Расширение и сужение горизонта

Температура воздуха в приземном слое, особенно в его нижней части, далеко не всегда падает с высотой. Она может уменьшаться с разной скоростью, она может не изменяться по высоте (изотермия) и может увеличиваться с высотой (инверсия). В зависимости от величины и знака градиента температуры рефракция может по-разному влиять на дальность видимого горизонта.

Попробуем разобраться в этом с помощью формулы (10.1). После дифференцирования (10.1) по z получим:

(10.8)

где γ = - dТ/dz - вертикальный градиент температуры в приземном слое; γ_α = 3,42° С/100 м - вертикальный градиент температуры в однородной атмосфере, в которой плотность воздуха с высотой не изменяется.

Рассмотрим, какой будет траектория луча АВ при разных градиентах температуры у поверхности Земли.

Случай 1. Вертикальный градиент температуры γ < λ_α, т. е. γ < 3,42° С/ 100 м. Рассмотрим такие условия,при которых γ положительный (0 < γ < γ_α), т. е. температура воздуха убывает с высотой. При этом условии в формуле (10.8) dn/dr < 0, т. е. показатель преломления с высотою убывает и траектория светового луча обращена к земной поверхности своей вогнутой стороной (на рис. 10.7 траектория АВ'). Такую рефракцию называют положительной. Самую дальнюю точку В' наблюдатель увидит в направлении последней касательной к траектории луча. Эта касательная, т. е. видимый за счет рефракции горизонт, составляет с математическим горизонтом НАН угол Δ, меньший угла d. Угол d - это угол между математическим и геометрическим горизонтом без рефракции. Таким образом, видимый горизонт поднялся на угол (d - Δ) и расширился, так как D > D₀. При нормальных температурных условиях расширение горизонта составляет 6 - 7%.

Пусть теперь условия таковы, что у постепенно уменьшается, т. е. температура с высотой убывает все медленнее и медленнее. Наступит момент, когда γ станет равным 0. Это так называемая изотермия - температура с высотой не изменяется. Далее γ становится отрицательным. Температура уже не убывает, а растет с высотой, т. е. наблюдается инверсия температуры. При описанном процессе - уменьшении у и его переходе через 0 - видимый горизонт будет подниматься выше и выше и наступит момент, когда Δ станет равным 0 (на рис. 10.7 кривая la). Видимый геодезический горизонт поднялся до математического. Земная поверхность как бы распрямилась, стала плоской! Геодезическая дальность видимости - бесконечно большая. Радиус кривизны луча стал равным радиусу земного шара.

При еще более сильной температурной инверсии Д становится отрицательным (кривая 16). Видимый горизонт поднялся выше математического. Наблюдателю в А будет казаться, что он находится на дне огромной котловины. Из-за горизонта поднимаются и становятся видимыми (как бы парят в воздухе) предметы, находящиеся далеко за геодезическим горизонтом (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Явление необычной рефракции в полярных странах

Приведем примеры таких ситуаций. С канадского берега Америки через пролив Смита иногда виден берег Гренландии со всеми строениями на нем. Расстояние до гренландского берега около 70 км, в то время как геодезическая дальность видимости, с учетом высоты строений, не более 20 км. Другой пример. С английской стороны пролива Па-де-Кале из Гастингса случалось видеть французский берег, лежащий через пролив на расстоянии около 75 км.

При наличии сильных температурных инверсий создаются условия для возникновения верхних миражей.

Случай 2. Вертикальный градиент температуры γ - γа, т. е. γ = 3,42° С/100 м. При этом dn/dz в (10.8) становится равным нулю. Рефракция отсутствует, так как плотность воздуха с высотою не изменяется (однородная атмосфера), при этом D = D₀.

Случай 3. Вертикальный градиент температуры γ > 3,42° С/100 м, поэтому dn/dz > 0, т. е. прказатель преломления и плотность воздуха с высотою увеличиваются. В этом случае траектория световых лучей обращена к земной поверхности своей выпуклой стороной. Такую рефракцию называют отрицательной (на рис. 10.7 кривая 3). Последняя точка на Земле, которую увидит наблюдатель в Л, будет В". Видимый горизонт АВ" сузился и опустился на угол (Δ - d).

Большие градиенты температуры создаются летом в дневные часы при сильном нагреве земной поверхности солнечными лучами, особенно в пустынях, в степях. Но большие градиенты могут возникнуть и в средних и даже в северных широтах в летние дни при солнечной погоде: над песчаными пляжами, над асфальтом, над обнаженной почвой. Такие условия являются благоприятными для возникновения нижних миражей.

Подведем итоги проделанного анализа и сформулируем следующее правило: если вдоль направления распространения светового луча в атмосфере плотность воздуха (а значит, и показатель преломления) изменяется, то световой луч будет изгибаться так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения плотности (и показателя преломления) воздуха.