Рассеянное излучение неба

В атмосфере Земли сравнивается доминирующая эффективность рассеяния синего света. на красный или зеленый свет. Рассеяние и поглощение являются основными причинами ослабления солнечного излучения атмосферой. Во время широкого дневного света небо голубое из-за рэлеевского рассеяния, в то время как около восхода или заката, и особенно во время сумерек, поглощение Облучение озоном помогает сохранить синий цвет на вечернем небе. На восходе или заходе солнца падающие по касательной солнечные лучи освещают облака от оранжевого до красного оттенка. Видимый спектр, примерно от 380 до примерно 740 нанометров (нм), показывает полосу поглощения воды в атмосфере и солнечные линии фраунгофера. Спектр голубого неба представлен в диапазоне 450–485 нм, длины волн синего цвета.

Рассеянное излучение неба - это солнечное излучение, достигающее поверхности Земли после были рассеяны прямым солнечным лучом молекулами или частицами в атмосфере. Также называется излучением неба, рассеянным светом в крыше или просто светом в крыше, это определяющий процесс для изменения цветов неба. Примерно 23% прямого падающего излучения от общего солнечного света удаляется из прямого солнечного луча путем рассеяния в атмосфере; из этого количества (падающего излучения) около двух третей в конечном итоге достигает Земли в виде рассеянных фотонов светового излучения.

Преобладающими процессами радиационного рассеяния в атмосфере являются рэлеевское рассеяние и рассеяние Ми ; они эластичны, что означает, что фотон света может отклоняться от своего пути без поглощения и без изменения длины волны.

Под пасмурным небом нет прямого солнечного света, и весь свет является результатом рассеянного светового излучения.

На основании анализа последствий извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах (июнь 1991 г.) и других исследований: рассеянный световой люк, благодаря своей внутренней структуре и поведению, может освещать листья под навесом, позволяя больше эффективный полный фотосинтез всего растения, чем в противном случае; это резко контрастирует с эффектом совершенно чистого неба с прямым солнечным светом, который отбрасывает тени на листья подлеска и тем самым ограничивает фотосинтез растений верхним слоем растительного покрова, (см. ниже).

• 1 Цвет
• 2 Нейтральные точки
• 3 Под пасмурным небом
• 4 В составе общей радиации
• 5 Сельское хозяйство и извержение вулкана Mt. Пинатубо
  • 5.1 Эффект рассеянного света в крыше
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Дополнительная литература
• 9 Внешние ссылки

Чистое голубое небо

Земля Атмосфера рассеивает свет с короткой длиной волны более эффективно, чем свет с большей длиной волны. Поскольку его длина волны короче, синий свет рассеивается сильнее, чем более длинноволновый свет, красный или зеленый. Отсюда результат: когда человек смотрит на небо вдали от прямого падающего солнечного света, человеческий глаз воспринимает небо как голубое. Воспринимаемый цвет подобен тому, который представлен монохроматическим синим (на длине волны 474–476 нм ), смешанным с белым светом, то есть ненасыщенным синим светом. Объяснение синего цвета Рэлеем в 1871 году является известным примером применения размерного анализа к решению задач физики; (см. верхний рисунок).

Рассеяние и поглощение являются основными причинами ослабления солнечного излучения атмосферой. Рассеяние меняется в зависимости от отношения диаметров частиц (твердых частиц в атмосфере) к длине волны падающего излучения. Когда это отношение меньше одной десятой, возникает рэлеевское рассеяние. (В этом случае коэффициент рассеяния изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. При больших соотношениях рассеяние изменяется более сложным образом, как описано для сферических частиц теорией Ми.) Законы геометрическая оптика начинает применяться при более высоких соотношениях.

Ежедневно в любой точке земного шара, где наблюдается восход или закат, большая часть солнечного луча видимого солнечного света достигает поверхности Земли почти по касательной. Здесь траектория солнечного света через атмосферу удлинена, так что большая часть синего или зеленого света рассеивается вдали от линии видимого света. Это явление оставляет солнечные лучи и облака, которые они освещают, обильно от оранжевого до красного цвета, которые можно увидеть, глядя на закат или восход солнца.

Например, Солнце в зените, при ярком дневном свете, небо голубое из-за рэлеевского рассеяния, которое также включает двухатомные газы N. 2 и O. 2. Вблизи заката и особенно в сумерках поглощение озоном (O. 3) значительно способствует сохранению синего цвета на вечернем небе.

Четыре обычно обнаруживаемые точки имеют нулевую поляризацию рассеянного излучения неба. Эти нейтральные точки лежат вдоль вертикального круга, проходящего через центр диска Солнца и антисолнечной точки.

• Точка Араго, названная после его первооткрыватель обычно располагается примерно на 20 ° выше антисолнечной точки, но он находится на больших высотах в мутном воздухе. Последнее свойство делает расстояние Араго полезным показателем мутности атмосферы.
• . Точка Бабине, обнаруженная Жаком Бабине в 1840 году, расположена примерно от 15 ° до 20 °. над Солнцем; следовательно, ее трудно наблюдать из-за солнечного сияния.
• Точка Брюстера, обнаруженная Дэвидом Брюстером в 1840 году, расположена примерно на 15-20 ° ниже солнце; следовательно, ее трудно наблюдать из-за солнечного сияния.
• Четвертая точка, расположенная примерно на 20 ° ниже антисолнечной точки, видна только на больших высотах в воздухе или в космосе.

По существу, под пасмурным небом нет прямого солнечного света, поэтому весь свет является рассеянным небесным излучением. Световой поток не сильно зависит от длины волны, поскольку облачные капли больше длины волны света и рассеивают все цвета примерно одинаково. Свет проходит через полупрозрачные облака подобно матовому стеклу. Интенсивность колеблется (примерно) от ⁄ 6 прямого солнечного света для относительно тонких облаков до ⁄ 1000 прямого солнечного света под самыми толстыми грозовыми облаками.

Одно из уравнений для полной солнечной радиации:

$H\; t\; =\; H\; b\; R\; b\; +\; H\; d\; R\; d\; +\; (H\; b\; +\; H\; d)\; R\; r\; \{\backslash \; displaystyle\; H\_\; \{t\}\; =\; H\_\; \{b\}\; R\_\; \{b\}\; +\; H\_\; \{d\}\; R\_\; \{d\}\; +\; (H\_\; \{b\}\; +\; H\_\; \{d\})\; R\_\; \{r\}\}$

где H b - мощность излучения пучка, R b - коэффициент наклона для излучения пучка, H d - освещенность диффузным излучением, R d - коэффициент наклона для диффузного излучения, а R r - коэффициент наклона для отраженного излучения.

Rbопределяется как:

$R\; b\; =\; sin\; \; (\delta )\; sin\; \; (\varphi \; -\; \beta )\; +\; cos\; \; (\delta )\; cos\; \; (h)\; cos\; \; (\varphi \; -\; \beta )\; sin\; \; (\delta )\; sin\; \; (\varphi )\; +\; соз\; \; (\delta )\; соз\; \; (час)\; соз\; \; (\varphi )\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{b\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; sin\; (\backslash \; delta)\; \backslash \; sin\; (\backslash \; phi\; -\; \backslash \; beta)\; +\; \backslash \; cos\; (\; \backslash \; delta)\; \backslash \; cos\; (h)\; \backslash \; cos\; (\backslash \; phi\; -\; \backslash \; beta)\}\; \{\backslash \; sin\; (\backslash \; delta)\; \backslash \; sin\; (\backslash \; phi)\; +\; \backslash \; cos\; (\backslash \; delta)\; \backslash \; cos\; (h)\; \backslash \; cos\; (\backslash \; phi)\}\; \}\}$

где δ - склонение Солнца, Φ - широта, β - угол от горизонтали, а h - солнечный часовой угол..

Rdопределяется по формуле:

$R\; d\; знак\; равно\; 1\; +\; соз\; \; (\beta )\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{d\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1+\; \backslash \; cos\; (\backslash \; beta)\}\; \{2\}\}\}$

и R r на :

$р\; р\; знак\; равно\; \rho \; (1\; -\; соз\; \; (\beta ))\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; R\_\; \{r\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; rho\; (1-\; \backslash \; cos\; (\backslash \; beta))\}\; \{2\}\}\}$

где ρ - коэффициент отражения поверхности.

Фотография Земли над Южной Америкой, сделанная космическим челноком (миссия STS-43 ) 8 августа 1991 г., на которой запечатлен двойной слой аэрозольных облаков Пинатубо (темные полосы) над нижними вершинами облаков.

Извержение вулкана Филиппины - Гора Пинатубо в июне 1991 г. выбросило примерно 10 км (2,4 куб. миль) магмы и «17 000 000 метрических тонн » (17 тераграмм ) диоксида серы SO2в воздух, что приводит к выбросу в десять раз большего количества SO 2 как кувейтские пожары 1991 г., в основном во время взрывного плинианского / ультра-плинианского события 15 июня 1991 г., создавшего глобальный слой дымки SO 2 в стратосфере, который сохранился годами. Это привело к снижению средней глобальной температуры примерно на 0,5 ° C (0,9 ° F). Поскольку вулканический пепел быстро выпадает из атмосферы, негативные сельскохозяйственные последствия извержения были в основном немедленными и локализовались на относительно небольшой территории в непосредственной близости от извержения, поскольку они были вызваны образовавшимся толстым пепловым покровом. что привело. Однако в глобальном масштабе, несмотря на 5% -ное снижение общего солнечного излучения за несколько месяцев и сокращение прямого солнечного света на 30%, не было никакого отрицательного воздействия на мировое сельское хозяйство. Удивительно, но наблюдалось увеличение на 3-4 года глобальной продуктивности сельского хозяйства и роста лесного хозяйства, за исключением бореальных лесов регионов.

При более или менее прямом солнечном свете, темноте тени, ограничивающие фотосинтез, отбрасываются на подлесок листья. Внутри зарослей может проникать очень мало прямых солнечных лучей.

Это было обнаружено тем, что первоначально в то время было загадочным падением скорости, с которой углекислый газ (CO 2) было отмечено заполнение атмосферы, что нанесено на карту так называемой «кривой Килинга ». Это заставило многих ученых предположить, что это снижение было связано с понижением температуры Земли, а вместе с тем замедлением дыхания растений и почвы , что указывает на пагубное воздействие на глобальные земледелие из слоя вулканической дымки. Однако при фактическом исследовании снижение скорости, с которой углекислый газ наполняет атмосферу, не соответствовало гипотезе о том, что скорость дыхания растений снизилась. Вместо этого выгодная аномалия была относительно прочно связана с беспрецедентным увеличением роста / чистой первичной продукции глобальной растительной жизни, что привело к усилению эффекта поглощения углерода глобального фотосинтеза. Механизм, с помощью которого стало возможным увеличение роста растений, заключался в том, что 30% -ное сокращение прямого солнечного света также может быть выражено как увеличение или «усиление» количества рассеянного солнечного света.

Эффект рассеянного света в крыше

Хорошо освещенные участки подлеска из-за облачности облаков, создающих условия рассеянного / мягкого солнечного света, которые позволяют фотосинтез на листьях под навесом.

Этот рассеянный свет в крыше, благодаря своей внутренней природе, может освещать под навесом листья, обеспечивая более эффективный общий фотосинтез всего растения, чем в противном случае. В отличие от совершенно чистого неба и прямого солнечного света, который возникает из-за этого, который отбрасывает тени на листья подлеска, фотосинтез растений строго ограничивается верхним слоем растительного покрова. Этот рост глобального сельского хозяйства из-за слоя вулканической дымки также естественным образом является продуктом других аэрозолей, которые не испускаются вулканами, таких как антропогенное загрязнение "умеренно густой дымовой нагрузкой", как тот же механизм, "прямой радиационный эффект аэрозоля" "позади обоих.

• Атмосферная дифракция
• Воздушная перспектива
• Цианометр
• Дневной свет
• Ночь свечение воздуха
• Рэлеевское рассеяние
• Рэлеевская модель неба
• Продолжительность солнечного света
• Эффект Тиндаля

• Pesic, Peter (2005). Небо в бутылке. MIT Press. ISBN 978-0-262-16234-0.

• Dr. CV Рамановская лекция: Почему небо голубое?
• Почему небо голубое?
• Голубое небо и рэлеевское рассеяние
• Оптика атмосферы (.pdf), доктор Крейг Борен