большинства наблюдающихся странных явлений и всеми возможными механизмами. Для построения достаточно полной картины в дальнейшем* необходима разработка гипотез, столь же разнообразных, как и сами явления.
Для понимания природы «аномальных явлений» необходимо иметь хотя бы общие представления о физических процессах, приводящих к их образованию. Поэтому, прежде чем перейти к описанию конкретных механизмов развития определенных типов эффектов, воспринимаемых как нечто необычное, остановимся кратко на особенностях строения и свойствах тех областей, в которых они наблюдаются.
По физическим условиям в атмосфере принято выделять несколько характерных слоев. Самый нижний, приземный слой, простирающийся до высот около 8 км в полярных и примерно до 17 км в экваториальных областях, называется тропосферой. Состояние этой области атмосферы в целом определяет погодные условия на Земле. Наиболее важной отличительной особенностью тропосферы является постоянное понижение температуры с высотой до значений — 50 °C на верхней границе, хотя иногда наблюдаются локальные отклонения от этой закономерности — так называемые инверсии температуры.
Выше тропосферы, в стратосфере, имеет место рост температуры с высотой до величины 0 °C на высоте около 50 км. Еще выше, в диапазоне высот 50–80 км, расположена область, называемая мезосферой, в которой температура опять уменьшается до значений примерно —90 °C. На еще больших высотах, в термосфере, происходит монотонный рост температуры.
Такая сложная зависимость температуры воздуха от высоты связана с особенностями процессов поглощения энергии, в основном солнечного излучения, и процессов ее переноса. Для иллюстрации на рис. 1 приведена усредненная картина распределения по высоте некоторых параметров, характеризующих состояние атмосферы.
В чисто газовой атмосфере, лишенной каких бы то ни было примесей, ее оптические свойства зависели бы только от одной координаты — высоты над уровнем моря. Однако эта зависимость в реальной атмосфере выполняется лишь в среднем. Так как в атмосфере постоянно имеются как горизонтальные, так и вертикальные неоднородности, обусловленные неравномерным распределением по объему таких компонент, как водяной пар, озон, частицы пыли, оптические свойства этих областей обладают своими специфическими особенностями. Поэтому в целом свойства атмосферы могут быть представлены в виде некоторого усредненного фона, на который накладываются флуктуации, связанные с наличием различных неоднородностей, причем величина таких флуктуаций иногда может значительно превосходить характерные значения фона. Анализ эффектов, создаваемых такими неоднородностями, как раз и позволяет исследовать их свойства и физические условия на разных уровнях атмосферы.
Чтобы представить, насколько сильное влияние оказывают аэрозоли на оптические свойства атмосферы, можно привести несколько характерных примеров. Оптическая плотность атмосферы, например, обусловленная наличием аэрозольной компоненты, может меняться в несколько раз, до порядка величины и более; многие удивительные эффекты, чарующие нас своей красочностью, такие, как гало, радуга, глория и другие, возникают исключительно из-за наличия в атмосфере аэрозолей. Даже вид самых обычных облаков есть не что иное, как результат рассеяния света на капельках воды. Молено с уверенностью утверждать, что с оптической точки зрения аэрозоли в атмосфере представляют собой наиболее активную и наиболее изменчивую компоненту. При этом они и наименее изученная составная часть атмосферы, подверженная исключительно большим изменениям как по составу и происхождению, так и по локализации в различных слоях.
Рис. 1. Изменение с высотой параметров атмосферы: температуры — сплошная линия, логарифма средней длины свободного пробега / (в см) — штриховая, логарифма плотности воздуха ρ (в г/см3) — штрихпупктир
Высотное распределение концентрации аэрозольных частиц варьируется в очень широких пределах. В приземных слоях воздуха, например, она составляет примерно от 10-3 см-3 над морем до 30 000 см-3 над крупными промышленными 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+cos2θ), (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 частицахλ≫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