Атмосферная рефракция света¶

Атмосферная рефракция света — это изменение направления распространения световых лучей при прохождении через земную атмосферу, обусловленное неоднородностью её оптической плотности, которая, в свою очередь, зависит от распределения температуры, давления и влажности воздуха. Являясь частным случаем астрономической рефракции, это явление приводит к кажущемуся смещению положения небесных объектов, искажению их формы, а также к возникновению таких оптических эффектов, как миражи и мерцание звёзд.

¶Физическая природа явления

Показатель преломления воздуха (n) незначительно отличается от единицы (при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °C для видимого света он составляет примерно 1,00029). Однако даже столь малая величина, изменяясь с высотой, заставляет луч света искривляться. Согласно закону Снеллиуса, при переходе из оптически более плотных нижних слоёв атмосферы в менее плотные верхние слои луч отклоняется в сторону нормали к границе раздела сред, то есть пригибается к земной поверхности.

Ключевым фактором является градиент показателя преломления. В большинстве случаев плотность воздуха убывает с высотой, поэтому траектория луча от небесного светила искривляется выпуклостью вверх. Наблюдателю кажется, что объект находится выше своего истинного положения.

¶Астрономическая рефракция

В астрономии различают рефракцию для объектов, находящихся за пределами атмосферы (звёзды, планеты, Солнце). Величина смещения зависит от зенитного расстояния (угла между направлением на объект и вертикалью):

• В зените (угол 0°) рефракция практически отсутствует и составляет 0°.
• При угле 45° смещение достигает примерно 1 угловой минуты.
• У горизонта (угол 90°) рефракция максимальна и составляет около 35–36 угловых минут.

Это приводит к тому, что Солнце и Луна, наблюдаемые у горизонта, фактически уже находятся ниже математического горизонта, но видны из-за искривления лучей. Кроме того, рефракция сжимает видимый вертикальный диаметр солнечного и лунного дисков у горизонта, придавая им сплюснутую форму.

¶Земная (террестриальная) рефракция

При наблюдении наземных объектов рефракция также играет существенную роль. Вследствие неравномерного нагрева земной поверхности возникают горизонтальные и вертикальные градиенты температуры. Это приводит к:

• Миражам — появлению мнимых изображений удалённых объектов. Различают нижние миражи (возникают над перегретой поверхностью, когда луч изгибается вверх) и верхние миражи (возникают при инверсии температуры, когда более холодный воздух находится у поверхности, а луч изгибается вниз).
• Искажению видимой формы объектов — например, «дрожанию» и «мерцанию» изображений, особенно заметному в жаркую погоду над асфальтом или водой.
• Изменению дальности видимости — в зависимости от состояния атмосферы горизонт может приближаться или отдаляться. При сильной рефракции дальность видимости увеличивается, что позволяет наблюдать объекты, находящиеся за геометрическим горизонтом.

¶Влияние на геодезию и навигацию

В геодезии и маркшейдерии атмосферная рефракция вносит систематическую погрешность в измерения вертикальных углов и превышений. Для компенсации этого эффекта вводятся поправочные коэффициенты, а измерения стараются проводить в периоды устойчивого состояния атмосферы. В оптической и спутниковой навигации рефракция учитывается при расчёте траекторий сигналов, хотя для радиоволн (в отличие от видимого света) характер рефракции может отличаться из-за влияния ионосферы.

¶Сумеречная рефракция

Особый случай — рефракция в сумерках. Благодаря искривлению лучей, атмосфера освещается солнечным светом даже после захода Солнца под горизонт. Продолжительность астрономических сумерек напрямую зависит от величины рефракции: без учёта этого явления сумерки были бы заметно короче.

¶Практическое значение

Учёт атмосферной рефракции обязателен при:

• Астрономических наблюдениях и калибровке телескопов.
• Точных геодезических измерениях и нивелировании.
• Проектировании оптических систем связи.
• Расчётах траекторий полёта летательных аппаратов.

Несмотря на кажущуюся простоту, точное математическое моделирование рефракции затруднено из-за турбулентности атмосферы и сложности прогнозирования её вертикального профиля. Поэтому на практике часто используются эмпирические формулы и таблицы средних значений рефракции.

¶Источники

• Кононович Э. В., Мороз В. И. «Общий курс астрономии».
• Жаров В. Е. «Сферическая астрономия».
• Большая советская энциклопедия, статья «Рефракция».
• Справочник по геодезии (под ред. В. Н. Ганьшина).