Свет, проходя через атмосферу, претерпевает два основных процесса — поглощение и рассеяние. Эти явления обуславливаются наличием в атмосфере газов, аэрозолей, облаков и других примесей. Характер этих взаимодействий определяется длиной волны излучения, природой вещества, с которым оно взаимодействует, а также термодинамическими условиями среды.
Поглощение происходит при передаче энергии фотона молекуле или частице. В результате может происходить возбуждение молекул, ионизация, диссоциация или переход на более высокие энергетические уровни.
Рассеяние — это изменение направления распространения световой волны без изменения её частоты (в случае упругого рассеяния) или с изменением (в случае неупругого). Основные типы рассеяния в атмосфере: Рэлеевское, Ми-рассеяние и геометрическое (неоптическое).
Наиболее активно поглощают солнечное и инфракрасное излучение такие газы, как озон (O₃), водяной пар (H₂O), углекислый газ (CO₂), метан (CH₄) и окислы азота (NOₓ).
Каждому газу соответствует строго определённый спектр поглощения, обусловленный квантовыми переходами:
На больших высотах, особенно в ионосфере, происходит поглощение ультрафиолетового и рентгеновского излучения коротких длин волн за счёт возбуждения и ионизации атомов и ионов. Это приводит к формированию ионосферных слоёв D, E, F, что важно для радиосвязи и распространения радиоволн.
Рассматривается в условиях, когда размеры рассеивающих частиц значительно меньше длины волны падающего света (d ≪ λ). Интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны: I ∝ 1/λ⁴.
Именно по этой причине коротковолновое излучение (синий и фиолетовый свет) рассеивается сильнее, чем длинноволновое (красный). Это объясняет голубой цвет неба при ясной погоде и покраснение неба на закате и восходе, когда солнечные лучи проходят через более толстый слой атмосферы.
Происходит на частицах, размеры которых сопоставимы с длиной волны излучения. В отличие от рэлеевского, интенсивность Ми-рассеяния не столь чувствительна к длине волны, а распределение рассеянного излучения становится более направленным.
Ми-рассеяние характерно для аэрозолей, капель воды, частиц дыма, пыли и солей, присутствующих в атмосфере, особенно в тропосфере.
При размерах частиц существенно превышающих длину волны (например, капли дождя, снежинки) применимы законы геометрической оптики — отражение, преломление, дифракция. Возникают оптические явления: гало, короны, глории, радуга.
Многократное рассеяние особенно важно в облаках и густых аэрозольных слоях, когда фотон рассеивается более одного раза перед тем как выйти из слоя или быть поглощённым. Эти процессы сложны для моделирования, но играют решающую роль в радиационном балансе атмосферы.
Для количественного описания ослабления светового потока при прохождении через среду используется закон Бугера–Ламберта–Бера:
I = I₀ · e^(–τ),
где I — интенсивность света после прохождения, I₀ — начальная интенсивность, τ — оптическая толща, определяемая как интеграл от коэффициента экстинкции по пути распространения.
Оптическая толща включает вклад поглощения (α) и рассеяния (σ):
τ = ∫ (α + σ) dz.
Атмосфера не только поглощает и рассеивает излучение вниз, но и переизлучает и рассеивает его обратно в космос. Величина, характеризующая долю отражённого света от всей падающей энергии, называется альбедо атмосферы.
Для всей системы Земля–атмосфера планетарное альбедо составляет в среднем около 0,3, то есть 30% падающего солнечного излучения отражается обратно в космос.
Облака — мощный фактор поглощения и рассеяния. Водяные капли в облаках имеют высокое альбедо (до 0,8–0,9), отражают значительную часть коротковолнового излучения и одновременно эффективно поглощают инфракрасное излучение, влияя на тепловой баланс.
Аэрозоли могут как увеличивать рассеяние (например, морская соль, пыль), так и усиливать поглощение (например, чёрный углерод). Их распределение неравномерно как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к пространственно-временному изменению радиационного режима.
В спектре электромагнитного излучения существуют диапазоны, в которых атмосфера относительно прозрачна — так называемые атмосферные окна:
Между этими окнами расположены полосы сильного поглощения, определяемые активностью газов и водяного пара.
Суммарный эффект всех процессов взаимодействия излучения с атмосферой определяет радиационный баланс атмосферы, от которого напрямую зависят климат, температура поверхности и циркуляция воздуха.
Нарушение баланса за счёт изменения содержания аэрозолей, концентрации парниковых газов и облачного покрова приводит к глобальному изменению климата, проявляющемуся в виде повышения температуры, изменения осадков и увеличения частоты экстремальных погодных явлений.
Для изучения процессов поглощения и рассеяния применяются:
Вся совокупность данных используется для оценки радиационных форсировок, влияющих на климатические изменения.
Понимание процессов поглощения и рассеяния необходимо:
Эти процессы — фундаментальные для всей системы «Солнце–атмосфера–Земля» и критически важны для понимания эволюции атмосферы, климата и устойчивого развития.