Войти
A разноцветное небо часто возникает из-за непрямого солнечного света, рассеянного кислородом молекул и твердых частиц, таких как смог, сажа и облачные капли, как показано на этой фотографии заката во время октябрьских 2007 г. лесных пожаров в Калифорнии.Атмосферная оптика - это «исследование оптических характеристик атмосферы или продуктов атмосферных процессов.... [включая] временное и пространственное разрешение, превышающее эти различима невооруженным глазом ». Метеорологическая оптика - это« часть атмосферной оптики, занимающаяся изучением структур, наблюдаемых невооруженным глазом ». Тем не менее, эти два термина иногда используются как синонимы.
Метеорологические оптические явления, описанные в этой статье, связаны с тем, как оптические свойства атмосферы Земли вызывают широкий диапазон оптических явлений и явления визуального восприятия.
Примеры метеорологических явлений включают:
Розовое / пурпурное небо в Тайбэе, Тайвань.Другие явления, которые являются замечательные, потому что они являются формами визуальных иллюзий, включая:
Книга по метеорологической оптике была опубликована в шестнадцатом веке, но примерно с 1950 года было выпущено множество книг по этой теме.. Т Тема была популяризирована благодаря широкому распространению книги Марселя Миннарта, «Свет и цвет на открытом воздухе», в 1954 году.
Сравнение относительных размеров Луны и облака в разных точках неба В Книге оптики (1011–22 гг. н.э.) Ибн аль-Хайсам утверждал, что зрение происходит в мозгу, и этот личный опыт влияет на то, что люди видят и как они видят, и это видение и восприятие являются субъективными. Выступая против теории преломления Птолемея, объясняющей, почему люди воспринимают Солнце и Луну больше на горизонте, чем когда они находятся выше в небе, он переосмыслил проблему. с точки зрения воспринимаемого, а не реального расширения. Он сказал, что оценка расстояния до объекта зависит от наличия непрерывной последовательности промежуточных тел между объектом и наблюдателем. Однако с Луной нет никаких промежуточных объектов. Следовательно, поскольку размер объекта зависит от наблюдаемого расстояния, которое в данном случае неточно, Луна кажется больше на горизонте. Благодаря работам Роджера Бэкона, Джона Пешама и Витело, основанных на объяснении Ибн аль-Хайсама, иллюзия Луны постепенно стала восприниматься как психологический феномен с Теория Птолемея отвергается в 17 веке. Более 100 лет исследования иллюзий Луны проводились учеными, занимающимися зрением, которые неизменно были психологами, специализирующимися на человеческом восприятии. Рассмотрев множество различных объяснений в своей книге 2002 года «Тайна иллюзии луны», Росс и Плаг приходят к выводу: «Ни одна теория не вышла победоносной».
Если смотреть с большой высоты, как здесь с самолета , цвет неба изменяется от бледного до темного на возвышениях в направлении зенита .Свет с неба является результатом Рэлеевское рассеяние солнечного света, которое приводит к синему цвету, воспринимаемому человеческим глазом. В солнечный день рассеяние Рэлея придает небу голубой градиент , где он наиболее темный в районе зенита и яркий около горизонта. Световые лучи, идущие сверху, сталкиваются с ⁄ 38 из воздушной массы, чем те, которые идут по горизонтальному пути. Следовательно, меньшее количество частиц рассеивает зенитный солнечный луч, и поэтому свет остается более темно-синим. Голубизна находится на горизонте, потому что синий свет, исходящий с больших расстояний, также предпочтительно рассеивается. Это приводит к красному смещению удаленных источников света, которое компенсируется синим оттенком рассеянного света на линии прямой видимости. Другими словами, красный свет тоже рассеивается; если он делает это на большом расстоянии от наблюдателя, у него гораздо больше шансов достичь наблюдателя, чем у синего света. Следовательно, на расстояниях, близких к бесконечности, рассеянный свет белый. По этой причине далекие облака или заснеженные горные вершины будут казаться желтыми; этот эффект не очевиден в ясные дни, но очень заметен, когда облака закрывают линию обзора, уменьшая синий оттенок от рассеянного солнечного света.
Рассеяние из-за частиц размера молекулы (как в воздухе) больше в прямом и обратном направлениях, чем в боковом направлении. Под воздействием белого света отдельные капли воды образуют набор цветных колец. Если облако достаточно густое, рассеяние от нескольких капель воды размывает набор цветных колец и создает размытый белый цвет. Летом пыль из Сахары движется вокруг южной периферии субтропического хребта, перемещаясь на юго-восток Соединенных Штатов, в результате чего цвет неба меняется с синего на голубой. белый вид и приводит к увеличению числа красных закатов. Его присутствие отрицательно влияет на качество воздуха летом, так как увеличивает количество взвешенных в воздухе частиц.
Фиолетовое небо на обсерватории Ла-Силла.Небо может окрашиваться во множество цветов, например красный, оранжевый, розовый и желтый (особенно перед закатом или восходом солнца) и черный ночью. Эффекты рассеяния также частично поляризуют свет неба, наиболее ярко выраженный под углом 90 ° к солнцу.
Модели распределения яркости неба были рекомендованы Международной комиссией по освещению (CIE) для разработки схем дневного света. Недавние разработки относятся к «моделям всего неба» для моделирования неба яркости в погодных условиях от ясного неба до пасмурной погоды.
Возникновение высококучевых облаков и перисто-кучевые облачная радужность 
Закат, отражающий оттенки розового на серых слоисто-кучевых облаках. Цвет облака, видимого с Земли, многое говорит о том, что происходит внутри облака. Плотные глубокие тропосферные облака обладают высокой отражательной способностью (от 70% до 95%) во всем видимом спектре. Крошечные частицы воды плотно упакованы, и солнечный свет не может проникнуть далеко в облако, прежде чем он отразится, придав облаку характерный белый цвет, особенно если смотреть сверху. Капли облаков имеют тенденцию эффективно рассеивать свет, так что интенсивность солнечного излучения уменьшается с глубиной в газах. В результате основание облака может изменяться от очень светлого до очень темно-серого в зависимости от толщины облака и того, сколько света отражается или передается обратно наблюдателю. Тонкие облака могут казаться белыми или приобретать цвет окружающей среды или фона. Высокотропосферные и нетропосферные облака кажутся в основном белыми, если они полностью состоят из кристаллов льда и / или капель переохлажденной воды.
По мере созревания тропосферного облака плотные капли воды могут объединяться с образованием более крупных капель, которые могут объединяться с образованием капель, достаточно больших, чтобы падать в виде дождя. Благодаря этому процессу накопления пространство между каплями становится все больше, позволяя свету проникать дальше в облако. Если облако достаточно велико и капли внутри расположены достаточно далеко друг от друга, может случиться так, что часть света, попадающего в облако, не отражается обратно до того, как он будет поглощен. Простой пример этого - возможность видеть дальше во время сильного дождя, чем в сильный туман. Этот процесс отражения / поглощения является причиной изменения цвета облаков от белого до черного.
Другие цвета естественным образом возникают в облаках. Голубовато-серый цвет - это результат рассеяния света внутри облака. В видимом спектре синий и зеленый находятся на коротком конце видимой длины волны света, а красный и желтый - на длинном. Короткие лучи легче рассеиваются каплями воды, а длинные лучи с большей вероятностью поглощаются. Голубоватый цвет свидетельствует о том, что такое рассеяние вызывается каплями размером с дождь в облаке. Кучево-дождевое облако зеленого цвета является признаком сильной грозы, возможной сильного дождя, града, сильного ветра и возможных торнадо. Точная причина зеленых гроз до сих пор неизвестна, но это может быть связано с комбинацией покрасневшего солнечного света, проходящего через очень толстые оптически облака. Желтоватые облака могут возникать с конца весны до начала осени во время сезона лесных пожаров. Желтый цвет обусловлен наличием в дыме загрязняющих веществ. Желтоватые облака, вызванные присутствием диоксида азота, иногда наблюдаются в городских районах с высоким уровнем загрязнения воздуха.
Красные, оранжевые и розовые облака почти полностью возникают на восходе и закате и являются результатом рассеивания солнечного света солнечными лучами. атмосфера. Когда угол между солнцем и горизонтом составляет менее 10 процентов, как это происходит сразу после восхода или незадолго до заката, солнечный свет становится слишком красным из-за преломления для любых цветов, кроме тех, которые имеют красноватый оттенок, чтобы быть видимыми. Облака не становятся этого цвета; они отражают длинные и нерассеянные солнечные лучи, преобладающие в эти часы. Эффект очень похож на если бы кто-то осветил красным прожектором белый лист. В сочетании с большими зрелыми грозовыми грозами это может создавать кроваво-красные облака. Облака выглядят темнее в ближнем - инфракрасном, поскольку вода поглощает солнечное излучение на этих длинах волн.
Человек перед сложным гало-дисплеем на Южном побережье Амундсена-Скотта Полярная станция.Гало (ἅλως; также известный как нимб, ледяная дуга или глориола) - это оптическое явление, возникающее в результате взаимодействия солнечного или лунного света с кристаллами льда в атмосфере, в результате чего цветные или белые дуги, кольца или пятна на небе. Многие ореолы расположены рядом с солнцем или луной, но другие находятся где-то в другом месте и даже в противоположной части неба. Они также могут образовываться вокруг искусственного освещения в очень холодную погоду, когда ледяные кристаллы, называемые алмазной пылью, плавают в близлежащем воздухе.
Существует много типов ледяных ореолов. Они образуются кристаллами льда в перистых или перисто-слоистых облаках высоко в верхней тропосфере, на высоте от 5 километров (3,1 мили) до 10 километров (6,2 мили), или, в очень холодную погоду, кристаллами льда, называемыми алмазной пылью, дрейфующими в воздухе на низких уровнях. Конкретная форма и ориентация кристаллов ответственны за наблюдаемые типы гало. Свет отражается и преломляется кристаллами льда и может расщепляться на цвета из-за дисперсии. Кристаллы ведут себя как призмы и зеркала, преломляя и отражая солнечный свет между своими гранями, посылая лучи света в определенных направлениях. Для круглых гало предпочтительное угловое расстояние составляет 22 и 46 градусов от кристаллов льда, которые их создают. Атмосферные явления, такие как ореолы, использовались как часть предания погоды как эмпирическое средство прогнозирования погоды, их присутствие указывает на приближение теплый фронт и связанный с ним дождь.
Очень яркие солнечные псы в Фарго, Северная Дакота. Обратите внимание на дуги ореола, проходящие через каждую солнечную собаку. Солнечные собаки - это распространенный тип ореола с появлением двух слегка окрашенных ярких пятен слева и справа от солнца на расстоянии около 22 ° и на расстоянии около 22 °. такая же высота над горизонтом. Обычно они вызваны пластинчатыми шестиугольными кристаллами льда. Эти кристаллы имеют тенденцию выравниваться по горизонтали, когда они опускаются в воздух, заставляя их преломлять солнечный свет влево и вправо, в результате чего возникают две солнечные собаки.
Когда солнце поднимается выше, лучи, проходящие через кристаллы все больше отклоняются от горизонтальной плоскости. Их угол отклонения увеличивается, и солнечные собаки удаляются от Солнца. Однако они всегда находятся на той же высоте, что и солнце. Солнечные собаки окрашены в красный цвет со стороны, ближайшей к солнцу. Дальше цвета переходят в синий или фиолетовый. Однако цвета значительно перекрываются, поэтому они приглушены, редко чистые или насыщенные. Цвета солнечной собаки окончательно сливаются в белый цвет паргелического круга (если последний виден).
Теоретически возможно предсказать формы солнечных собак, которые можно было бы увидеть на других планетах и лунах. Марс мог иметь солнечные лучи, образованные как водяным льдом, так и CO 2 -ледом. На газовых планетах-гигантах - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - другие кристаллы образуют облака аммиака, метан и другие вещества, которые могут образовывать ореолы с четырьмя или более солнечными лучами.
Солнечная слава в паре от горячего источника Распространенное оптическое явление, связанное с капельки воды - это слава. Слава - это оптический феномен, очень похожий на культовый ореол Святого вокруг головы наблюдателя, создаваемый светом , рассеянным назад (комбинация дифракция, отражение и преломление ) в направлении его источника облаком из капель воды одинакового размера. Слава состоит из нескольких цветных колец, с красным цветом на внешнем кольце и синим / фиолетовым цветами на самом внутреннем кольце.
Угловое расстояние намного меньше, чем у радуги, от 5 ° до 20 °, в зависимости от размер капель. Славу можно увидеть только тогда, когда наблюдатель находится прямо между солнцем и облаком преломляющих капель воды. Следовательно, это обычно наблюдается в воздухе, когда слава окружает тень самолета на облаках (это часто называют Славой пилота). Славу также можно увидеть из гор и высоких зданий, когда облака или туман ниже уровня наблюдателя, или в дни с туманом на земле. Слава связана с оптическим феноменом антиелий.
Двойная радуга и дополнительные радуги внутри первичной дуги. Тень от головы фотографа отмечает центр радужного круга (антисолнечная точка ).Радуга - это оптическое и метеорологическое явление, вызывающее спектр света, который появляется в небе, когда Солнце освещает капли влаги в атмосфере Земли. Он принимает форму разноцветной дуги. Радуги, вызванные солнечным светом, всегда появляются прямо на участке неба. напротив Солнца, но исходят не дальше 42 градусов над горизонтом для наблюдателей на земле. Чтобы увидеть их под большими углами, наблюдатель должен находиться в самолете или около вершины горы, поскольку в противном случае радуга была бы ниже горизонта. Чем больше капли, образующие радугу, тем ярче она будет. Радуги чаще всего случаются после полудня грозы летом летом.
Единственное отражение от спины множества капель дождя вызывает радуга с угловым размером на небе от 40 ° до 42 ° с re d снаружи. Двойная радуга образуется двумя внутренними отражениями с угловым размером от 50,5 ° до 54 ° с фиолетовым снаружи. Внутри «первичной радуги» (самой низкой и обычно самой яркой радуги) дуга радуги показывает красный цвет на внешней (или верхней) части дуги и фиолетовый на внутренней части. Эта радуга вызвана тем, что свет однажды отражается в каплях воды. В двойной радуге вторая дуга может быть видна над и за пределами основной дуги, и порядок ее цветов изменен на противоположный (красный обращен внутрь к другой радуге, в обеих радугах). Эта вторая радуга возникает из-за того, что свет дважды отражается внутри водяных капель. Область между двойной радугой темная. Причина этой темной полосы заключается в том, что, хотя свет ниже основной радуги исходит от отражения капель, а свет над верхней (вторичной) радугой также исходит от отражения капель, нет механизма для области между двойной радугой, чтобы показать какой-либо свет. отражается от капель воды вообще.
Радуга охватывает непрерывный спектр цветов; отдельные полосы (включая количество полос) являются артефактом человеческого цветового зрения, и на черно-белой фотографии не видно полос любого типа радуги (только плавный переход интенсивности к максимуму, затем плавный переход к минимуму на другой стороне дуги). Для цветов, видимых нормальным человеческим глазом, наиболее часто цитируемая и запоминаемая последовательность на английском языке - это семикратный красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый (обычно запоминается мнемониками, такими как Рой Г. Бив ). Однако дальтоники люди будут видеть меньше цветов.
Радуга может быть вызвана многими формами переносимой по воздуху воды. Сюда входят не только дождь, но также туман, брызги и переносимые по воздуху роса.
Различные виды миражей в одном месте, снятые в течение шести минут. Самая верхняя врезка показывает нижний мираж Фараллонских островов. На второй вставке слева отображается зеленая вспышка . Два нижних кадра и основной кадр показывают высшие миражи Фараллонских островов. В этих трех кадрах верхний мираж эволюционирует от миража с тремя изображениями к миражу с пятью изображениями и обратно к миражу с двумя изображениями. Такое отображение согласуется с Фата Моргана.A миражом - естественным оптическим явлением, при котором световые лучи изгибаются, создавая смещенное изображение далеких объектов или неба. Слово пришло в английский язык через французский мираж, от латинского mirare, что означает «смотреть, удивляться». Это тот же корень, что и «зеркало» и «любоваться». Кроме того, оно имеет свои корни в арабском мираже.
В отличие от галлюцинации, мираж - это реальное оптическое явление, которое можно запечатлеть на камеру, поскольку световые лучи на самом деле преломляются, чтобы сформировать ложное изображение в месте нахождения наблюдателя. Однако то, что представляет собой изображение, определяется способностями человеческого разума к интерпретации. Например, плохие изображения на суше очень легко принять за отражения от небольшого водоема.
Миражи могут быть разделены на «низшие» (означающие низшие), «высшие» (означающие высшие) и «Фата Моргана », один из видов высших миражей, состоящих из ряда необычно сложных, вертикально расположенные изображения, образующие один быстро меняющийся мираж.
Зеленые вспышки и зеленые лучи - это оптические явления, которые возникают вскоре после захода солнца или перед восходом солнца, когда зеленое пятно видно, обычно не более одной или двух секунд над солнцем, или из точки заката вырывается зеленый луч. Зеленые вспышки на самом деле представляют собой группу явлений, возникающих по разным причинам, и некоторые из них встречаются чаще, чем другие. Зеленые вспышки можно наблюдать с любой высоты (даже с самолета). Обычно они видны на беспрепятственном горизонте, например, над океаном, но возможны и над вершинами облаков и вершинами гор.
Также можно наблюдать зеленую вспышку от луны и ярких планет на горизонте, включая Венеру и Юпитер.
Лодка Fata Morgana Это оптическое явление возникает из-за того, что лучи света сильно искривляются, когда проходят через слои воздуха с разными температурами в крутой термической инверсии, где атмосферный канал сформировалось. Термическая инверсия - это атмосферные условия, при которых более теплый воздух существует в четко определенном слое над слоем значительно более холодного воздуха. Эта температурная инверсия противоположна тому, что обычно бывает; Воздух обычно теплее у поверхности и прохладнее наверху. В безветренную погоду слой значительно более теплого воздуха может находиться поверх более холодного плотного воздуха, образуя атмосферный канал, который действует как преломляющая линза , создавая серию как перевернутых, так и прямых изображений.
Фата Моргана - необычная и очень сложная форма миража, форма высшего миража, который, как и многие другие виды высших миражей, виден в узкой полосе прямо над горизонт. Это итальянское словосочетание, происходящее от вульгарного латинского слова «фея» и колдун Артура Морган ле Фэй, из-за веры в то, что мираж, часто встречающийся в проливе Мессина, были волшебными воздушными замками или ложной землей, созданной ее колдовством, чтобы заманить моряков на смерть. Хотя термин Фата Моргана иногда неправильно применяется к другим, более распространенным видам миражей, истинная Фата Моргана не то же самое, что обычный высший мираж, и определенно не то же самое, что нижний мираж.
Фата Моргана миражи чрезвычайно искажают объект или объекты, на которых они основаны, так что объект часто кажется очень необычным и может даже быть преобразован таким образом, что его невозможно узнать. Fata Morgana можно увидеть на суше или на море, в полярных регионах или в пустынях. Этот вид миража может включать практически любой удаленный объект, в том числе лодки, острова и береговую линию.
Фата Моргана не только сложна, но и быстро меняется. Мираж состоит из нескольких перевернутых (вверх ногами) и вертикальных (правой стороной вверх) изображений, которые наложены друг на друга. Миражи Fata Morgana также имеют чередующиеся зоны сжатия и растяжения.
Эффект Новой Земли - это полярный мираж, вызванный сильным преломлением солнечного света между атмосферный термоклин. Эффект Новой Земли создаст впечатление, что солнце встает раньше или садится позже, чем должно (с астрономической точки зрения). В зависимости от метеорологической ситуации, эффект будет представлять солнце в виде линии или квадрата (которое иногда называют «прямоугольным солнцем»), состоящего из сплюснутых форм песочных часов. Мираж требует, чтобы лучи солнечного света имели слой инверсии на протяжении сотен километров и зависят от градиента температуры слоя инверсии. Солнечный свет должен отклоняться к кривизне Земли не менее чем на 400 километров (250 миль), чтобы позволить подняться на 5 градусов для обзора солнечного диска.
Первым, кто зафиксировал это явление, был Геррит де Вир, участник Виллема Баренца 'злополучной третьей экспедиции в полярный регион. Новая Земля, архипелаг, где де Вир впервые наблюдал это явление, дает название эффекту.
Сумеречные лучи, сделанные в Тайбэе, Тайвань.Сумеречные лучи - это почти параллельные лучи солнечного света, движущиеся через атмосферу Земли, но кажущиеся расходящимися из-за линейной перспективы. Они часто возникают, когда такие объекты, как горные вершины или облака, частично затеняют солнечные лучи, как облачный покров. Различные находящиеся в воздухе соединения рассеивают солнечный свет и делают эти лучи видимыми из-за дифракции, отражения и рассеяния.
Сумеречные лучи иногда можно увидеть под водой, особенно в арктических районах, они появляются с шельфовых ледников или трещин во льду. Также их можно увидеть в дни, когда солнце падает на облака под идеальным углом, освещая местность.
Существует три основных вида сумеречных лучей:
. Их обычно можно увидеть на восходе и закате, когда высокие облака, такие как кучево-дождевые и горы, могут быть наиболее эффективными для создания этих лучей.
Противорепускулярные лучи, хотя в действительности параллельны, иногда видны в небе в направлении, противоположном солнцу. Кажется, что они снова сходятся на далеком горизонте.
Диаграмма, показывающая смещение изображения Солнца на восходе и закате Атмосферная рефракция влияет на видимое положение астрономических и земных объектов, обычно вызывая чтобы они казались выше, чем они есть на самом деле. По этой причине штурманы, астрономы и геодезисты наблюдают позиции, когда эти эффекты минимальны. Моряки будут стрелять в звезду только тогда, когда над горизонтом 20 ° или более, астрономы пытаются запланировать наблюдения, когда объект находится выше всего в небе, а геодезисты стараются наблюдать днем, когда преломление минимально.
