От чего зависит величина земной рефракции. Движение Земли вокруг Солнца

13. (131) К югу от зенита высота нижнего края Солнца в меридиане, измеренная с помощью

секстана на морском судне, была 84o 21", склонение центра Солнца +18o 39". Определить широту, учитывая, что угловой диаметр Солнца равен 32".

14. (135) Незаходящая звезда имеет высоту 20o в нижней кульминации и 50o в верхней. Найти склонение этой звезды и широту места наблюдения.Указание: Сделать чертеж и рассмотреть случаи верхней кульминации к югу и к северу от зенита.

5. Астрономическая рефракция

Явление преломления лучей света при прохождении границы раздела двух сред с различными коэффициентами преломления называется рефракцией . Всем знакома картина как бы сломанной чайной ложечки в стакане с водой. Точно так же преломляются световые лучи, попадая из безвоздушного космического пространства в атмосферу Земли, так как коэффициент преломления воздуха отличается от 1. Только преломление это происходит не резко, а постепенно, так как атмосфера Земли не имеет резкой границы, а плотность ее плавно уменьшается с высотой. Таким образом,астрономической рефракцией называется отклонение светового луча в атмосфере от своего первоначального направления по законам преломления (см. рис. 11). Отклонение всегда происходит в сторону зенита, т.е. рефракция всегдаподнимает звезду над горизонтом. Поэтому наблюдаемое зенитное расстояниеz н всегда меньше истинногоz 0 , а наблюдаемая высотаh н всегда больше истиннойh 0 , на

величину угла преломления , которую мы в дальнейшем для краткости будем называть рефракцией:

Рис. 11. Влияние рефракции на видимое положение светил

В зените рефракция равна нулю (), затем растет линейно с увеличением tg z (

) до z =70o . На больших зенитных расстояниях начинает сказываться

сферичность атмосферы Земли и рефракция увеличивается медленнее. На горизонте

Величина рефракции не является постоянной и зависит от температуры и

плотности воздуха и некоторых других факторов. Поэтому имеет смысл говорить лишь о средней рефракции , для определения которой мы будем пользоваться таблицей в Приложении.

15. Вывести условия видимости светил с учетом рефракции.

Решение: Незаходящие светила в момент нижней кульминации должны иметь наблюдаемую

Невосходящие светила в момент верхней кульминации должны иметь наблюдаемую высоту

Соответственно, остальные звезды, склонения которых заключены в пределах

и, восходят и заходят.

16. (172) На широте 55o 45"20" в момент верхней кульминации измерено зенитное расстояние звезды 50o 00"00". Пользуясь таблицей рефракции, определить склонение звезды.

Решение: Воспользуемся таблицей рефракции в Приложении и найдем, что рефракция на зенитном расстоянии 50o 00"00" равна 1"08.5". Из уравнения (9 ) найдем теоретическое

50o 01"09" =5o 44"11". Проверим другой вариант решения, вдруг верхняя кульминация звезды происходит к северу от зенита. Однако, воспользовавшись формулой (7 ) мы видим, что в

этом случае склонение звезды будет превосходить 90o , чего не может быть.

17. Какие светила в Казани () будут незаходящими, невосходящими и будут восходить и заходить?

18. (174) Полуночная высота нижнего края Солнца по измерению с российского ледокола

была 14o 11"05". Склонение Солнца в этот день +21o 19"34", а угловой радиус Солнца 15"47". Определить с учетом рефракции широту, на которой находилось судно.

19. (175) Наблюденное зенитное растояние звезды Малой Медведицы в верхней

кульминации было 24o 02"08", а в нижней кульминации 53o 51"51". Найти широту места наблюдения и склонение звезды, приняв во внимание рефракцию.

6. Движение Земли вокруг Солнца

Как известно, Земля обращается по своей орбите вокруг Солнца. Для нас, находящихся на поверхности Земли людей, такое годовое движение Земли вокруг Солнца заметно в виде годового перемещения Солнца на фоне звезд. Как мы уже знаем, путь Солнца среди звезд является большим кругом небесной сферы и называется эклиптикой. Значит, эклиптика является небесным отражением орбиты Земли, поэтому плоскость орбиты Земли называют еще плоскостью эклиптики. Ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости эклиптики,

а отклоняется от перпендикуляра на угол . Благодаря этому на Земле происходит смена времен года (см. рис. 12). Соответственно, и плоскость земного экватора наклонена на этот же угол к плоскости эклиптики. Линия пересечения плоскости земного экватора и плоскости эклиптики сохраняет (если не учитывать прецессию) неизменноое

положение в пространстве. Один ее конец указывает на точку весеннего равноденствия, другой - точку осеннего равноденствия. Эти точки неподвижны относительно звезд (с точностью до прецессионного движения!) и вместе с ними участвуют в суточном вращении.

Рис. 12. Обращение Земли вокруг Солнца

Вблизи 21 марта и 23 сентября Земля расположена относительно Солнца таким образом, что граница света и тени на поверхности Земли проходит через полюса. А поскольку каждая точка на поверхности Земли совершает суточное движение вокруг земной оси, то ровно половину суток она будет на освещенной части земного шара, а вторую половину - на затененной. Таким образом, в эти даты день равен ночи, и они называются соответственно

днями весеннего и осеннего равноденствий. Земля в это время находится на линии пересечения плоскостей экватора и эклиптики, т.е. в точках весеннего и осеннего равноденствий, соответственно.

Выделим еще две особенные точки на орбите Земли, которые называются точками солнцестояний , а даты, на которые приходится прохождение Земли через эти точки,днями солнцестояний .

В точке летнего солнцестояния , в которой Земля бывает вблизи 22 июня (день летнего солнцестояния ), северный полюс Земли направлен в сторону Солнца, и большую часть суток любая точка северного полушария освещена Солнцем, т.е. в эту дату день - самый длинный в году.

В точке зимнего солнцестояния , в которой Земля бывает вблизи 22 декабря (день зимнего солнцестояния ), северный полюс Земли направлен в сторону от Солнца, и большую часть суток любая точка северного полушария находится в тени, т.е. в эту дату ночь - самая длинная в году, а день - самый короткий.

Из-за того, что календарный год по продолжительности не совпадает с периодом обращения Земли вокруг Солнца, дни равноденствий и солнцестояний в разные годы могут приходиться

на разные дни (один день от названных выше дат). Однако в дальнейшем при решении

Астрономическая рефракция – явление преломления лучей света в земной атмосфере. Вследствие рефракции наблюдаемое (измеряемое) направление на светило не соответствует действительному, которое имело бы место при отсутствии атмосферы. Уголr, на который отклоняется луч в атмосфере, также называется рефракцией.

Строение атмосферы сложное и нестабильное. Чтобы получить формулу, вполне определяющую величину рефракции, надо выбрать модель атмосферы.
В геодезической астрономии принята модель нормальной атмосферы, определяющаяся следующими положениями:

Атмосфера состоит из ряда слоев;

Плотность воздуха d в каждом слое постоянна и убывает с высотой;

Нормаль к границе двух сред, проведенная в точке падения луча, совпадает с отвесной линией.

В основе теории рефракции лежат законы преломления света:

1. Луч падающий, луч преломленный и нормаль, проведенная в точке падения к границе двух сред, лежат в одной плоскости.

Отсюда следует вывод, что для нормальной атмосферы преломление света происходит в вертикальной плоскости, то есть рефракция влияет только на зенитное расстояние, но не на азимут светила.

2. Закон Снеллиуса. Отношение синуса угла падения i 1 к синусу угла преломления i 2 для данных двух сред есть величина постоянная, равная отношению показателя преломления m 2 к показателю преломления m 1:

sin i 1 /sin i 2 = m 2 / m 1 .

Отсюда следует, что если плотность второго слоя d 2 больше плотности первого слоя d 1 , то m 2 > m 1 , и i 2 < i 1 , то есть луч, попадая из менее плотного слоя в более плотный слой, отклоняется к отвесной линии.

Рассмотрим, как влияет астрономическая рефракция на координаты светила. Допустим, что поверхность Земли – плоскость в точке наблюдения М
(рис. 1.20). Луч, падающий в вакууме от звезды, преломляется, попадая в земную атмосферу. Вследствие этогонаблюдаемое направление на светило не соответствует действительному, которое имело бы место при отсутствии атмосферы. На рис. 1.20 видно, что топоцентрическое зенитное расстояние z топ есть сумма измеренного зенитного расстояния z" и рефракции r:

Z топ = z" + r.

Для модели нормальной атмосферы астрономическая рефракция не изменяет горизонтальное направление, то есть азимут топоцентрический равен азимуту измеренному

Выведем формулу для вычисления значения r.

Согласно закону Снеллиуса,

sin z топ /sin z" = m/1,

отсюда sin z топ = m sin z", или

sin (z" + r) = m sin z". (1.12)

Раскроем левую часть (1.12):

sin z" cos r + sin r cos z" = m sin z".

Поскольку угол r мал, то

cos r ~ 1, sin r = r"/206265".

sin z" + cos z"r"/206265" = m sin z". (1.13)

Разделим обе части выражения (1.13) на sin z" и выразим r":

r" = (m - 1) tg z" · 206265".

Таким образом, астрономическая рефракция r зависит от зенитного расстояния светила и коэффициента преломления воздуха. Показатель преломления m пропорционален плотности атмосферы d, которая, в свою очередь, зависит от температуры и давления. Используя законы Бойля – Мариотта и Гей – Люссака, можно записать для любого состояния атмосферы:

r = 21.67′′ B tg z′/(273 + t o C), (1.14)

где В - давление, мм рт. ст.,

t – температура в градусах Цельсия,

z" – измеренное зенитное расстояние.

Для нормальной атмосферы с t o = 0 o C и В = 760 мм рт. ст. значение рефракции есть r о = 60.3"tg z"; при t o = 10 o C и В = 760 мм рт. ст. соотвествующее значение r о = 58.1"tg z".

Выражения для r о называются средней рефракцией и применяются в приближенных астрономических определениях с погрешностью более 1".

С увеличением зенитного расстояния величина рефракции растет. На горизонте значение рефракции для нормальной атмосферы достигает величины примерно 35¢.

Для определения поправки за рефракцию составляются специальные таблицы. В Астрономическом ежегоднике приводится несколько видов таблиц:

Таблица средней рефракции, где r вычислена для постоянных температуры t = 10 o C и давления В = 760 мм рт. ст., как функция от измеренного зенитного расстояния, то есть, r о = f (z", t 10 , B 760);

Таблица поправок в среднюю рефракцию за температуру и давление.

При помощи этих таблиц можно получить значение рефракции с точностью до 1".

Значения рефракции с точностью 0.1" приведены в логарифмической таблице.

Параллакс

Параллаксом называется изменение направления на объект при наблюдении его из разных точек пространства. Земля участвует в двух движениях – суточном и годичном, поэтому наблюдения небесных светил, выполняемые даже с одного и того же пункта земной поверхности, всякий раз производят из разных точек пространства.

Суточный параллакс возникает вследствие наблюдения светил в разное время суток. Поправка за суточный параллакс есть приведение наблюдений, выполненных на поверхности Земли, к центру Земли (переход от топоцентрических координат к геоцентрическим).

Годичный параллакс обусловлен наблюдениями в разное время года. Поправка за годичный параллакс – приведение наблюдений к центру Солнца (барицентру Солнечной системы), или переход от геоцентрических координат к гелиоцентрическим (барицентрическим).

Опыт показывает, что траектории оптических лучей, проходящих через атмосферу, не являются прямыми линиями; они искривляются более или менее плавно. Такое искривление траектории луча свидетельствует о том, что скорость распространения света в атмосфере отклоняется от таковой в вакууме и, кроме того, изменяется на пути луча. С увеличением показателя преломления скорость света уменьшается. Показатель преломления света в атмосфере мало отличается от единицы (значения в вакууме), однако, учитывая большую длину траектории луча, этого отклонения достаточно для того чтобы получить существенное отличие траектории луча от прямой линии. Показатель преломления света (n) изменяется с изменением плотности атмосферы; аналитически это выражается следующей формулой:

Где р- давление воздуха в мб; Т-температура по абсолютной шкале.

Расчеты показывают, что, когда солнечный свет распространяется по направлению к Земле, лучи, как правило, проходят в среде с все увеличивающимся значением показателя преломления, т. е. оптическая плотность среды увеличивается, а следовательно, скорость света уменьшается.

В результате с приближением к поверхности Земли луч все больше и больше приближается к направлению отвеса, а это значит, что траектория луча будет искривлена так, что вогнутость ее будет обращена к земной поверхности. Вид этой траектории будет аналогичен траектории частички газа или жидкости, которая движется от слоя к слою с все увеличивающимся трением из-за увеличения плотности среды.

Искривление (преломление или рефракция) луча отмечается только в том случае, когда он падает на слои разной оптической плотности под углом, отличным от 90°.

Явление рефракции световых лучей объясняется тем, что электромагнитные волны, распространяясь в среде, поляризуют молекулы последней. В результате этого в среде образуется собственное электромагнитное поле, направленное противоположно внешнему полю. Взаимодействие этих полей и обусловливает уменьшение скорости света и искривление траекторий лучей. Рефракция луча тем больше, чем больше угол падения.

Вследствие искривления лучей в атмосфере удаленные предметы м наблюдаем в направлениях, отличных от истинных, поскольку мы проектируем предмет в направлении касательной к траектории луча в точке наблюдения. Угол между направлением на действительное и видимое положение предмета называется рефракцией (или углом рефракции, а угол между касательными в начальной и конечной точках пути светового луча - углом полной рефракции.

Рис. 1.5.1. Рефракция в атмосфере.

В случае, если объект наблюдения находится за пределами атмосферы (рис. 19 а), рефракция называется астрономической (ρ), если в пределах атмосферы (рис. 196) -земной (r). Астрономическая рефракция может быть вычислена по приближенной формуле:
ρ = 57” tg z’ (для z’ <= 80°), где z’ - видимое зенитное расстояние, которое всегда меньше действительного.

Наличие астрономической рефракции приводит к тому, что измеряемые зенитные расстояния светил оказываются меньше истинных, особенно в случаях, когда светила расположены у горизонта. По этой причине мы видим Солнце некоторое время и после того, как оно опустилось за горизонт, что приводит к увеличению продолжительности дня в умеренных широтах на 8-12 мин.

Явление рефракции обусловливает изменение формы видимого диска Солнца и Луны при нахождении их вблизи горизонта, так как разная величина угла рефракции для верхнего и нижнего краев светил приводит к различной величине приподнятости их, поэтому светила кажутся сплюснутыми.

Вследствие рефракции света наблюдается явление дрожания удаленных предметов и мерцания звезд. Из-за турбулентности атмосферы в последней имеется множество неоднородностей показателя преломления, которые действуют подобно непрерывно перемещающимся линзам, расположенным на пути луча.

В определенных условиях (при аномальном распределении плотности воздуха), связанных с резкими изменениями температуры по высоте и по горизонтали, лучи света в отдельных слоях воздуха могут претерпевать полное внутреннее отражение. Тогда, кроме самого объекта, можно наблюдать и его отраженное изображение (прямое или обратное). Это явление получило название миража. Миражи бывают верхние, нижние и редко боковые.

Верхние миражи обусловлены резким уменьшением плотности воздуха с высотой (при сильных инверсиях), нижние - при больших вертикальных градиентах температуры и неустойчивой стратификации, боковые - при неравномерном распределении плотности на уровне наблюдателя. Верхние и боковые миражи чаще всего наблюдаются в прибрежных водах полярных районов, нижние - в южных пустынных районах.

Верхние и боковые миражи чаще наблюдаются в высоких широтах, где нередки случаи резкого падения плотности с высотой (особенно при температурных инверсиях). Верхние миражи, напротив, возможны при незначительном падении плотности с высотой, особенно при резко неустойчивой стратификации атмосферы.

При верхнем мираже световые лучи, направленные от предмета вверх, отклоняются от прямолинейного направления и, искривляясь, достигают глаза наблюдателя таким образом, что предметы кажутся отраженными вверх в перевернутом виде.

При нижнем мираже лучи отклоняются так, что предмет кажется отраженным вниз и более обычного приподнят над горизонтом.

При боковом мираже мнимые изображения появляются справа или слева от истинного положения предмета.

Иногда очевидцы описывают явление сложного миража, когда очертания предметов сильно искажены. Это явление носит название фата-морганы.

При прохождении световых лучей через облака и осадки они испытывают преломление, отражение и дифракцию в каплях и кристаллах. В результате этого воздействия мы наблюдаем характерные оптические явления - радуги, гало, венцы и др.

Радуга - световая (радужная) дуга (дуги) радиусом 42°, 52°, окрашенная в спектральные цвета (по внешнему краю в красный, по внутреннему в фиолетовый), наблюдаемая на фоне неба и облаков в противоположной от Солнца или Луны стороне с центром в антисолярной точке (точке линии, соединяющей центр солнечного или лунного диска с глазом наблюдателя). Радуга объясняется преломлением солнечных лучей при входе и выходе из капель и полным внутренним их отражением внутри капель. Яркость и интенсивность радуги зависят от преобладающего диаметра дождевых капель. Крупнопанельный дождь образует четкую и яркую радугу с ясным разделением цветов. Радуга на фоне тумана или облаков с мелкими каплями широкая, блеклая или вовсе белая, размытая. Лунная радуга всегда белая, что объясняется свойствами человеческого глаза. Нередко наблюдается более слабая дополнительная дуга (дуги) радуги с обратным расположением цветов. При высоте Солнца 42° и более радуга не наблюдается вовсе. Чем ниже высота Солнца, тем выше и длиннее дуга радуги. Наблюдать радугу можно и в брызгах морских волн.

Гало - могут возникать, как многообразные оптические явления, в ледяных облаках верхнего яруса, особенно в перисто-слоистых. Наиболее повторяющиеся их формы можно разделить на две группы. Слегка окрашенные в различные цвета (красный цвет располагается со стороны Солнца или Луны) - круги радиусом 22° и 46°, касательные дуги к ним, ложные солнца и гало; не имеющие окраски - горизонтальный круг, вертикальные столбы, проходящие через солнечный диск, кресты и др. Окрашенные гало объясняются преломлением света в шестигранных призматических кристаллах ледяных облаков, а неокрашенные (бесцветные) - отражением света от граней кристаллов. Разнообразие форм гало зависит главным образом от типов кристаллов, суммарного движения и пространственной ориентацией их осей (граней), а также от высоты Солнца;

Венцы. В тонких капельножидких облаках, сквозь которые просвечивают Солнце или Луна, могут возникать радужные кольца - венцы. Венцы могут наблюдаться также в тумане вокруг искусственных источников света. Первый световой круг венца (ореол) непосредственно примыкает к свету, далее он сменяется концентрическими менее яркими цветными кольцами - венцами второго, третьего порядков. Размеры венцов колеблются от 1 до 10 °. Венцы образуются за счет дифракции света при прохождении через мельчайшие капли и кристаллы облаков и туманов световых лучей;

Глории - подобны венцам, но наблюдаются они в противоположной от Солнца или Луны стороне с центром в антисолярной точке. Это явление объясняется также дифракцией света, уже отраженного в капельках облаков так, что он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал.

Видимость. Отдаленные предметы видны хуже, чем близкие, не только потому, что уменьшаются их видимые размеры. Даже и очень большие предметы на том или ином расстоянии от наблюдателя становятся плохо различимыми вследствие мутности атмосферы, сквозь которую они видны. Эта мутность обусловлена рассеянием света в атмосфере. Понятно, что она увеличивается при возрастании аэрозольных примесей в воздухе.

Для многих целей очень существенно знать, на каком расстоянии перестают различаться очертания предметов за воздушной завесой. Это расстояние называют дальностью видимости, или просто видимостью. Дальность видимости чаще всего определяется на глаз по определенным, заранее выбранным объектам (темным на фоне неба), расстояние до которых известно. Но имеется и ряд фотометрических приборов для определения видимости.

В очень чистом воздухе, например арктического происхождения, дальность видимости может достигать сотен километров. Рассеяние света в таком воздухе производится преимущественно молекулами атмосферных газов. В воздухе, содержащем много пыли или продуктов конденсации, дальность видимости может понижаться до нескольких километров и даже до метров. Так, при слабом тумане дальность видимости составляет 500-1000 м, а при сильном тумане или сильной песчаной буре может снижаться до десятков и даже нескольких метров.

Дальность видимости . Различают геометрическую, оптическую и метеорологическую дальность видимости. Геометрическая дальность видимости АС (рис. 1.5.2) определяется кривизной Земли и светового луча и зависит от высоты наблюдателя и наблюдаемого объекта. Оптическая дальность видимости - это расстояние, на котором реальный объект при данных условиям погоды, освещения и наблюдения находится на границе восприятия зрением. Она зависит от прозрачности атмосферы, остроты зрения наблюдателя, свойств наблюдаемого объекта и фона, на котором наблюдается объект. Все указанные факторы весьма изменчивы, поэтому оптическую дальность видимости затруднительно применять в практических целях в качестве метеорологического элемента.

Рис. 1.5.2. Дальность видимости горизонта.

Дальность видимости реальных объектов и огней в море ночью будет равна наименьшему значению одной из трех величин: геометрической, оптической и метеорологической дальности видимости.

Поднятие (снижение) горизонта. К явлениям, связанным с земной рефракцией, относятся случаи поднятия и снижения горизонта. При отсутствии рефракции дальность видимого горизонта Д 0 определяется геометрической дальностью.

где Д 0 - геометрическая дальность видимого горизонта в км; h- высота глаза наблюдателя в м.

С учетом земной рефракции дальность видимого горизонта может быть определена из выражения где k = - dn/dr, R- радиус Земли.

При стандартных значениях давления и температуры Д = 1,08 Д 0 .

В этих условиях поднятие горизонта невелико и мы обычно его не замечаем. Если же k<0, то Д<Д 0 т. е. отмечается отрицательная рефракция, луч вогнут кверху и касается Земли ближе, чем прямолинейный. Наконец, при k>0 Д>Д 0 - положительная рефракция, горизонт приподнят.

Изменение дальности видимого горизонта определяется характером изменения температуры, а следовательно, и плотности воздуха по высоте. При падении температуры отмечается положительная рефракция, а при инверсии - отрицательная. При положительной рефракции происходит поднятие горизонта, и мы видим предметы, обычно скрытые кривизной Земли. В этом случае Д существенно больше Д 0 . При отрицательной рефракции горизонт кажется пониженным, и мы не видим даже тех предметов, которые видны в обычных условиях; в этом случае Д много меньше Д 0 .

Наибольшее поднятие горизонта отмечается в холодных воздушных массах (температура по высоте падает). Понижение горизонта наблюдается в теплых воздушных массах. Это явление особенно характерно в прибрежной зоне, когда с берега натекает на море теплый сухой воздух.

Метеорологическая дальность видимости является одной из характеристик прозрачности атмосферы, и ее следует отличать от реальной дальности видимости различных объектов, которая зависит не только от прозрачности атмосферы, но и от цвета объектов, их размеров, удаленности от пункта наблюдений, освещенности и фона.

Метеорологической дальностью видимости называется то наибольшее расстояние, с которого в светлое время суток можно обнаружить на фоне неба вблизи горизонта (или на фоне воздушной дымки) абсолютно четкое тело достаточно больших угловых размеров (больше 15 угловых минут). Видимость определяется с верхнего мостика. Оценивается она по международной 10-балльной шкале (от 0 до 9 баллов) в метрах, километр кабельтовых, милях.

При плавании вблизи берегов следует определять видимость отдельно в сторону моря и отдельно в сторону берегов и записывать в журнал наименьшую видимость.

Для определения видимости в сторону берегов используются имеющиеся в поле зрения и обозначенные на карте отдельные мысы, горы, здания, маяки, знаки и т.п., расстояние до которых известно Объекты должны быть видимы с места наблюдения под углом не более 5-6° к горизонту. В исключительных случаях, при видимости более 1 мили, допускается использование объектов, видимых под углом к горизонту до 11°.

В открытом море, вдали от берегов, при отсутствии в поле зрения каких бы то ни было объектов, необходимых для определения метеорологической дальности видимости, допускается оценка так называемой реальной поверхности моря. При отсутствии других сведений о видимости, величина реальной видимости используется как вспомогательная характеристика в оперативных целях.

Оценка реальной видимости поверхности моря производится по четкости линии действительного горизонта или по дальности видимости поверхности моря, определяемой визуально (табл. 2.).

При этом следует руководствоваться следующими принципами:

а) если видимость настолько хорошая, что поверхность моря видна вплоть до линии горизонта, то балловая оценка реальной видимости поверхности моря определяется в зависимости от высоты места наблюдений по четкости линии горизонта согласно табл. 2.;

б) если видимость настолько плоха, что линия действительного горизонта не видна, то наблюдатель старается определить на глаз, на каком расстоянии поверхность моря становится невидимой.

Табл. 2. Признаки для оценки реальной дальности видимости моря по четкости действительного горизонта

Ночные определения дальности видимости по объектам нельзя производить сразу же после выхода наблюдателя из светлого помещения. Необходимо выждать, когда глаза привыкнут к темноте. Время, необходимое для адаптации глаз (приспособления к темноте), составляет 10 -15 мин. Другим важным условием правильности определения дальности служит отсутствие огней на судне в поле зрения наблюдателя. Объекты для ночных наблюдений не должны быть источниками света и не должны находиться в поле освещения других искусственных источников света.

Если ночь темная и визуальное определение видимости невозможно, то следует использовать установленную зависимость дальности видимости от атмосферных явлений. Если наблюдается одновременно несколько атмосферных явлений, то указывается наименьшая (из соответствующих им) видимость.

Рефракция астрономическая - явление преломления световых лучей от небесных светил при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность планетных атмосфер всегда убывает с высотой, преломление света происходит таким образом, что своей выпуклостью искривленный луч во всех случаях обращен в сторону зенита. В связи с этим рефракция всегда "приподнимает" изображения небесных светил над их истинным положением.

Величина рефракции, то есть угол между истинным и видимым положениями светила на небосклоне, связана с длиной пробега луча в атмосфере и углом наклона луча к атмосферным слоям равной плотности. Рефракция равна нулю в зените и возрастает по мере удаления от зенита с приближением к горизонту. Для наблюдений с поверхности Земли величина рефракции r выражается приближенной формулой r=60,2"tg z , где z - видимое зенитное расстояние светила (смотрите Небесные координаты). Эта формула остается справедливой лишь для z<70 градусов. Ближе к горизонту рефракция характеризуется большими величинами.

Величина рефракции в данный момент времени для данного пункта наблюдений меняется в зависимости от температуры, давления, влажности и других метеорологических факторов. При выполнении высокоточных астрономических измерений (смотрите Астрометрия) рефракция учитывается путем введения в результаты измерений соответствующих поправок.

Рефракция вызывает на Земле ряд оптико-атмосферных эффектов: увеличение долготы дня вследствие того, что солнечный диск из-за рефракции поднимается над горизонтом на несколько минут раньше момента, в который Солнце должно было бы взойти на основании геометрических соображений; сплюснутость видимых дисков Луны и Солнца близ горизонта из-за того, что нижний край дисков поднимается рефракцией выше, чем верхний; мерцание звезд и другое. Вследствие различия величины рефракции у световых лучей с разной длиной волны (синие и фиолетовые лучи отклоняются больше, чем красные) вблизи горизонта происходит кажущееся окрашивание небесных светил.

Соответствующие поправки величины рефракции используются при наблюдениях звезд, планет и других светил, удаленных на очень большие расстояния от Земли. Для более близких небесных тел, которые находятся, скажем, ближе Луны, влияние рефракции несколько отлично от известных величин. Связано это с тем, что вследствие искривления луча света в атмосфере направления на близкие светила из точки, где стоит наблюдатель, и из точки, в которой луч света входит в земную атмосферу, непараллельны и составляют небольшой угол. Этот угол называют рефракционным параллаксом. Поправка за рефракционный параллакс вносится в результаты наблюдений Луны (до 1,2 угловой секунды) и искусственных спутников Земли (до нескольких десятков минут).

Энциклопедический словарь юного астронома, 1980 год

Рефракция: общие понятия, модели стандартных атмосфер - рефракция для плоскопараллельных слоев, для сферических слоев. Таблицы рефракции. Влияние аномалий рефракции на видимые координаты светил.

Общие понятия

Влияние рефракции является важной проблемой для наземной астрономии, где выполняются измерения больших углов на небесной сфере, при определении экваториальных координат светил, вычислении моментов их восхода и захода.

астрономической (или атмосферной) рефракцией . Из-за этого наблюдаемое (видимое) зенитное расстояние z¢ светила меньше его истинного (т.е. при отсутствии атмосферы) зенитного расстояния z, а видимая высота h¢ несколько больше истинной высоты h. Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.

Разность r = z - z¢ = h¢ - h , называется рефракцией.

Рис. Явление рефракции в земной атмосфере

Рефракция изменяет лишь зенитные расстояния z, но не изменяет часовые углы. Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция изменяет и склонение, и прямое восхождение светила.

Следует отметить, что рефракция в зените принимает значение r = 0, а на горизонте она достигает 0.5 - 2 градуса. Из-за рефракции диски Солнца и Луны вблизи горизонта выглядят овальными, так как у нижнего края диска рефракция на 6¢ больше, чем у верхнего и поэтому вертикальный диаметр диска кажется укороченным в сравнении с горизонтальным диаметром, который рефракцией не искажается.

Эмпирически, т.е. опытным путем из наблюдений выведено приближенное выражение для определения общей (средней) рефракции:

r = 60².25 ´В\760´273\(273 0 +t 0) ´ tgz¢,

где: В - атмосферное давление, t 0 - температура воздуха.

Тогда, при температуре, равной 0 0 и при давлении 760 мм ртутного столба рефракция для видимых лучей (l =550 миллимикрон) равна:

r =60².25 ´ tgz¢ = К´ tgz¢. Здесь К – постоянная рефракции при указанных выше условиях.

По приведенным формулам рефракция вычисляется для зенитного расстояния не более 70 угловых градусов с точностью до 0.¢¢01 . Пулковские таблицы (5-е издание) позволяют учитывать влияние рефракции до зенитного расстояния z = 80 угловых градусов.

Для более точных расчетов учитывается зависимость рефракции не только от высоты объекта над горизонтом, но и от состояния атмосферы, главным образом от ее плотности, которая сама является функцией, в основном температуры и давления. Поправки на рефракцию рассчитываются при давлении В [мм.рт.ст.] и температуре t° С по формуле:

Для учета влияния рефракции с высокой точностью (0.¢¢01 и выше) теория рефракции достаточно сложна и рассматривается в специальных курсах (Яценко, Нефедьева А.И.и др). Функционально величина рефракции зависит от многих параметров: высоты (H), широты места (j), также температуры воздуха (t), атмосферного давления (p), атмосферного давления (В) на пути светового луча от небесного светила до наблюдателя и различна для разных длин волн электромагнитного спектра (l) и каждого зенитного расстояния (z). Современные расчеты рефракции выполняются на ЭВМ.

Следует также отметить, что рефракцию по степени ее влияния и учета разделяют на нормальную (табличную) и аномальную . Точность учета нормальной рефракции определяется качеством модели стандартной атмосферы и до зенитных расстояний не более 70 градусов достигает 0.¢¢01 и выше. Большое значение здесь имеет выбор места наблюдений - высокогорье, с хорошим астроклиматом и регулярным рельефом местности, обеспечивающим отсутствие наклонных слоев воздуха. При дифференциальных измерениях с достаточным числом опорных звезд на ПЗС кадрах можно учитывать влияние вариаций рефракции, таких как дневная и годичная.

Аномальная рефракция , такая как инструментальная и павильонная учитывается обычно достаточно хорошо с помощью систем сбора метеоданных. В приземном слое атмосферы (до 50 метров) используются такие методы как размещение метеодатчиков на мачтах и зондирование. Во всех указанных случаях можно достичь точности учета аномалий рефракции не хуже 0.²01. Труднее устранить влияние флуктуаций рефракции, обусловленных атмосферной турбуленцией высокой частоты, которые имеют доминирующее влияние. Спектр мощности дрожаний показывает, что их амплитуда значительна в диапазоне от 15гц до 0.02гц. Отсюда следует, что оптимальное время регистрации небесных обьектов должно быть не менее 50 секунд. Эмпирические формулы, выведенные Э.Хегом (e =± 0.²33(T+0.65) - 0.25 ,

где Т - время регистрации) и И.Г.Колчинским (e =1\Ön(± 0.²33(secz) 0.5 , где n - число моментов регистрации) показывают, что при таком времени регистрации для зенитного расстояния (z) равного нулю, точность положения (e) звезды, около 0.²06-0.²10.

По другим оценкам такой тип рефракции может быть учтен посредством измерений в течение одной-двух минут с точностью до 0."03 (А.Яценко), до 0."03-0."06 для звезд в диапазоне 9-16 величины (I.Reqiume) или до 0."05 (E.Hog). Расчеты, проведенные в обсерватории США USNO Стоуном и Даном показали, что при ПЗС регистрации на автоматическом меридианном телескопе (поле зрения 30" x 30" и время экспозиции 100 секунд) можно определить положения звезд дифференциально с точностью до 0.²04. Перспективная оценка, выполненная американскими астрономами Colavita, Zacharias и др. (см. табл.7.1) для широкоугольных наблюдений в видимом диапазоне длин волн показывает, что с помощью двухцветной методики можно достигнуть атмосферного предела точности, около 0.²01.

Для перспективных телескопов с полем зрения ПЗС, порядка, 60"x60", с использованием многоцветовой методики наблюдений, отражательной оптики, наконец с использованием дифференциальными методами опорных каталогов высокой плотности и точности на уровне космических каталогов типа HC и TC

вполне реально достижение точности, порядка нескольких миллисекунд (0.²005).

Рефракция

Видимое положение светила над горизонтом, строго говоря, отличается от вычисленного по формуле (1.37). Дело в том, что лучи света от небесного тела, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходят сквозь атмосферу Земли и преломляются в ней, а так как плотность атмосферы увеличивается к поверхности Земли, то луч света (рис. 19) все более и более отклоняется в одну и ту же сторону по кривой линии, так что направление ОМ 1 , по которому наблюдатель О видит светило, оказывается отклоненным в сторону зенита и не совпадающим с направлением ОМ 2 (параллельным ВМ ), по которому он видел бы светило при отсутствии атмосферы.

Явление преломления световых лучей при прохождении ими земной атмосферы называется астрономической рефракцией.

Угол M 1 OM 2 называется углом рефракции или рефракцией r . Угол ZOM 1 называется видимым зенитным расстоянием светила z", а угол ZOM 2 - истинным зенитным расстоянием z.

Непосредственно из рис. 19 следует

z - z" = r или z = z" + r ,

т.е. истинное зенитное расстояние светила больше видимого на величину рефракции r . Рефракция как бы приподнимает светило над горизонтом.

По законам преломления света луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости. Следовательно, траектория луча МВО и направления ОМ 2 и OM 1 лежат в одной вертикальной плоскости. Поэтому рефракция не изменяет азимута светила, и, кроме того, равна нулю, если светило находится в зените.

Если светило находится в кульминации, то рефракция изменяет только его склонение и на ту же величину, что и зенитное расстояние, так как в этом случае плоскости его часового и вертикального кругов совпадают. В остальных случаях, когда эти плоскости пересекаются под некоторым углом, рефракция изменяет и склонение, и прямое восхождение светила.

Точная теория рефракции очень сложна и рассматривается в специальных курсах. Рефракция зависит не только от высоты светила над горизонтом, но и от состояния атмосферы, главным образом от ее плотности, которая сама является функцией, в основном температуры и давления. При давлении В мм. рт. ст. и температуре t° С приближенное значение рефракции

По формулам (1.38) и (1.39) рефракция вычисляется в тех случаях, когда видимое зенитное расстояние z" < 70°. При z" > 70° формулы (1.38) и (1.39) дают ошибку больше 1", увеличивающуюся при дальнейшем приближении к горизонту до бесконечности, тогда как действительная величина рефракции в горизонте составляет около 35". Поэтому для зенитных расстояний z" > 70° рефракция определяется путем сочетания теории со специальными наблюдениями.

Вследствие рефракции наблюдается изменение формы дисков Солнца и Луны при их восходе или заходе. Рефракция нижних краев дисков этих светил у горизонта почти на 6" больше рефракции верхних краев, а так как горизонтальные диаметры рефракцией не изменяются, то видимые диски Солнца и Луны принимают овальную форму.