Распределение яркости по безоблачному небу

Рассмотрим распределение яркости по ясному небу. Оно характеризуется индикатрисой рассеяния, создаваемой всей толщей воздуха, т. е. всей атмосферой. Общая индикатриса рассеяния должна как бы просуммировать в каждом направлении свет за счет молекулярного рассеяния и рассеяния на крупных частицах разных размеров. Такую общую индикатрису называют абсолютной индикатрисой рассеяния, рассчитанной на всю высоту атмосферы, или индикатрисой яркости. Ее вид определяет характер распределения яркости по небосводу. До сих пор мы говорили главным образом об однократно рассеянном свете. В действительности в атмосфере свет, один раз рассеянный, может рассеиваться во второй, в третий раз и т. д. Иными словами, свет испытывает многократное рассеяние в атмосфере, и все компоненты многократного рассеяния также участвуют в создании яркости неба. Увеличивает яркость неба и земная поверхность: отражая часть упавшего на нее солнечного и рассеянного света, она направляет его снова в атмосферу, где он принимает участие в повторном рассеянии.

Итак, полная яркость неба В в любом направлении складывается из трех компонент

(3.1)

где В₁ - яркость за счет первичного рассеяния, - яркость за счет многократного рассеяния и В_А - яркость, создаваемая светом, отраженным от земной поверхности. Каково соотношение этих компонент?

При высокой прозрачности атмосферы и малом альбедо, т. е. малой отражательной способности подстилающей поверхности основную роль в создании яркости неба играет рассеяние первого порядка. При коэффициенте прозрачности атмосферы более 0,85 вклад вторичного рассеяния в яркость неба вдали от горизонта составляет всего несколько процентов.

При увеличении мутности атмосферы существенно возрастает роль многократного рассеяния. При коэффициенте прозрачности 0,6 - 0,7 вклад вторичного рассеяния уже превышает 50%. Это в видимой области спектра. В ультрафиолетовой области, для лучей которой даже при самой высокой прозрачности атмосферы коэффициент прозрачности не превышает 0,2, многократное рассеяние всегда вносит основной вклад в создание яркости неба.

Заметную роль в увеличении яркости неба начинает играть свет, отраженный от земной поверхности, если ее альбедо велико, например, в случае, когда она покрыта снегом.

Над открытыми водными поверхностями в полярных районах небо заметно темнее, чем над снежными или ледяными. По измерениям около о. Шпицберген средняя яркость "водяного" неба при слоистых формах облаков составляет около 40 - 44% яркости "снежного" неба. Яркость безоблачного "водяного" неба и того меньше: при высоте Солнца 30° она составляет только 20% яркости "снежного" неба.

Измеряя высоту границы на небосводе между "снежным" и "водяным" небом, можно определять расстояние по суше до открытой воды или снежной поверхности. Таким методом пользуются в арктических районах; он дает ошибку не более 10%.

На яркость небосвода, кроме степени замутнения атмосферы и альбедо Земли, большое влияние оказывает высота Солнца. Отметим лишь некоторые особенности распределения яркости, которые постоянно имеют место при любом положении Солнца на небосводе и всех состояниях атмосферы.