Оптические и электрические явления, связанные с облаками и осадками.

Развитие облаков и выпадающие из них осадки в значительной мере изменяют характер погоды. Изменяются атмосферное давление, температура, ветровой режим, освещенность, электропроводность и другие характеристики. Кроме того, при определенных условиях в атмосфере могут наблюдаться оптические, электрические, акустические и др. явления, так или иначе связанные с облаками и осадками. Наиболее распространенными из них являются:

Радуга: световая (радужная) дуга (дуги) радиусом 42°, 52° окрашена 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. Крупнокапельный 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 цветом. 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 капельно-жидких 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.

Процессы испарения, конденсация и сублимации, коагуляции и дробления облачных элементов приводят к появлению в облаках и туманах огромного числа электрически заряженных частиц. Особенно сильные электрические заряды возникают в кучево-дождевых облаках, содержащих крупные капли и кристаллы. В силу преобладающих нисходящих и восходящих потоков в различных частях кучево-дождевых облаков происходит разделение зарядов, т.е. скопление электричества одного знака в разных областях грозовых облаков. Основания кучево-дождевых облаков, содержащих преимущество крупные капли, несут суммарный положительный заряд. Центральная часть грозовых облаков имеет общий отрицательный заряд, а вершины их, состоящие из мельчайших ледяных кристаллов, заряжены также положительно (рис. 2.4).

Напряженность электрического поля атмосферы в облаках и между облаками (суммарный заряд Земли отрицательный) достигает огромных значений

(порядка сотен киловольт на 1 м). Особо активные процессы разделения и концентрации противоположных зарядов приводят к возникновению между облаками, его отдельными частями или облаками и Землей искровых разрядов- молний, сопровождаемых звуковыми колебаниями – громом.

По виду молнии делятся на линейные, неточные, плоские и шаровые

Наиболее известна линейная молния, представляющая собой сильно разветвленную искру длиной 2-3 км при разряде между облаком и Землей и 15-20 км при разряде между облаками.

Сливающийся воедино молниевый разряд на самом деле состоит из 1-5 (иногда -нескольких десятков) чередующихся импульсов общей длительностью около 0, 2 с. Молниевый разряд начинается лидером, который создает канал молнии, средний диаметр которого составляет 15-20 см. Сила тока в канале достигает сотен килоампер, а мгновенная мощность - миллионов киловатт. Температура газовых стенок канала молнии достигает 20000°К. Мгновенный нагрев газа в молниевой канале приводит к резкому расширению воздуха, в результате чего возникают звуковые колебания - гром. Звуковой эффект усиливается образованием гремучего газа в канале молнии, так как за счет высоких температур вода разлагается на кислород и водород.

Молниевый разряд в судно может вызвать пожар, вывести из строя антенны или радиоприемные и передающие устройства, вызвать перемагничивание и магнитных приборов и т.д. Для защиты от молний на судах применяют различной конструкции молниеотводы.

№21.Дальность видимости

Различают геометрическую, оптическую и метеорологическую дальность видимости. Геометрическая дальность видимости обуславливается кривизной Земли и светового луча и зависит от высоты наблюдателя и наблюдаемого объекта.

Оптическая дальность видимости - это расстояние, на котором реальный объект при данных условиях 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.

Метеорологическая дальность видимости - это минимальное расстояние, на котором днем теряется видимость абсолютно черного объекта, наблюдаемого на фоне неба у горизонта и имеющего угловые размеры более 20 мин.

№22. Дальность видимости горизонта

Большое количество навигационных задач требуют определения дальности видимого горизонта. В случае отсутствии рефракции геометрическая дальность видимости горизонта определяется по формуле: Д0=3, 75vh

где До - измеряется в километрах; h - в метрах.

При положительной рефракции «края» горизонта кажутся «приподнятыми» и До увеличивается, а при отрицательной рефракции линия горизонта «опускается» и До уменьшается. Влияние рефракции на дальность линии горизонта невелико и обычно в практике не учитывается. Дальность видимости горизонта До можно определять в милях.

№23.Дальность видимости огней в сумерки и ночью

определяется освещенностью Е, которую огонь силой I создает на зрачке наблюдателя, находящегося на рас-стоянии l от огня при прозрачности атмосферы?

E= I l2?

Огонь виден, если Е Ео, где Ео - пороговая чувствительность глаза или минимальная освещенность, воспринимается глазом. Формула позволяет рассчитать дальность видимости огня l, если известны сила света I и коэффициент прозрачности т, либо определять коэффициент т (т.е. метеорологическую дальность видимости), если определить из наблюдений дальность открытия огня при известной его силе света I. По этим формулам вычислены таблицы и составлены номограммы. Таким образом, дальность видимости реальных объектов и огней в море ночью будет равна наименьшему значению одной из трех величин геометрической, оптической и метеорологической дальности видимости.

№24.Рефракция света и УКВ.

Реальная атмосфера оптически неоднородна как по горизонтали, так и по вертикали. Вследствие этого скорость распространения электромагнитных волн в атм. воздухе изменяется на пути распространения лучей и траектории их искривляются. Рефракцию испытывают как световые лучи, так и радиоволны. Причем последние (особенно ультракоротковолнового диапазона) в одних и тех же метеорологических условиях испытывают значительно большее искривление, чем световые лучи. Критерием оптической неоднородности атмосферы служит показатель преломления n=c/u

где с - скорость света в вакууме;

и - скорость распространения электромагнитных волн в реальной атмосфере.

Таким образом, показатель преломления больше единицы и отличается от нее в четвертом знаке после запятой. Например, для стандартной атмосферы (Р = 760 мм рт. ст.; t = +15°С; е = 10, 5гПа) п = 1, 000296.

Поскольку в практике оперировать семизначными числами неудобно, пользуются не показателем преломления, а индексом показателя преломления:

N=(n-1)*106

Для случая стандартной атмосферы N=296, т.е. является целым трехзначным числом.

Радиус кривизны лучей в оптическом или радиодиапазонах зависит от скорости изменения индекса показателя преломления с высотой, т.е. от вертикального градиента индекса показателя преломления dN/dh.

Например, для стандартной атмосферы вертикальные градиенты dN/dh имеют следующие значения: для оптического диапазона 0, 027 1/м. Для радиодиапазона - 0, 042 1/м. Таким значениям градиентов соответствуют радиусы кривизны лучей: светового около 40000 и радиолучей около 25000 км. Такая рефракция носит название нормальной (рис.2.6).

Отрицательная рефракция - явление редкое в атмосфере и наблюдается при резком падении температуры воздуха с высоты (например, при грозе). Отсутствие и пониженная рефракции наблюдаются при длительном движении влажного воздуха над водной поверхностью при малых скоростях ветра (1-5 м/с). В аналогичных условиях, но при более сильном ветре наблюдается нормальная и повышенная рефракция. Критическая и сверхрефракция имеют место при смещении сухого жаркого воздуха континентов на холодную океанскую поверхность. Например, у берегов Патагонии и др. местах МО.

Аномальная рефракция света может явиться причиной миража- явления, при котором видны, кроме истинных предметов, также их мнимые изображения, являющиеся результатом полного внутреннего отражения а атмосфере.

№26.Миражи.

Аномальная рефракция света может явиться причиной миража - явления, при котором видны, кроме истинных предметов, также их мнимые изображения являющиеся результатом полного внутреннего отражения в атмосфере. В зависимости от места расположения мнимых предметов миражи подразделяются на верхние, боковые и нижние. Причиной миражей являются необычно большие вертикальные (при верхнем и нижнем) и горизонтальные (при боковом мира-же) градиенты плотности в нижнем слое атмосферы.

Верхние и боковые миражи чаще наблюдаются в высоких широтах, где нередки случаи резкого падения плотности с высотой (особенно при темперных 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.