Ослабление света атмосферой
При обнаружении объекта существенное значение имеет ослабление света атмосферой. Луч света, проходя через атмосферу, частично рассеивается молекулами воздуха. Ослабление света атмосферой, вызываемое молекулярным рассеянием, незначительно. Оно составляет ~ 1,3% на 1км. Основной вклад в рассеяние света вносят мелкие частицы, находящиеся в нижних слоях атмосферы. В воздухе находятся пары воды, капли воды различных размеров, кристаллы льда и частицы пыли. Значительное скопление капелек воды в атмосфере образует дымку, туман и облака. Мельчайшие капли воды, а также частицы мелкой пыли имеют настолько малый вес, что находятся в атмосфере во взвешенном состоянии, не опускаясь на землю. Диаметр таких частиц составляет примерно 0,01–10 мкм. Более крупные капли воды и пыли диаметром 10 –100 мкм оседают на землю, но весьма медленно и восходящими потоками воздуха часто вновь поднимаются вверх. Диаметр капель моросящего дождя составляет 100–500 мкм, а крупного дождя — 0,5—5 мм. Капли дождя и кристаллы льда почти полностью рассеивают, а частицы пыли отчасти рассеивают и отчасти поглощают падающий на них свет.
Рассеиванием называется изменение прямолинейного направления лучей, обусловленное преломлением их в небольших частицах, находящихся в атмосфере.
Световой поток, проходя атмосферу, ослабляется в результате рассеивания и поглощения. Для практических расчетов удобно пользоваться коэффициентом пропускания . Коэффициент пропускания атмосферы для оптически однородного слоя, толщина которого равна единице длины, носит название удельной прозрачности атмосферы . За единицу длины при хорошей видимости обычно принимают километр, а при плохой видимости (тумане) – метр.
Зная удельную прозрачность атмосферы и толщину слоя атмосферы (км), можно определить общий коэффициент пропускания: . (1)
Для ряда теоретических и практических расчетов удобно вместо удельной прозрачности атмосферы пользоваться десятичным показателем ослабления или натуральным показателем ослабления. Десятичный показатель ослабления представляет собой десятичный логарифм удельной прозрачности атмосферы со знаком минус:
(2)
Аналогично определяется и натуральный показатель ослабления: (3)
откуда . (4)
Используя закон Бугера, можно написать:
. (5)
Большое значение имеет определение ослабления атмосферой светового потока разной длины волны –. Из литературы известно, что пропускание атмосферой светового потока определенной длины волны зависит от количества и размеров капель воды в единице объема воздуха.
Если размеры этих частиц меньше длины волны световых лучей (380–760 нм), то в атмосфере происходит более интенсивное рассеивание света с короткими длинами волн, а свет с более длинными волнами например, инфракрасного диапазона, лучше проходит через атмосферу. В совершенно прозрачной атмосфере спектральный десятичный показатель ослабления обратно пропорционален четвертой степени длины волны:
(6)
где С – постоянная величина.
При слабой дымке и хорошей видимости можно принять
(7)
В этом случае атмосфера пропускает длинноволновые лучи лучше, чем коротковолновые. Однако в тумане, в котором превалируют капельки воды размерами больше длины волны видимого диапазона спектра, световой поток рассеивается селективно.
Можно считать, что при сильной дымке и тумане спектральный десятичный показатель ослабления обратно пропорционален длине волны:
(8)
Несколько лучшее пропускание сквозь атмосферу длинноволнового участка видимого спектра имеет место при дымке, но не при тумане.