Поглощение и рассеяние света в атмосфере

Основные понятия

Взаимодействие солнечного излучения с атмосферой Земли определяет формирование климатических условий, видимое освещение и энергетический баланс планеты. Свет, проходящий через атмосферу, испытывает два основных процесса: поглощение и рассеяние. Эти процессы влияют на спектральный состав излучения, интенсивность солнечного света на поверхности Земли и распределение энергии внутри атмосферы.

Поглощение света

Механизм поглощения

Поглощение света происходит, когда фотон сталкивается с молекулой или частицей и передает ей свою энергию. Этот процесс зависит от длины волны излучения и химического состава атмосферы. Основные поглощающие компоненты:

  • Водяной пар (H₂O) — эффективно поглощает инфракрасное излучение, особенно в диапазоне 5–8 мкм и 12–18 мкм.
  • Озон (O₃) — поглощает ультрафиолетовое излучение в диапазоне 200–320 нм, защищая живые организмы от губительного воздействия UV.
  • Углекислый газ (CO₂) — поглощает в инфракрасной области (4,3 мкм и 15 мкм), играя ключевую роль в парниковом эффекте.
  • Кислород (O₂) — поглощает коротковолновое ультрафиолетовое излучение.
  • Аэрозоли и облака — частично поглощают видимый свет и инфракрасное излучение.

Закон Бугера–Ламберта–Бера

Интенсивность света, проходящего через слой атмосферы, уменьшается экспоненциально:

I = I0 ⋅ e−τλ

где I0 — начальная интенсивность излучения, I — интенсивность после прохождения слоя, τλ — оптическая толща, зависящая от концентрации поглощающих веществ и длины волны λ.

Оптическая толща является ключевой характеристикой прозрачности атмосферы. Высокие значения τλ соответствуют сильному поглощению, низкие — почти прозрачной атмосфере.

Рассеяние света

Механизмы рассеяния

Рассеяние света возникает, когда электромагнитная волна взаимодействует с частицами атмосферы, изменяя направление распространения фотонов. Основные типы рассеяния:

  1. Релеевское рассеяние

    • Возникает на молекулах воздуха (размеры частиц меньше длины волны света).
    • Интенсивность обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны: I ∼ 1/λ4.
    • Объясняет голубой цвет неба и красные закаты, так как короткие волны (синий) рассеиваются сильнее, а длинные (красный) проходят почти напрямую.

  2. Миелеровское рассеяние

    • Связано с частицами размером сопоставимым с длиной волны (пыль, аэрозоли, капли воды).
    • Менее зависимо от длины волны, что приводит к белесоватому оттенку облаков и тумана.

  3. Комбинированные эффекты

    • В атмосфере часто наблюдается сочетание релеевского и миелеровского рассеяния, формирующее сложные спектральные распределения света.

Коэффициенты рассеяния

Для количественной характеристики рассеяния вводятся коэффициенты:

σs = коэффициент рассеяния (м²/кг или м²/частицу)

Интенсивность рассеянного света:

Is = I0 ⋅ (1 − e−σs ⋅ n ⋅ l)

где n — концентрация частиц, l — путь прохождения света через атмосферу.

Влияние поглощения и рассеяния на климат и видимость

  1. Солнечная радиация на поверхности Земли

    • Поглощение в атмосфере уменьшает поток видимого и инфракрасного излучения, регулируя тепловой баланс планеты.
    • Рассеяние направляет часть солнечной энергии обратно в космос и создает диффузное освещение.

  2. Цвет неба и оптические явления

    • Релеевское рассеяние объясняет голубое небо днем и красные закаты.
    • Миелеровское рассеяние приводит к белесоватости облаков и тумана.

  3. Эффекты аэрозолей и загрязнений

    • Увеличение концентрации частиц усиливает миелеровское рассеяние, снижая видимость и изменяя спектральный состав света на поверхности.
    • Местные климатические эффекты: уменьшение температуры на поверхности из-за отражения солнечного излучения аэрозолями.

Математическое моделирование

Современные климатические модели используют уравнение переноса излучения:

$$ \frac{dI_\lambda}{ds} = -(\alpha_\lambda + \sigma_\lambda) I_\lambda + \sigma_\lambda \int I_\lambda(\Omega') P(\Omega' \rightarrow \Omega) d\Omega' $$

где:

  • Iλ — спектральная интенсивность,
  • αλ — коэффициент поглощения,
  • σλ — коэффициент рассеяния,
  • P(Ω′ → Ω) — функция фазового рассеяния.

Это уравнение описывает изменение света при прохождении через атмосферу с учетом поглощения и рассеяния. Решение позволяет прогнозировать как распределение солнечной радиации, так и спектральные характеристики дневного неба.

Спектральные особенности атмосферы

  • Ультрафиолет (100–400 нм): сильное поглощение озоном.
  • Видимый свет (400–700 нм): частичное рассеяние релеевское и миелеровское; большинство доходит до поверхности.
  • Инфракрасное излучение (700 нм–1 мм): поглощение H₂O, CO₂, CH₄; ключевая роль в парниковом эффекте.

Каждый спектральный диапазон определяет свою роль в климатической системе и фотосинтетической активности живых организмов.

Оглавление