Фотометрия метеорологическая

(в приложении к метеорологии). — В статье о световых явлениях в атмосфере (см. Световые явления) было уже указано, что видимый нами цвет неба — результат рассеивания световых лучей чрезвычайно мелкими, твердыми или жидкими, частицами, постоянно плавающими в воздухе. Рассеивая в разных точках небосклона различные количества световых лучей, эти взвешенные в воздухе частицы заставляют изменяться от точки к точке не только окраску, но и общую яркость освещения разных частей небесного свода. Без этого явления рассеивания света взвешенными в воздухе частицами небесный свод казался бы наблюдателю совершенно неосвещенным, черным. Это действительно и подтверждается восхождениями на высокие горы или поднятиями на значительные высоты на аэростатах. Взвешенные в воздухе частицы, поднимаясь с поверхности земли или океанов, держатся преимущественно в нижних слоях воздуха; с поднятием вверх количество их в воздухе быстро убывает; уменьшается, вместе с тем, и количество света, рассеиваемого небесным сводом; этот последний темнеет по мере поднятия и, наконец, при достаточных высотах делается совершенно черным. Светлота и окраска небесного свода, как следствие рассеивания света взвешенными в воздухе частицами, будут прежде всего зависеть от освещающего источника (солнца или луны) и от его положения, т. е. от географического положения места наблюдения, времени года и часа дня, а затем и от количества взвешенных в воздухе частиц, вызывающих это рассеивание света. Но вместе с увеличением количества взвешенных в воздухе частиц меняется не только его светорассеивающая способность, но меняется также и его способность пропускать световые лучи, т. е. его прозрачность. Поэтому вопросы о светлоте и окраске небесного свода неразрывно связаны с вопросом о прозрачности воздуха. Одним из первых в изучении прозрачности воздуха был Соссюр, построением своего диафанометра давший впервые метод для ее количественной оценки. Его диафанометр состоял из двух кружков различных диаметров; удалением от них определялось то расстояние, на котором наблюдатель переставал различать изображенные на белом фоне кружков знаки. Метод Соссюра, однако, даже после усовершенствований, сделанных в нем Шлагинтвейтом, не удержался; оказалось более надежным и простым прибегнуть к посредству фотометров. Ричи, применивший первым на практике фотометренный метод к измерению прозрачности воздуха, пользовался простым способом уменьшения отверстия объектива в двух совершенно одинаковых трубах, при помощи которых наблюдалось освещение двух, одинаково установленных на различных расстояниях кружков; зная отношение отверстий обеих труб при равенстве видимого в них освещения кружков и взаимное расстояние этих последних, можно было отсюда определить ослабление света, прошедшего от более удаленного из них лишний столб воздуха, равный измеренному расстоянию между кружками. Подобный же прием применяли де ла Рив и Вильд. Вильд пользовался своим поляризационным фотометром для наблюдения двух пучков света, идущих от одного и того же бумажного кружка, освещаемого дневным светом; идущие от кружка световые пучки пропускались через две трубы: одну с исследуемым, другую с разреженным и лишенным — насколько то было возможно — всяких примесей воздухом. Измеряя количество света в обоих пучках, можно было определить ослабление его в том пучке, который проходил через исследуемый воздух. Главнейшие результаты подобных измерений показывают, что обыкновенный воздух обладает очень большой степенью прозрачности; величина коэффициента прозрачности, т. е. количества достигающих до наблюдателя лучей от источника, яркость которого принята за единицу, после прохождения через слой воздуха в единицу длины (1 метр при давлении в 760 мм) равняется для белого света, по Вильду:

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

| в сухом, совершенно лишенном пыли воздухе                                       | 0,99718             |

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

| в сухом комнатном воздухе, не очищенном от пыли                              | 0,99520             |

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

| в насыщенном водяными парами и лишенном пыли воздухе                  | 0,99388             |

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

Коэффициент прозрачности воздуха будет, конечно, как то подтвердили наблюдения Вильда, неодинаковым для лучей различной длины волны. На прозрачность воздуха влияют многие обстоятельства, зависящие от чисто местных условий: так, уже давно из наблюдений путешественников известно, что в странах тропических и притропических прозрачность воздуха для световых лучей больше, чем в средних широтах; в полярных странах, напротив, воздух обладает необычайной прозрачностью для звуковых волн. Известны также факты, что в Персии, напр., ночью можно прочесть благодаря свету звезд достаточно четкую печать — так велика там прозрачность воздуха. Гумбольдт упоминает, что в Квито (под экватором, на высоте 2750 м) он мог на расстоянии 9 км различить фигуру своего спутника, одетого в белое платье, проектирующуюся на темный фон базальтовых скал. Пыль и различные другие примеси чрезвычайно сильно уменьшают прозрачность воздуха; по расчетам Глана, в Берлине даже под вечер, когда отсутствуют дым и копоть, выбрасываемые домовыми и фабричными трубами, до поверхности земли доходят только 3/5 того освещения, которое получилось бы при отсутствии дымной и пыльной городской атмосферы на поверхности, перпендикулярной к падающим лучам. Наоборот, обилие водяных паров повышает прозрачность воздуха, заставляя оседать пыль вместе с конденсировавшимися на ней капельками воды; но это продолжается до известного предела: как только капельки воды, оседающие на пылинках из насыщающих воздух паров, достигнут заметных размеров, воздух начинает мутнеть и наступает явление тумана (см.). Наибольшей прозрачностью воздух обладает при восходящих токах в атмосфере, особенно зимой: фён и ему подобные теплые, сухие ветры, дующие из областей высокого давления, сопровождаются (по Ханну) необычайной ясностью и прозрачностью воздуха.

Первые фотометрические наблюдения над яркостью освещения небесного свода принадлежат Бугеру и Ламберту, а затем Клаузиусу, пытавшимся измерить полное количество света, получаемое от всего небесного свода наблюдателем. Наиболее успешными в этом направлении были труды Л. Вебера, давшего своим фотометром средство измерять яркость освещения матово отшлифованной пластинки молочного стекла, освещаемой рассеянным светом неба. Этим путем Л. Веберу удалось сделать целый ряд наблюдений над полным освещением небесного свода; так, он нашел, напр., что во время летнего солнцестояния небесный свод испускает в средних широтах в 11 раз более света, чем во время зимнего солнцестояния. Совершенно особняком от обычных фотометрических методов стоят наблюдения Бунзена и Роско, а затем Визнера. Тогда как обычные фотометрические измерения относятся к лучам средней длины волны — к тем, которые мы привыкли называть в общежитии световыми лучами, — названные ученые пытались определять яркость освещения получаемыми от солнца и небесного свода так называемыми химическими лучами, или лучами короткой длины волны. Наиболее полные и разнообразные исследования в этом направлении принадлежат Визнеру ("Denkschr. d. Akad. d. Wiss.", Вена, LXIV, 1896; LXVII, 1898). Он брал чувствительную фотографическую бумагу и, выставляя ее на свет, наблюдал время, в течение которого бумага, темнея под действием падающих на нее лучей короткой длины волны, примет некоторую определенную нормальную окраску. Он производил свои измерения в самых разнообразных местностях (Вена, Каир, Бюитенцорг на Яве, Гаммерфест, Тромсё, Трондгейм и Адвент-бай под 78° 12' сев. ш.) и измерял яркость освещения, получаемого поставленными в различных положениях образцами фотографической бумаги. Образцы были расположены в горизонтальной и вертикальной плоскостях — в последней 4 образца были обращены лицевой стороной на Ю., З., С. и В., что давало возможность измерить то количество света, которое падает на растения, приютившиеся на скалах или стенах. Наблюдения показали, что максимум химического освещения горизонтальной поверхности наступает обыкновенно до полудня; при прочих равных условиях напряжение химических лучей утром больше, чем к вечеру; с января по июнь, т. е. весной и в начале лета, оно слабее, чем поздним летом и осенью — с июля по декабрь. Наибольшее освещение вертикальных плоскостей наблюдается, конечно, на стороне, обращенной к солнцу, наименьшее же — на противоположной; с увеличением высоты солнца горизонтальные поверхности освещаются сильнее вертикальных, обращенных на юг; но в северных широтах разница меньше, чем в средних. При прочих равных условиях яркость освещения в северных странах больше, чем в Вене, но меньше, чем в Бюитенцорге; при поднятии солнца, вполне закрытого облаками, общее освещение правильно возрастает. Вообще северные широты отличаются более равномерным освещением, чем более южные. Для исследования яркости освещения, а следовательно, и интенсивности окраски небесного свода в различных его точках, был предложен Соссюром особый прибор, названный им цианометром (χυάνεος — синий). Это был круг, разделенный на ряд секторов, окрашенных в постепенно усиливающийся синий цвет; прибавлением туши яркий синий цвет постепенно переходил затем в различные оттенки темнеющего до полной черноты синего цвета; секторы были последовательно занумерованы: 1 соответствовал чистому белому, 51 — совершенно черному цвету. Наблюдателю оставалось подобрать наиболее близкий к выбранной точке небосклона оттенок. Предложенный для той же цели поляризационный цианометр Араго, в котором средством для сравнения служила двупреломляющая пластинка известкового шпата, в практику не вошел. Уже на взгляд в зените небо представляется более темным, чем около горизонта; наблюдения цианометром Соссюра показали, что в градусах этого прибора для точек, имеющих высоту над горизонтом:

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

|                                                     | 1°            | 10°          | 30°            | 60°             |

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

| по Соссюру получается                | 3             | 6             | 16,5           | 22               |

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

| по Гумбольдту "                           | 4             | 9             | 15,5           | 20               |

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

Наблюдения первого из названных ученых сделаны в Женеве, второго — на Атлантическом океане. Наблюдений такого рода сделано вообще слишком мало, чтобы из них можно было извлечь какие-либо надежные выводы. О поляризации небесного свода — см. Поляризация; о цвете неба — см. соотв. ст. Более подробные сведения по рассматриваемому вопросу можно найти в Müller's "Lehrbuch der kosmischen Physik", 5 изд. Петерса (1894); литература собрана в S. Günther, "Handbuch der Geophysik" (2 изд., 2 т., 1899).

Г. Л.