый оттенок.

Айткен [153] приводит следующий пример зависи-

мости между цветом неба при заходе солнца в Риги-

Кульм и содержанием пыли в воздухе. При незапылен-

ной атмосфере наблюдался резкий голубой цвет холод-

ных тонов. Повышенное содержание пыли в атмосфере

вызывало более разнообразное, теплое и нежное окра-

шивание гор, облаков и неба. На картинах старых

мастеров даль кажется ясной, безвоздушной и бездым-

ной. Может быть, эта особенность отображает меньшую

загрязненность воздуха в ту эпоху [154].

Поляризация рассеянного света

Атмосферная пыль влияет не только на интенсив-

ность и окраску рассеянного света, но и на его поляри-

зацию. Чем чище воздух, тем больше степень поляриза-

ции. Эта связь показывает, что свет, рассеянный на

частицах аэрозоля, не поляризован. Следует заметить,

что частицы тумана влияют так же, как частицы

пыли. Избирательное поглощение в отдельных областях

спектра представляет собой второстепенный фактор;

рассеяние света сравнительно крупными частицами не

вызывает его поляризации.

При голубом цвете неба поляризация, не сопрово-

ждающаяся уменьшением яркости окрашивания, выра-

жена значительно сильнее, чем при беловатом. Следова-

тельно, она может служить мерой прозрачности атмо-

сферы. Усиливающийся туман уменьшает поляризацию

до нуля. Корну (см. [107]) правильно подчеркивает, что

внезапное изменение степени поляризации всегда пред-

вещает радикальное изменение метеорологического со-

стояния атмосферы. Этот признак появляется раньше,

чем изменение показаний барометра, термометра и ги-

грометра, иногда даже раньше таких предзнаменований

резкой перемены погоды, как гало и перистые облака.

В перигелии при большой интенсивности солнечной ра-

диации степень поляризации значительно уменьшается

вследствие сильной дифракции света, вызываемой круп-

ными частицами. Она мала также вблизи горизонта,

Гл. 1. Значение пыли в геофизике 213

где атмосфера богаче пылинками большего размера.

Перед извержением Кракатау интенсивность поляризо-

ванного света, выраженная в долях интенсивности всего

света (0<Р< 1), в ясные дни достигала 0,75, а после

извержения она обычно была меньше 0,48. По мнению

Корну, степень поляризации по вертикали солнца (на-

правление, составляющее 90° с направлением на солнце)

характеризует существующее синоптическое положение.

Наблюдения, проведенные в окрестностях Парижа, по-

казали следующую связь между поляризацией и запы-

ленностью атмосферы: степень поляризации равнялась

0,72—0,74 при юго-западном ветре и ясном синем небе

и 0,50—0,57 при северо-восточном ветре, приносящем

дым из промышленных районов. При размере частиц,

значительно меньшем длины световой волны, полная по-

ляризация наблюдается по вертикали солнца, при боль-

шем размере — на угловом расстоянии от солнца, превы-

шающем 90°. В воздухе всегда содержатся как мельчай-

шие, так и более крупные частицы, и поэтому поляриза-

ция даже монохроматического света не бывает полной.

Угол максимальной поляризации тем больше, чем круп-

нее витающие частицы и чем богаче ими воздух.

Перемещение нейтральных точек сильно зависит от

запыленности атмосферы. В общем можно считать, что

точки Араго и Бабине отстоят от солнца тем дальше,

чем менее чиста атмосфера (за исключением того слу-

чая, когда солнце находится глубоко под горизонтом).

В отсутствие атмосферных примесей расстояние точки

Бабине от солнца (Б-расстояние) несколько меньше

расстояния точки Араго (А-расстояние). При увеличе-

нии помутнения Б-расстояние возрастает и становится

больше А-расстояния. Эта закономерность особенно от-

четливо наблюдалась осенью 1902 г. Атмосферные при-

меси влияли на положение Б-точки сильнее, чем на по-

ложение А-точки. Дорно установил, что расстояние

точки Брюстера от солнца также существенно зависит

от степени помутнения атмосферы. К особенностям

1884—1885 гг. относится появление четырех новых ней-

тральных точек. Находясь вне вертикали солнца, они

были симметрично расположены на горизонтальной

окружности на высоте солнца. Извержение Кракатау