Рефракция (света в атмосфере)

Рефракция (света в атмосфере)
Рефракция света в атмосфере [позднелат. refractio - преломление, от лат. refractus - преломленный (refringo - ломаю, преломляю)], атмосферно-оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов, а иногда и в кажущемся изменении их формы. Некоторые частные проявления Р., как, например, сплюснутая форма дисков Солнца и Луны у горизонта, мерцание звёзд, дрожание далёких земных предметов в жаркий день, были замечены уже в древности. К. Птолемею (2 в. н. э.) был известен также и основной эффект Р., состоящий в том, что небесные светила видны несколько выше их действительного положений. Первую таблицу Р. составил Тихо Браге в 16 в.; попытки построить теорию Р. предпринимались И. Кеплером (1604), но лишь И. Ньютон в 1694 разработал строгую теорию Р.

Вследствие того, что атмосфера является средой оптически неоднородной, лучи света распространяются в ней не прямолинейно, а по некоторой кривой линии. Наблюдатель видит, т. о., объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения. Различают астрономическую Р. - явление преломления лучей, идущих от небесного светила к наблюдателю, и геодезическую (земную) Р. - явление преломления лучей, идущих от предметов, находящихся в атмосфере (см. Рефракция геодезическая).

В случае астрономической рефракции, когда луч, идущий от светила, проходит через всю толщу атмосферы, в которой плотность воздуха, а вместе с ней и показатель преломления в общем увеличивается на пути луча, его траектория всегда обращена выпуклостью к зениту (см. рис.); касательная AS' к ней проходит выше направления AS к действительному месту светила. Разность между истинным z и измененным рефракцией z" зенитными расстояниями называется углом рефракции r, или просто рефракцией. Р. равна нулю в зените и возрастает с увеличением зенитного расстояния. Простейшая теория, в которой не учитывается кривизна слоев атмосферы равной плотности, приводит к формуле: ,

где коэффициент 60,2"" называется постоянной Р.; В - атмосферное давление (в мм ртутного столба), t - температура воздуха (?С). Формулой можно пользоваться для светил с z < 70?. При точных расчётах принимают во внимание влияние на величину Р. не только температуры, давления, но и влажности воздуха, а также других метеорологических элементов нижнего слоя воздуха, для чего служат специальные таблицы.
Точные теории Р., принимающие в расчёт сферичность Земли и атмосферных слоев, приводят к значениям Р. у горизонта, превышающим 35" (см. табл.). Астрономическая рефракция при температуре воздуха + 10?С и атмосферном давлении 760 мм. рт. см. Зенитное расстояние, z Рефракция, r Зенитное расстояние, z Рефракция, r 0? 10 20 30 35 40 45 50 55 60 62 64 66 68 70 0"? 0" 0 10 0 21 0 34 0 41 0 49 0 58 1 09 1 23 1 41 1 49 1 59 2 10 2 23 2 38 72? 74 76 78 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 2" 57" 3 20 3 49 4 27 5 18 5 52 6 33 7 24 8 28 9 52 11 45 14 22 18 18 24 37 35 24
У самого горизонта Р. r растет с увеличением z столь быстро, что нижний край дисков Солнца и Луны бывает приподнят на несколько минут дуги больше, чем верхний, и диск приобретает сплюснутую форму. Вследствие Р. всякое светило, в том числе Солнце, появляется над горизонтом ещё до истинного восхода и остаётся видимым некоторое время после истинного захода. Быстрые турбулентные перемещения масс воздуха различной плотности порождают непрерывные колебания величины Р., вследствие чего изображения звёзд в телескопах дрожат или превращаются в размытое бурлящее световое пятно; для невооружённого глаза это воспринимается как мерцание звёзд. Это сильно затрудняет наблюдения небесных светил и заставляет выбирать для астрономических обсерваторий пункты с подходящими атмосферными условиями.
Вследствие различия Р. для лучей с разной длиной волны, особенно большого вблизи горизонта, у диска восходящего или заходящего Солнца может наблюдаться цветная кайма (сверху сине-зелёная, снизу красная), а также явление зелёного луча; звёзды же растягиваются в вертикальный спектр до 40" длиной. Для относительно близких небесных тел (Луны, искусственных спутников Земли) величина угла Р. отличается от вычисленного для звёзд, находящихся на том же зенитном расстоянии; этот эффект называется рефракционным параллаксом.
Явление Р. осложняется наклоном слоев воздуха одинаковой плотности к горизонту, что вызывает боковую Р., при которой объект смещается не только по высоте, но и по азимуту, хотя и незначительно. Знание Р. имеет важное значение в астрометрии, так как положения небесных светил, определяемые из астрономических наблюдений, всегда бывают искажены преломлением в атмосфере, что требует введения соответствующих поправок.
Из др. астрономических явлений, связанных с Р., представляет интерес освещение диска Луны красноватым светом во время полных лунных затмений. Такое освещение создаётся солнечными лучами, проходящими нижние слои воздуха насквозь и вследствие этого испытывающими двойную Р., что даёт угол отклонения до 70" и обеспечивает освещение всего сечения конуса земной тени на расстоянии Луны. Р. в атмосферах других планет наблюдаются при покрытиях звёзд диском планеты; звезда при этом кажется несколько смещенной. Эффектная форма Р. наблюдается в атмосфере планеты Венеры при прохождениях её перед солнечным диском, когда преломленные солнечные лучи образуют огненный ободок вокруг части диска планеты, находящейся вне Солнца. Это явление впервые описано М. В. Ломоносовым в 1761.
Р. испытывают также и радиоволны при прохождении через слои атмосферы с различными диэлектрическими проницаемостями или с различной степенью ионизации. Р. радиоволн в ионосфере является причиной распространения коротких волн на большие расстояния (см. Радиоастрономия).
Лит.: Казаков С. А., Курс сферической астрономии, 2 изд., М. - Л., 1940; Блажко С. Н., Курс сферической астрономии, М. - Л., 1948; Загребин Д. В., Введение в астрометрию, М. - Л., 1966.