центрами. При удалении от поверхности Земли концентрация частиц быстро уменьшается и на высотах около 1 км падает до значений примерно 10-3 — 10-1 см-3 в зависимости от характера подстилающей поверхности. На еще больших высотах аэрозольные частицы концентрируются в основном в определенных слоях. В стратосфере, например, наблюдается увеличение концентрации аэрозолей в слое с характерной высотой около 20 км — так называемом слое Юнге, плотность частиц в котором достигает величин 10-1 — 1 см-3. Этот слой может усиливаться при выбросах на большие высоты пылевой компоненты. Одно из последних таких событий произошло при извержении вулкана Эль-Чичон в Мексике в 1982 г., когда в стратосферу было выброшено примерно 20 Мт вещества. При этом запыленность атмосферы достигла такого уровня, что стало невозможно проводить тонкие астрономические наблюдения. Усиление этого слоя послужило также причиной наблюдения весьма интересных явлений, зарегистрированных космонавтами. На фотографии (см. вклейку), полученной на борту орбитальной станции «Салют-7» во время полета советско-французского экипажа в 1982 г., запечатлен заход Луны за горизонт и свечение стратосферного аэрозольного слоя. Удачное сочетание ослабления яркости Луны, свет которой проходит через всю. толщу атмосферы (Луна в горизонте), позволило зарегистрировать сразу и источник света, и свет, рассеянный в пылевом слое, хотя он, конечно, значительно слабее света источника — Луны.
Подавляющее большинство оптических атмосферных явлений связано с рассеянием света. Объектов, излучающих собственный свет, не так уж много — звезды, если говорить об астрономических объектах, грозовые разряды, полярные сияния и более слабые эмиссии верхних слоев атмосферы, следы метеоров — вот почти полный список таких природных явлений. Уместно отметить, что любой процесс распространения света в реальной среде в основном определяется эффектами рассеяния и поглощения. Вся наша способность ориентироваться в мире света, т. е. возможность видения мира, практически полностью основана на регистрации рассеянного или отраженного света.
Причиной рассеяния света является неоднородность среды распространения. Сюда относятся неоднородности плотности, связанные с тепловыми флуктуациями, или наличие частиц, отличающихся по своим свойствам от среднего фона, например по размерам. Строгое описание процессов рассеяния требует применения достаточно сложного математического аппарата и не может быть представлено в рамках этого популярного изложения. Однако в некоторых простых случаях, имеющих тем не менее широкое применение, законы, определяющие процессы рассеяния, достаточно просты и позволяют наглядно представить характерные особенности этих эффектов.
Так, интенсивность света, рассеянного ансамблем малых частиц[8], в зависимости от их размера, длины волны излучения и угла рассеяния представляется следующим образом:
I = I0k Nv2/R2λ4 (1+cos2 θ), (1)
где R — расстояние от наблюдателя до области рассеяния; v — объем рассеивающих частиц; N — их число в ансамбле; λ —длина волны света; I0 — интенсивность падающего излучения; θ — угол рассеяния. В коэффициенте к собраны все численные множители и величины, характеризующие физические свойства рассеивающих частиц. Для воды, например, к ≈10.
Из этого довольно простого выражения следует несколько важных выводов. Во-первых, угловая зависимость интенсивности рассеянного света в этом приближении довольно слабая — интенсивность света, рассеянного в разных направлениях, например вперед и под углом 90°, отличается максимум в два раза. Несколько отвлекаясь, можно заметить, что в других случаях, при рассеянии на достаточно крупных частицах с размерами, сравнимыми или большими длины волны излучения, эта зависимость коренным образом меняется и интенсивность света, рассеянного вперед, т. е. при θ≈0°, может в десятки раз превышать интенсивность света, рассеянного по другим направлениям. На рис. 2 для сравнения приведены индикатрисы рассеяния, т. е. зависимости интенсивности рассеянного света от угла рассеяния, для трех случаев — рэлеевское рассеяние на малых частицах λ≫d. частицы средних размеров d=3λ и большие частицы d=30λ. Благодаря этому эффекту в атмосфере, содержащей достаточно большое количество пыли или влаги в виде мелких кристаллов льда или просто капелек воды — туман, наблюдается значительное увеличение яркости неба вблизи источников света (Солнца, Луны, ярких планет, фонарей и пр.) — ореол.
Второе следствие из приведенного выражения — это изменение спектрального состава света в процессе рассеяния. Действительно, зависимость от длины волны в данном случае довольно сильная — λ-4. Легко убедиться, что рассеяние света с длиной волны λ=0,45 мкм (синяя область спектра) происходит примерно в 4,5 раза более интенсивно, чем в красной области с λ=0,65 мкм. Заметим, что такую же зависимость от длины волны имеет интенсивность света, рассеянного на флуктуациях плотности газа. Поскольку свечение дневного неба практически полностью определяется рассеянием солнечного света в атмосфере, то синий цвет ясного неба является прямым следствием этого эффекта. В других приближениях для частиц с большими размерами эта зависимость становится более слабой.
Рис. 2. Зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния — индикатрисы рассеяния, построенные для трех случаев: рэлеевское рассеяние на малых частицах (λ≥а), рассеяние на частицах средних размеров (d ≃ 8λ) и на больших частицах (d≃80λ)
Индикатрисы построены в разных масштабах, в действительности при θ=0° интенсивности рассеянного света для этих случаев не равны — для более крупных частиц интенсивности света, рассеянного вперед, значительно больше, чем для малых
Третье обстоятельство, на которое полезно обратить внимание, это то, что при прочих равных условиях интенсивность рассеянного света пропорциональна количеству рассеивающего вещества. Например, в атмосфере самыми яркими являются нижние, наиболее плотные слои воздуха. Очевидно, что по мере подъема на достаточно большие высоты яркость неба должна уменьшаться из-за «угасаний» нижних слоев. Аналогичная картина имеет место при заходе Солнца за горизонт — по мере подъема границы земной тени самые плотные слои атмосферы экранируются от солнечного излучения и последовательно угасают.
Наконец, можно сделать еще одно любопытное замечание. Как следует из приведенной формулы, при увеличении объема частиц, конечно в пределах применимости данного приближения, интенсивность рассеянного света возрастает пропорционально квадрату объема или шестой степени их характерного размера, а от общего количества рассеивающих центров зависит только линейно. Поэтому некоторое определенное количество вещества в зависимости от степени раздробленности будет рассеивать свет неодинаковым образом. Для простых оценок положим, что все частицы, число которых N, имеют одинаковый диаметр d, общая
