Рефракция - Definition. Was ist Рефракция

Рефракция

Рефракция - преломление лучей света в земной атмосфере. Если быатмосфера была однородна, то лучи света, преломившись на ее пределе,распространялись бы далее прямолинейно. На самом деле плотность воздухаот границы атмосферы до поверхности земли постепенно увеличивается, лучисвета преломляются непрерывно, и их пути представляют кривые,вогнутостью обращенные к земле. Наблюдатель видит звезду по направлениюкасательной к траектории луча, поэтому Р. изменяет видимое положениевсех светил на небесном своде, и все астрономические наблюдения должныбыть исправлены за Р. Так как с достаточной точностью землю можносчитать шаром, а атмосферу - состоящей из множества концентрическихшаровых слоев, плотность которых непрерывно изменяется, то путь луча -кривая плоская, и рефракция влияет только на высоту светила, "подымает"его, и нисколько не изменяет азимута. К видимому зенитному расстояниюнужно прибавлять влияние рефракции, чтобы получить истинное зенитноерасстояние. Величина Р. меняется с зенитным расстоянием. В зените, гделучи проходят перпендикулярно к слоям атмосферы, Р. равна нулю, навысоте 45° около 1ў, наибольшая (около 37ў) в горизонте. Точноевычисление Р. зависит от закона распределения плотностей в атмосфере.Если бы температура всех слоев воздуха была одинакова, то плотности былибы пропорциональны давлениям, и Р. вычислялась бы очень просто. Нотемпература воздуха уменьшается с высотой, по закону, который ещенеизвестен, почему и закон распределения плотностей остается тоженеизвестным, а теорию Р. приходится основывать на различных гипотезах остроении атмосферы, выбранных так, чтобы вычисленная Р. возможно хорошосогласовалась с наблюденной. Приближенно Р. может считатьсяпропорциональной тангенсу зенитного расстояния (tg), точнее онавыразится рядом членов с нечетными степенями tg, причем первые два членаобщи для всех теорий, т. е. не зависят от распределения температур."Постоянной" (величиной) рефракции называется коэффициент у первогочлена. Кроме строения атмосферы, Р. зависит от абсолютной величиныплотности воздуха, т. е. изменяется с давлением и температурой; поэтомудля вычисления Р. необходимо записывать при наблюдениях показаниябарометра и термометра. Р. для нормальных показаний барометра (760 мм.)и термометра (410° Ц.) называется средней Р. Из наблюдений величина Р.может быть определена измерением высот околополярной звезды в двухкульминациях. Современные работы по определению Р. состоят, как и дляопределения других астрономических постоянных, в том, что к принятойвеличине Р. ищут поправку, которая приводила бы весь наблюдательныйматериал в наилучшее согласие. Бессель в своей теории, которая снекоторыми изменениями может считаться наилучшей, представил Р.формулой: r = tga(BT)Agl где В зависит от показания барометра. Т -термометра при барометре, g - температуры воздуха, a медленно изменяетсяс зенитным расстоянием, А и l - величины, близкие к единице и отличаютсячувствительно от нее только при больших зенитных расстояниях Все этивеличины даются в таблицах по аргументу z (зенитное расстояние). ВПулковских таблицах ("Tabulae refractionum in usum speculae pulcovensiscongestae", 1870), в основание которых взята теория Гюльдена, значениеtga дается через минуту дуги; g - для каждой десятой доли градуса R, В -для каждой десятой доли английской полулинии. Несомненно, чтораспределение плотностей воздуха не может подойти ни под какой общийзакон, - местные уклонения вследствие ветра, влажности и т. д. достигаютзначительных размеров. Р. не может никогда быть строго вычислена, ошибкаее в среднем достигает 2 - 3%; никакая теория, никакое искусствонаблюдений не может тут помочь и ошибка может быть исключена только всреднем из многочисленных наблюдений, Особенно плохо поддаетсявычислению Р. у горизонта, поэтому астрономы редко наблюдают светиланиже 10 - 15° высоты над горизонтом. Вследствие Р. светила восходятраньше и заходят позже, чем это происходило бы при отсутствии атмосферы.Диски солнца и луны у горизонта кажутся сплющенными: разность Р. у двухкраев достигает 6ў. Горизонтальная Р. подвержена большим аномалиямособенно в холодных странах. Как пример этого можно упомянуть наблюдетеБарентца. (голландская экспедиция, зимовавшая в 1597 г. на Новой Землепод 76° северной широты), Он увидел после полярной ночи солнце уже 24января, т. е. на 17 дней раньше, чем ожидал, - Р. достигала 4°. Помимонеполной шарообразности земли, слои воздуха равной плотности не всегдарасположены параллельно поверхности земли; вследствие этого происходиттак наз. боковая Р. - изменение азимута. До сих пор, однако, ее влияниенедоступно вычислению. Вследствие светорассеяния, которое сопровождаетпреломление, светила, находящиеся очень низко над горизонтом, дают взрительных трубах спектральное изображение: видны не точки, а маленькиеспектры обращенные красными концами вниз. Указания на Р. встречаются начиная с первого века по Р. Хр. Клеомедприводит преломление лучей в атмосфере для объяснения затмения луны,когда и луна, и солнце были выше горизонта. Птолемей в своей "Оптике"говорит, что все звезды вследствие преломления поднимаются к зениту.Sextos Empiricus, возражая астрологам, упоминает о влиянии Р. на восходсветил. Наблюдения того времени были, однако, еще слишком грубы, чтобывыводить Р. непосредственно из них. Вальтер первый, в XV стол., сталисправлять наблюдения за Р. - Тихо де Браге построил таблицы P.,сравнивая наблюденные зенитные расстояния с вычисленными. Принимаяошибочно для солнца параллакс (который опускает светила) равным 3', онвынужден был для солнца составить особую таблицу с большей Р., чем длязвезд. Кеплер опроверг эту ошибку и показал, что все светила одинаковоподвергаются Р. Не зная еще истинного закона преломления света, онпостроил, однако, довольно точные таблицы Р. После открытия Снеллиемзаконов преломления первая таблица, вычисленная теоретически,принадлежит Кассини; она была превосходна для своего времени. Пикарзаметил зависимость Р. от температуры, Брадлей зависимость ее отбарометрического давления. Теоретические исследования Ньютона, Эйлера,Ориани, Бернулли сводились к тому, чтобы на основании законов Снеллия игипотетического строения атмосферы определить геометрический характерпути луча (Solaire - как назвал эту линию Буте). Полное развитие теорияР. получила только с работами Крампа ("Analyse des refractions" 1799) иЛапласа ("Mecanique celeste"), где впервые даны методы вычисленияинтегралов, встретившихся в этой теории. Бессель изложил свою теорию идал таблицы Р. в "Fundamenta astronomiae". Из других работ следуетназвать Айвори, Лёббока, Шмидта; из позднейших Гюльдена ("Untersuchungenuber die Constitution der Atmosphare und die Strahlenbrechung inderselben", СПб., 1866 - 68), Радо ("Recherches sur la theorie desrefractions", П., 1882), М. Ковальский ("Recherches sur la refractionastronomique", Казань, 1878). Полный исторический обзор и изложение всехтеорий до 1861 г. сделан у Брунса: "Die Astronomische Strahlenbrechungin ihrer historischen Entwickelung". В XVI стол. Пикар первый показал, что при геодезических работахзенитные расстояния земных предметов необходимо исправлять запреломление. Такие уклонения лучей света называются земной Р., в отличиеот астрономической, когда лучи света пронизывают всю толщу атмосферы.Земная Р. очень мало поддается вычислению, так как плотности нижнихслоев воздуха более всего подвержены аномалиям. Обыкновенно принимаютпуть луча между двумя точками за круговую линию, а Р. - пропорциональнойрасстоянию. Коэффициент земной Р. (отношение ее величины к половине угламежду отвесными линиями в обоих пунктах) по различным определениям, взависимости от условий почвы, высоты над поверхностью земли, временидня, влажности и т. д., колеблется от 0,12 до 0,20. Наибольшая земная Р.наблюдается при рассвете (minimum температуры), когда удаленные предметыкажутся как бы висящими в воздухе. Этим временем пользуются дляразыскивания в трубу далеких тригонометрических сигналов. В. С.

РЕФРАКЦИЯ

и, мн. нет, ж.

1. физ. Искривление направления распространения световых, звуковых и радиоволн из-за не-однородности среды.||Ср. АБЕРРАЦИЯ, ДИСПЕРСИЯ, ДИФРАКЦИЯ.

2. астр. Преломление лучей в земной атмосфере, вследствие чего светила кажутся немного выше своего действительного положения, а Солнце и Луна - сплюснутыми у горизонта. Реф-ракционный - относящийся к рефракции.

Рефракция

I Рефра́кция

света в атмосфере [позднелат. refractio - преломление, от лат. refractus - преломленный (refringo - ломаю, преломляю)], атмосферно-оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов, а иногда и в кажущемся изменении их формы. Некоторые частные проявления Р., как, например, сплюснутая форма дисков Солнца и Луны у горизонта, мерцание звёзд, дрожание далёких земных предметов в жаркий день, были замечены уже в древности. К. Птолемею (См. Птолемей) (2 в. н. э.) был известен также и основной эффект Р., состоящий в том, что небесные светила видны несколько выше их действительного положений. Первую таблицу Р. составил Тихо Браге в 16 в.; попытки построить теорию Р. предпринимались И. Кеплером (1604), но лишь И. Ньютон в 1694 разработал строгую теорию Р.

Вследствие того, что атмосфера является средой оптически неоднородной, лучи света распространяются в ней не прямолинейно, а по некоторой кривой линии. Наблюдатель видит, т. о., объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения. Различают астрономическую Р. - явление преломления лучей, идущих от небесного светила к наблюдателю, и геодезическую (земную) Р. - явление преломления лучей, идущих от предметов, находящихся в атмосфере (см. Рефракция геодезическая).

В случае астрономической рефракции, когда луч, идущий от светила, проходит через всю толщу атмосферы, в которой плотность воздуха, а вместе с ней и показатель преломления в общем увеличивается на пути луча, его траектория всегда обращена выпуклостью к зениту (см. рис.); касательная AS' к ней проходит выше направления AS к действительному месту светила. Разность между истинным z и измененным рефракцией z' зенитными расстояниями называется углом рефракции r, или просто рефракцией. Р. равна нулю в зените и возрастает с увеличением зенитного расстояния. Простейшая теория, в которой не учитывается кривизна слоев атмосферы равной плотности, приводит к формуле:

где коэффициент 60,2'' называется постоянной Р.; В - атмосферное давление (в мм ртутного столба), t - температура воздуха (°С). Формулой можно пользоваться для светил с z < 70°. При точных расчётах принимают во внимание влияние на величину Р. не только температуры, давления, но и влажности воздуха, а также других метеорологических элементов нижнего слоя воздуха, для чего служат специальные таблицы.

Точные теории Р., принимающие в расчёт сферичность Земли и атмосферных слоев, приводят к значениям Р. у горизонта, превышающим 35' (см. табл.).

Астрономическая рефракция при температуре воздуха + 10°С и атмосферном давлении 760 мм. рт. см.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 0° | 0' 0" | 72° | 2' 57" |

| 10 | 0 10 | 74 | 3 20 |

| 20 | 0 21 | 76 | 3 49 |

| 30 | 0 34 | 78 | 4 27 |

| 35 | 0 41 | 80 | 5 18 |

| 40 | 0 49 | 81 | 5 52 |

| 45 | 0 58 | 82 | 6 33 |

| 50 | 1 09 | 83 | 7 24 |

| 55 | 1 23 | 84 | 8 28 |

| 60 | 1 41 | 85 | 9 52 |

| 62 | 1 49 | 86 | 11 45 |

| 64 | 1 59 | 87 | 14 22 |

| 66 | 2 10 | 88 | 18 18 |

| 68 | 2 23 | 89 | 24 37 |

| 70 | 2 38 | 90 | 35 24 |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

У самого горизонта Р. r растет с увеличением z столь быстро, что нижний край дисков Солнца и Луны бывает приподнят на несколько минут дуги больше, чем верхний, и диск приобретает сплюснутую форму. Вследствие Р. всякое светило, в том числе Солнце, появляется над горизонтом ещё до истинного восхода и остаётся видимым некоторое время после истинного захода. Быстрые турбулентные перемещения масс воздуха различной плотности порождают непрерывные колебания величины Р., вследствие чего изображения звёзд в телескопах дрожат или превращаются в размытое бурлящее световое пятно; для невооружённого глаза это воспринимается как мерцание звёзд. Это сильно затрудняет наблюдения небесных светил и заставляет выбирать для астрономических обсерваторий пункты с подходящими атмосферными условиями.

Вследствие различия Р. для лучей с разной длиной волны, особенно большого вблизи горизонта, у диска восходящего или заходящего Солнца может наблюдаться цветная кайма (сверху сине-зелёная, снизу красная), а также явление зелёного луча; звёзды же растягиваются в вертикальный спектр до 40" длиной. Для относительно близких небесных тел (Луны, искусственных спутников Земли) величина угла Р. отличается от вычисленного для звёзд, находящихся на том же зенитном расстоянии; этот эффект называется рефракционным параллаксом.

Явление Р. осложняется наклоном слоев воздуха одинаковой плотности к горизонту, что вызывает боковую Р., при которой объект смещается не только по высоте, но и по азимуту, хотя и незначительно. Знание Р. имеет важное значение в астрометрии, так как положения небесных светил, определяемые из астрономических наблюдений, всегда бывают искажены преломлением в атмосфере, что требует введения соответствующих поправок.

Из др. астрономических явлений, связанных с Р., представляет интерес освещение диска Луны красноватым светом во время полных лунных затмений. Такое освещение создаётся солнечными лучами, проходящими нижние слои воздуха насквозь и вследствие этого испытывающими двойную Р., что даёт угол отклонения до 70' и обеспечивает освещение всего сечения конуса земной тени на расстоянии Луны. Р. в атмосферах других планет наблюдаются при покрытиях звёзд диском планеты; звезда при этом кажется несколько смещенной. Эффектная форма Р. наблюдается в атмосфере планеты Венеры при прохождениях её перед солнечным диском, когда преломленные солнечные лучи образуют огненный ободок вокруг части диска планеты, находящейся вне Солнца. Это явление впервые описано М. В. Ломоносовым в 1761.

Р. испытывают также и радиоволны при прохождении через слои атмосферы с различными диэлектрическими проницаемостями или с различной степенью ионизации. Р. радиоволн в ионосфере является причиной распространения коротких волн на большие расстояния (см. Радиоастрономия).

Лит.: Казаков С. А., Курс сферической астрономии, 2 изд., М. - Л., 1940; Блажко С. Н., Курс сферической астрономии, М. - Л., 1948; Загребин Д. В., Введение в астрометрию, М. - Л., 1966.

Рис. к ст. Рефракция.

II Рефра́кция

геодезическая, собирательный термин, которым иногда объединяют различные виды и проявления Р. электромагнитных волн, обусловленные искривлением траектории распространения этих волн и сопутствующие всевозможным геодезическим измерениям. При этом объект наблюдения (источник наблюдаемых электромагнитных колебаний) находится в пределах земной атмосферы, тогда как в случае астрономической Р. (см. Рефракция света в атмосфере) расположен за пределами земной атмосферы и даже на бесконечно большом расстоянии по сравнению с радиусом земного шара.

Различают Р. световых волн, включая в неё и Р. лучей невидимой (инфракрасной) части спектра, и Р. радиоволн, так как искривление лучей тех и других волн зависит от показателя их преломления n на пути их распространения в атмосфере, причём сам показатель преломления является функцией длины волны.

Из-за неоднородности строения земной атмосферы, в которой показатель преломления в различных точках пространства различен и меняется во времени, луч электромагнитной волны является пространственной кривой с переменной кривизной и кручением. Проекция этой кривой на вертикальную и горизонтальную плоскости в точке наблюдения приводит к так называемой вертикальной Р. и горизонтальной (боковой) Р. Первая проявляется при различных видах нивелирования: тригонометрическом (земная Р.), геометрическом (нивелирная Р.); при аэрофотосъёмке (фотограмметрическая Р.), при наблюдениях ИСЗ (спутниковая Р.). Боковая Р. на один-два порядка меньше, чем вертикальная, и сопутствует всем видам Р.; она непосредственно влияет на результаты измерения горизонтальных углов и триангуляции, полигонометрии и астрономических наблюдений азимутов.

Зная показатель преломления атмосферы вдоль траектории распространения электромагнитных колебаний и вблизи неё, а также взаимное расположение источника и приёмника (наблюдателя) этих колебаний, можно составить уравнение луча и определить влияние Р. на различные виды наблюдений. Однако незнание прежде всего точного показателя преломления n атмосферы в моменты наблюдений (так как он находится в сложной зависимости от температуры, давления и влажности атмосферы, а также и от физико-географических условий, топографии местности, характера подстилающего покрова) не позволяет определить точную величину Р. упомянутым прямым методом. Обычно в геодезии используют различные косвенные (метеорологические, геодезические, статистические и др.) способы определения Р. и ослабления её действия на отдельные виды геодезических измерений. Разрабатываются инструментальные методы определения Р., предусматривающие непосредственное определение фактического интегрального показателя преломления воздуха на пути распространения электромагнитных волн или измерение угла Р. при помощи соответствующих измерительных устройств.

Лит.: Изотов А. А., Пеллинен Л. П., Исследования земной рефракции и методов геодезического нивелирования, М., 1955; Островский А. Л., О геодезическом методе определения физических редукций светодальномерных измерений, "Геодезия, картография и аэрофотосъёмка", 1970, в. 12.

Г. А. Мещеряков.

III Рефра́кция

звука, искривление звуковых лучей в неоднородной среде (атмосфера, океан), скорость звука в которой зависит от координат. Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и Р. выражена тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.

Р. звука в атмосфере обусловлена пространственными изменениями температуры воздуха, скорости и направления ветра. С высотой температура обычно понижается (до высот 15-20 км) и скорость звука уменьшается, поэтому лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху и звук, начиная с некоторого расстояния, перестаёт быть слышен (рис. 1, а). Если же температура воздуха с высотой увеличивается (температурная инверсия, часто возникающая ночью), то лучи загибаются книзу и звук распространяется на большие расстояния (рис. 1, б). При распространении звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру - к земной поверхности, что существенно улучшает слышимость звука во втором случае (рис. 2). Р. звука в верхних слоях атмосферы может привести к образованию зон молчания (См. Зона молчания) и зон аномальной слышимости.

Р. звука в океане связана с пространственными изменениями температуры, солёности и гидростатического давления. Р. в океане обусловливает сверхдальнее распространение звука, образование зон тени, фокусировку звука и ряд других особенностей распространения звука (см. Гидроакустика).

Лит.: Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960, гл. 6, §3, гл. 7; Физические основы подводной акустики, пер. с англ., под ред. В. И. Мясищева, М., 1955, гл. 3.

Рис. 1, а - ход звуковых лучей при убывании температуры с высотой; б - ход звуковых лучей при возрастании температуры с высотой.

Рис. 2. Влияние ветра на ход звуковых лучей.

IV Рефра́кция

света, в широком смысле - то же, что и Преломление света, т. е. изменение направления световых лучей при изменении преломления показателя (См. Преломления показатель) (ПП) среды, через которую эти лучи проходят. В силу исторической традиции термином "Р. света" чаще пользуются, характеризуя распространение оптического излучения (См. Оптическое излучение) в средах с плавно меняющимся от точки к точке ПП (траектории лучей света в таких средах - плавно искривляющиеся линии), а термином "преломление" чаще называется резкое изменение направления лучей на границе раздела двух однородных сред с разными ПП. В ряде разделов оптики традиционно используют именно термин "Р.". К ним относятся Атмосферная оптика, очковая оптика, оптика глаза и т.д. Р. глаза - характеристика глаза как оптической системы; Оптическая сила глаза при покое аккомодации (См. Аккомодация). Основные преломляющие элементы - роговая оболочка и хрусталик, оптическая сила которых варьирует от 52,59 до 71,30 диоптрии (См. Диоптрия), составляя в среднем 59,92 диоптрии. Если оптическая сила глаза и его размеры соответствуют друг другу (нормальная Р., или эмметропия), параллельные лучи света, проникающие в глаз, фокусируются в центре сетчатки - в области жёлтого пятна; в этом случае на сетчатке получается чёткое изображение рассматриваемого предмета - обязательное условие хорошего зрения (См. Зрение). При нарушениях Р. возникают Близорукость или Дальнозоркость. Р. глаза изменяется с возрастом: она меньше нормальной у новорождённых, в пожилом возрасте может снова уменьшаться (так называемая старческая дальнозоркость). Лечение аномалий Р. медикаментозными средствами невозможно; при её нарушениях применяется коррекция зрения оптическими линзами (подбор очков).

Was (wer) ist Рефракция - definition

Wikipedia