Физические основы явления зари и её окраски
Заря — это оптическое явление, наблюдаемое перед восходом и после захода Солнца, связанное с рассеянием солнечного света в атмосфере при расположении Солнца ниже горизонта. В зависимости от положения центра солнечного диска относительно горизонта различают три фазы зари:
После достижения 18° под горизонтом влияние солнечного света на атмосферу практически исчезает, и наступает астрономическая ночь. При утренней заре — последовательность фаз обратная: сначала появляется астрономическая, затем навигационная, и наконец гражданская заря.
Ключевым физическим процессом, определяющим свечение зари, является рассеяние солнечного излучения в атмосфере. Оно возникает при взаимодействии света с молекулами и аэрозолями воздуха. Основные механизмы:
Рэлевеевское рассеяние имеет сильную зависимость от длины волны: интенсивность пропорциональна λ−4. Следовательно, коротковолновое излучение (синий, фиолетовый) рассеивается гораздо интенсивнее, чем длинноволновое (красный, оранжевый).
Когда Солнце находится ниже горизонта, его прямой свет не достигает наблюдателя, но верхние слои атмосферы продолжают освещаться. Прежде всего, в атмосферу проникают длинноволновые компоненты спектра — красный и оранжевый свет — потому что они меньше рассеиваются на молекулах воздуха. Напротив, коротковолновое излучение сильно рассеивается и рассеивается ещё до того, как достигнет высоких слоёв атмосферы, видимых наблюдателю.
Таким образом, красноватые и пурпурные оттенки зари объясняются преобладанием в рассеянном свете длинноволновых компонент спектра.
В нижних слоях атмосферы, особенно вблизи горизонта, значительную роль играют аэрозоли, пыль, капли воды, частицы дыма и загрязнений. Эти включения усиливают Ми-рассеяние, что также способствует усилению желтоватых и оранжевых оттенков.
Визуально заря охватывает значительную часть неба, но максимальная яркость наблюдается в направлении, противоположном Солнцу (при вечерней заре — на западе, при утренней — на востоке). Геометрически верхняя граница зари может достигать высот до 200–300 км, особенно при наличии ионосферных процессов и ночного светоизлучения.
Оттенки цвета зари изменяются с высотой:
Продолжительность зари зависит от широты местности и времени года. Вблизи экватора заря длится короткое время — 10–20 минут для каждой фазы, тогда как в умеренных и высоких широтах — особенно летом — заря может продолжаться несколько часов, а за полярным кругом в определённое время года она может вообще не прекращаться: наблюдается явление белых ночей.
Интенсивность зари также варьируется. Она зависит от:
В период зари возможно наблюдение множества оптических явлений:
Существенную роль в формировании зари играет рефракция — преломление света в неоднородной атмосфере. Благодаря рефракции солнечные лучи, идущие по касательной к поверхности Земли, могут огибать кривизну планеты и достигать наблюдателя даже тогда, когда геометрически Солнце находится уже (или ещё) ниже горизонта. Это объясняет, почему заря начинается до фактического появления солнечного диска и продолжается после его исчезновения.
Окраска зари служит индикатором состояния атмосферы. Например:
Таким образом, наблюдение окраски зари предоставляет не только эстетическое, но и научное значение, позволяя судить об оптических свойствах атмосферы и динамике её состояния.
Спектральный анализ зари показывает, что в заревом освещении доминируют длинноволновые компоненты, однако в зависимости от высоты и направления наблюдения в спектре можно различить:
Поскольку фазы зари определяются по положению Солнца относительно горизонта, их можно точно вычислить на основе астрономических данных:
Эти расчёты имеют важное значение не только в метеорологии и астрономии, но и в практике авиации, морской навигации и ритуально-календарных системах многих культур.