С. В. БАТУСОВ

СВЕТОСИГНАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

МОСКВА «Э H E P Г И Я»

1979

ББК31.294

Б28

УДК 654.912.8

Батусов С. В.

Б 28 Светосигнальные установки. — M.: Энергия 1979. —120 с, ил.

35 к.

В книге излагаются теоретические основы световой сигнализации вопросы инженерных расчетов, и проектирования светосигнальных установок. Рассматриваются специфика таких установок и вопросы нормирования качественных и количественных показателей их. Главное внимание уделено вопросам расчета дальности действия световых сигналов и выбору оптимальных характеристик светосигнальных средств.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников тран­спорта и других отраслей народного хозяйства, где приходится решать вопроси световой сигнализации, а также на студентов специаль­ности «Светотехника».

© Издательство «Энергия», 1979 г.

Предисловие

Светосигнальные установки возникли и начали развиваться ранее других разновидностей светотехнических установок. Известно, например, что первые электрические машины и первые электрические источники света использовались на морских маяках. Появление же последних как первой разновидности светосигнальных установок относится к очень давнему времени, когда у людей возникла потребность в дальних поездках и в перевозке всевозможных грузов на большие расстояния. Используемый в то время для указанных целей водный транспорт приносил людям много неожиданностей и аварий. Тогда не знали еще методов и средств судовождения вне видимых ориентиров, не были еще изучены и сами водные пути.

Для обеспечения безопасности плавания на водных путях стали создавать специальные средства ограждения опасностей, а также специальные средства для указания границ судоходного пути и рекомендуемого направления движения судов, как на самих путях, так и на подходах к портам, и пристаням. Эти специальные средства представляли собой различного рода искусственные сооружения башенного типа, которые в дневное время своей формой, размерами, окраской и другими внешними отличительными признаками, а в ночное время — характерным огнем на вершине (ярким, цветным, прерывным) давали возможность судоводителям свободно ориентироваться на судоходных путях. Этот принцип и подобные средства были использованы позже и на других видах транспорта. На железнодорожном транспорте, например, развитие таких средств шло от простых сигнальных фигур и фонарей, поднимаемых на вершину столба, к современному светофору, который и днем и ночью дает одну и ту же сигнальную картину: зеленый огонь — «путь открыт», желтый огонь — «внимание» и красный огонь — «путь закрыт».

Тенденция к Постоянству сигнальной картины в любое время суток сохраняется и в других областях, где используются подобные средства, однако при этом принцип условного знака, посылаемого в пространство разнообразными светящими точками и фигурами, а также их сочетаниями, остается неизменным. Такие условные знаки принято называть световыми сигналами, передачу, и прием различной информации при помощи их — световой сигнализацией, а технические средства и устройства, обеспечивающие создание световых сигналов и их восприятие теми, для которых они предназначены,— светосигнальными установками (СвСУ).

Световая сигнализация наибольшее, развитие получила на транспорте, где она имеет органическую связь со всем сложным комплексом технических средств и организационных мероприятий. Соответствующей системой световой сигнализации светосигнальные установки обеспечивают нормальную работу транспорта и в значительной мере способствуют повышению объема перевозок, что так важно для народного хозяйства.

В настоящей работе излагаются теоретические основы световой сигнализации, вопросы инженерных расчетов и проектирования светосигнальных установок. Работа эта является первой попыткой систематизировать и обобщить имеющийся материал по таким установкам, так как в существующей литературе имеются лишь разрозненные и неполные данные, преимущественно описательного характера и по отдельным областям применения.

Автор

Глава первая

Основные понятия и определения

1-1. СВЕТОСИГНАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ИХ СПЕЦИФИКА

Светосигнальные установки имеют своей целью создание световых сигналов — условных знаков или символов— обеспечение их восприятия в заданных условиях наблюдения теми, для которых они предназначены.

Ими создается надежная информация об окружающей обстановке, непосредственно обозреваемой и воспринимаемой с целью ориентировки в ней и готовности к действиям в заданной ситуации. Объектами наблюдения служат разнообразные светящие точки и самосветящие или освещенные фигуры как по отдельности, так и в различных сочетаниях и комбинациях, создаваемые специальными оптическими приборами и осветительными устройствами.

В отличие от осветительных установок, которые создают необходимые для наших глаз уровни яркостей поверхностей и объемов в поле зрения по возможности без видимости самих осветительных средств, в светосигнальных установках имеется обратное положение, так как светосигнальные приборы, создающие сигнальные огни и сигнальные фигуры, рассматриваются непосредственно глазом наблюдателя в целях получения необходимой ему информации. Информация эта создается формой фигур, цветом или прерывностью излучения, несущего световой сигнал, а также определенной системой световой сигнализации.

Как материальный носитель информации световой сигнал должен быть:

а) прост, нагляден, заметен, обладать «броскостью», т. е. выделяться среди окружающих его предметов и явлений;

б) иметь строго ограниченное смысловое значение и предназначаться для определенных лиц или группы людей с целью ориентировки их в окружающем пространстве, извещая их о начале или конце каких-либо событий, процессов или действий.

Световой сигнал, созданный светосигнальным прибором или светящей точкой непосредственно, принято называть сигнальным огнем, а созданный самосветящей или освещенной фигурой — сигнальным знаком дли сигнальной фигурой. В зависимости от характера пространственного распространения излучения, несущего световой сигнал, световые сигналы можно делить на:

а) пространственные, когда они распространяются и воспринимаются по всем направлениям пространства от точки подачи сигнала;

б) круговые, когда они распространяются и воспринимаются по всем направлениям горизонта с некоторым ограничением по вертикали;

в) секторные, действие которых ограничено определенными углами как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях;

г) створные, которые распространяются в ограниченном пространстве, обеспечивая ориентировку по ним (теоретически) вдоль одной линии — линии положения (см. § 4-3), по которой только и может осуществляться восприятие заданного сигнала.

В зависимости от характера распространения во времени световые сигналы можно делить на:

а) постоянные, когда они в продолжении длительного времени воспринимаются неизменными с присущими им характеристиками;

б) пульсирующие или смешанные, когда они периодически меняют свои характеристики, не исчезая при этом полностью из поля зрения наблюдателя (приемника);

в) прерывные, когда они периодически появляются (вспышка) и вновь исчезают (затемнение).

Прерывные световые сигналы в зависимости от продолжительности вспышки и затемнения, а также в зависимости от соотношения между ними и продолжительностью периода затемнения можно делить на:

а) проблесковые, когда продолжительность вспышки заметно меньше продолжительности затемнения (t_всп<t_зат), а количество вспышек не превышает 60 в минуту (n≤ 60);

б) затмевающиеся, когда продолжительность вспышки заметно больше продолжительности затемнения (t_всп>t_зат) при том же ограничении на частоту вспышек (n≤ 60);

в) мигающие, когда продолжительности вспышки и затемнения близки друг другу (t_всп≈t_зат), а количество вспышек более 60 в минуту (n> 60);

г) кодовые, когда вспышки или группы вспышек и затемнений с заданными характеристиками сочетаются в определенное условное понятие (по типу азбуки Морзе и др.).

Светосигнальные установки имеют довольно обширную область применения в народном хозяйстве. Они играют большую роль в производстве, облегчая контроль и управление производственным процессом. Их роль все больше будет возрастать с развитием автоматизации, когда функции работающих будут в основном связаны с наблюдением за изменением сигнальной, картины на различных мнемосхемах, светящихся табло и т. д., а также с наблюдением за показаниями измерительных и контрольных приборов. Путем различного сочетания в пространстве и во времени различных световых сигналов осуществляются и переговоры в пределах прямой видимости как при помощи видимых (по коду), так и при помощи невидимых излучений (оптический телефон, связь и др.). При помощи оптических излучений и физических приемников осуществляют оптическую сигнализацию и оптическую блокировку. Посредством дополнительных устройств, например ЭОП, оптические сигналы могут приводиться к обычной зрительной (световой) сигнализации, а также к звуковой сигнализации.

Наибольшее распространение светосигнальные установки получили на транспорте. Системы световой сигнализации на транспорте прошли большой путь становления и совершенствования и за последнее время несколько стабилизировались, однако на основании опыта их эксплуатации и с помощью появляющихся новых технических средств и идей вносятся и будут вноситься коррективы и усовершенствования в существующие системы световой сигнализации на транспорте.

Водители транспортных средств ориентируются по сигнальным огням и знакам и по их расположению на определенных участках пути судят о его состоянии, о заданном или рекомендуемом направлении и скорости движения, гарантирующих безопасность.

Для нормальной работы водителей транспорта светосигнальные установки создают благоприятные внешние условия и прежде всего необходимые уровни контрастов наблюдаемых объектов с их фоном, достаточный уровень освещенности на зрачке глаза при наблюдении сигнальных огней, а также цветность или прерывность предъявляемых наблюдателю сигналов в допустимых пределах изменений их характеристик. Эти требуемые уровни и характеристики регламентируются отраслевыми нормами и инструкциями.

На водном транспорте система световой сигнализации призвана обеспечивать судоводителям ориентировку на фарватере по плавучим и береговым сигнальным огням и знакам, указывающим границу ходовой полосы, ее ось, препятствия на ней и рекомендуемый курс. В этой системе сигнализации создается перспектива пути, и судоводители ориентируются на фарватере в пределах прямой видимости «со знака на знак». Каждый знак и огонь при этом имеют свое смысловое значение и название. Так, для указания оси и границ фарватера при протяженных и узких полосах используется система створных знаков и огней, размещаемых по особому правилу на местности (см. § 4-3). При относительно широких фарватерах на реках с необходимостью подхода к берегу и необходимостью переваливать от одного берега к другому используются так называемые перевальные знаки и огни, имеющие секторную характеристику с цветным огнем в средней части. Ориентировкой при движении судов вдоль берега служат маяки и ходовые знаки и огни, имеющие ромбовидную фигуру и желтый огонь.

На морских путях, озерах и водохранилищах с их большой протяженностью, требующих больших дальностей действия световых сигналов, используются световые маяки с мощными источниками света и сложными оптическими системами. При подходе, к берегам, к портам и пристаням эти маяки в каждом отдельном случае ориентируют судоводителей формой своих башен и кодовыми огнями «а их вершине (рис. 1-1).

Для указания габаритов фарватера (глубины и ширины его), разрешения или запрещения движения на данном участке пути, а также оповещения о наступающем шторме служат так называемые семафоры и вывески. Такие сигнальные средства составляются из разнообразных знаков и огней по определенному коду.

Наряду с береговыми светосигнальными установками, на водных путях широко используются и плавучие сигнальные фигуры различной формы и окраски с круговыми сигнальными огнями на вершине. Эти так называемые бакена и буи размещаются по границам фарватера и в местах изменения курса судов (на сопряжениях прямолинейных участков пути), а также на отдельных препятствиях, встречающихся на фарватере (островках, мелях, топляках). Следовательно, на водных путях система световой сигнализации комбинируется из знаков и огней створных (по узкому и протяженному фарватеру), секторных (при относительно широких и протяженных фарватерах) и круговых, действующих по всем направлениям горизонта на самом фарватере.

На железнодорожном транспорте принята система СЦБ — сигнализации, централизации и блокировки. При этой системе все рельсовые пути делятся на отдельные электрически изолированные друг от друга блок-участки с установкой вначале их комбинированных светосигнальных приборов — светофоров. Поезд, вступая на данный блок-участок, шунтирует рельсовую электрическую цепь, в результате чего автоматика светофора зажигает красный огонь, а вступая на следующий блок-участок, этот же автомат зажигает желтый огонь. Смена сигнальной картины светофора проводится также автоматически и при дальнейшем следовании поезда.

Кроме путевых, входных и выходных светофоров на железных дорогах используются и другие светосигнальные средства, выполняющие разнообразную информацию. Там же в целях безопасности движения используется и локомотивная сигнализация. На локомотивном светофоре малых размеров посредством специальных датчиков, установленных на рельсовых путях у линейных светофоров, повторяются путевые сигналы.

Автоблокировка и автоматическая локомотивная сигнализация являются главными техническими средствами, обеспечивающими большую пропускную способность поездов и их безопасность на железных дорогах.

На улицах больших городов, на пригородных и шоссейных дорогах используются светофоры и специальные дорожные знаки, которые своей формой и характерным огнем создают меняющуюся сигнальную картину, обеспечивающую ориентировку водителям автотранспорта на путях, особенно на перекрестках улиц и дорог. Смена показаний светофорных огней в этом случае осуществляется автоматически через заданный интервал времени при помощи электронной схемы управления сигналами. В темное время суток неосвещаемые дорожные знаки рассматриваются водителями автотранспорта в пучке света автофар или прожекторов. Для лучшей видимости такие знаки снабжаются катафотами или световозвращателями (см. § 3-5).

Воздушный транспорт предъявляет к светосигнальным средствам, обеспечивающим безопасность полетов и приземления самолетов, особо высокие требования. На первой стадии развития авиации пилоты на воздушных трассах ориентировались по линейным световым маякам, а при посадке и взлетах на аэродромах — по сигнальным огням и знакам, обозначавшим полосы подхода и посадки. С появлением радиосредств системы световой сигнализации в авиации претерпели значительные изменения, и к настоящему времени эти системы комбинируются с радиосредствами. На воздушных трассах и на подходах к аэродрому пилоты ориентируются по радиосредствам, а при окончательном снижении и посадке — по светосигнальным средствам.

Для обеспечения безопасной посадки (и взлета) самолетов при плохой погоде (см. табл. 2-4) аэропорты используют сигнальные огни высокой интенсивности, которыми в системе световой сигнализации создаются искусственный световой горизонт и перспективное изображение полос подхода и посадки. Для всепогодных условий полета в последнее время налаживается система автоматического управления посадкой самолетов. Однако и в этом случае система аэродромных сигнальных огней и знаков необходима для визуальной ориентировки пилотов на завершающем этапе посадки и при взлете.

Β целях обеспечения безопасности полетов как между аэропортами, так и особенно при подходе к ним все высокие сооружения (здания, дымовые трубы электростанций и заводов) снабжаются по контуру верхней части их заградительными красными сигнальными огнями.

Сами транспортные средства (суда, локомотивы, поезда, автомобили и самолеты) в целях оповещения о своем появлении или присутствии и в целях предупреждения от столкновений снабжаются характерными сигнальными огнями и знаками. Своим цветом или прерывностью и формой, а также местом расположения такие световые сигналы указывают тип транспорта, а расположение их спереди, сзади, сверху, по бортам и на мачтах — его профиль и габариты.

Таким образом, анализируя вышеизложенное, можно выявить специфические особенности светосигнальных установок, а именно:

а) непосредственную связь приемника (глаза) со световым прибором или со специальным осветительным устройством, создающим условные знаки, резко выделяющиеся на окружающем их фоне;

б) размещение указанных приборов и устройств преимущественно под открытым небом при неизбежном воздействии на них атмосферных осадков, ветра и температурных колебаний;

в) необязательность различения каких-либо деталей на светящихся поверхностях, создающих световые сигналы;

г) широкое использование цветности и прерывности излучения, несущего световой сигнал;

д) наличие больших расстояний между светосигнальной установкой и приемником (наблюдателем), из-за чего становится необходимым учитывать влияние промежуточной среды — атмосферы на световые характеристики сигнала и уровни чувствительности его приемника (глаза);

е) в такой области, как транспорт с его подвижными средствами, имеет место подвижность приемника (наблюдателя) относительно светосигнальной установки.

1-2. ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ

В светосигнальных установках, как и в любой другой разновидности светотехнических установок, эффективность действия обусловлена спектральным составом излучения, несущего световой сигнал, плотностью этого излучения, попадающего на приемник (глаз), и временем воздействия [1, ч. 1, с. 87]. Указанные параметры, однако, не учитывают специфику светосигнальных установок. Пользуясь схемой, приведенной на рис. 1-2, найдем взаимосвязь параметров, обусловливающих зрительное восприятие светового сигнала. Для белых сигнальных огней постоянного действия плотность светового потока на сетчатке глаза наблюдателя пропорциональна свещенности на зрачке — Е_зри действующей площади его q_зр, т. е.

(1-1)

В зависимости от силы света сигнального прибора I_α,βатмосферных условий, характеризуемых удельной прозрачностью τ_уди дальностью действия рассматриваемого огня D, освещенность плоскости, расположенной перпендикулярно к падающим лучам сигнала в месте нахождения наблюдателя, определится уравнением Аллара [2]

(1-2)

При наблюдении сигнальной фигуры (знака) плотность светового потока на сетчатке глаза наблюдателя пропорциональна яркости L_α,βρ и размеру σ₀видимой поверхности этой фигуры, так как I_α,β= L_α,βσ₀.

Как следует из сказанного, специфику светосигнальной установки в данном случае определяют такие параметры, как дальность действия светового сигнала D, удельная прозрачность атмосферы гуд и угловой размер рассматриваемой фигурыγ=σ₀/D²(см. рис. 1-2).

Дальность действия светового сигнала является основной эксплуатационной характеристикой каждой светосигнальной установки. В зависимости от поставленной зрительной задачи дальность действия светового сигнала можно подразделить на дальность видимостиD_в, дальность различимостиD_ри дальность пеленгованияD_п. В последнем случае по расположению светосигнальной установки на местности наблюдатель определяет свое местоположение. Такая зрительная задача встречается лишь на дальних морских путях. В других случаях и особенно при наличии множества дополнительных ориентиров и других вспомогательных средств (карт, лоций, радиосредств) прибегать к пеленгации нет необходимости и такая задача может возникнуть лишь в условиях светомаскировки и плохой видимости.

Для светосигнальных установок наибольшее значение имеют первые две характеристики. Одна из них — дальность видимости определяется расстоянием между светосигнальной установкой и наблюдателем в момент обнаружения или потери, светового сигнала, а другая — дальность различимости — расстоянием в момент, когда наблюдатель начал уверенно различать или терять все отличительные признаки, присущие данному сигналу (цвет, ритм прерывности, форму и расположение сигнальной фигуры и др.).

Дальность действия световых сигналов зависит от многих факторов и в первую очередь от геометрических и светотехнических характеристик сигнальной фигуры и сигнального огня. Зависит она и от характеристик фона, на котором просматривается сигнал, а также от рельефа местности и шарообразности земной поверхности. Существенное влияние на дальность действия световых сигналов оказывают поглощение, рассеяние и искривление хода лучей, идущих от светосигнальной установки через толщу атмосферы к наблюдателю. Кроме того, здесь приходится учитывать состояние и уровень чувствительности приемника (глаза). Итак, дальность действия световых сигналов обусловливается:

а) геометрическими параметрами, приводящими к экранировке излучения, несущего световой сигнал;

б) оптическими параметрами как самой светосигнальной установки, так и среды, через которую проходит сигнал;

в) свойствами, характеристиками и состоянием приемника (глаза);

г) свойствами, характеристиками и состоянием самой светосигнальной установки;

д) свойствами и характеристиками фона. Поэтому дальность видимости принято делить на геометрическую дальность видимости и оптическую дальность видимости. Первая из них определяется максимальным расстоянием между светосигнальной установкой и наблюдателем, когда отсутствуют ослабление и рассеяние излучения, несущего световой сигнал. Количественно это расстояние зависит от неровностей на местности, наличия леса и других естественных препятствий и препятствий от искусственных сооружений. Поэтому для размещения светосигнальных установок на местности часто приходится выбирать возвышенности или строить башни, мачты, столбы и подобные им сооружения, обеспечивающие эффективность действия светосигнального оборудования.

Геометрическую дальность видимости, обусловленную шарообразностью земной поверхности, принято называть дальностью открытия D₀[3, с. 466]. Зависящая от высот размещения светосигнального прибора и сигнальной фигуры (знака) h_зни положения глаза (приемника)h_глотносительно поверхности земли или зеркала водоема (рис. 1-3) дальность открытия определяется уравнением

(1-3)

Вследствие неоднородности отдельных слоев атмосферы за счет различия в температурах, плотностях и давлений в них световые лучи, исходящие от светосигнальной установки, претерпевают отклонение от прямолинейного распространения. С учетом этого явления дальность открытия определяется уравнением

(1-3а)

Здесь расстояние D₀и параметры h выражаются в метрах.

1-3. ОПТИЧЕСКАЯ ДАЛЬНОСТЬ ВИДИМОСТИ

Оптическая дальность видимости сигнального огня определяется расстоянием между светосигнальной установкой и наблюдателем, когда в заданных условиях наблюдения освещенность на зрачке глава от этого огня становится равной пороговому значению E_зр.п. Оптическую дальность видимости сигнальной фигуры (знака) определяют расстоянием, на котором воспринимаемый в точке наблюдения контраст между наблюдаемой фигурой и ее фоном становится равным порогу контрастной чувствительности k'_п, т. е.

(1-4)

где L'_зни L'_ф— воспринимаемые в точке наблюдения яркости сигнальной фигуры и поверхности, составляющей ее фон.

Возможны два уравнения, аналогичных (1-4):

и

где индексы «св» и «т» означают: светлая фигура рассматривается на темном фоне (L_зн>·L_ф) и темная фигура рассматривается на светлом фоне (L_зн<·L_ф).

Воспринимаемые в точке наблюдения яркости рассматриваемых сигнальных фигур L'_зни их фонов L'_фбудут определяться уравнениями

(1-5)

В правой части этих уравнений первые слагаемые дают истинные значения яркостей рассматриваемой сигнальной фигуры L_зни фона, на котором она просматривается, L_ф, умноженные на коэффициенты пропускания света атмосферными слоямиτ =e^-aD, учитывающие ослабление излучения при прохождении его по путям D_зни D_ф=D_зн+δ (см. рис. 1-2). Вторые же слагаемые дают яркости атмосферных слоев, возникающие за счет рассеяния излучения по путям D_зни D_ф

В приведенных уравнениях показатель ослабления света за счет рассеяния его в атмосфере а зависит от спектральных свойств атмосферы и в первую очередь от природы и размеров рассеивающих частиц, находящихся в атмосфере, а также от спектральных свойств излучения, несущего световой сигнал. Численные значения этого показателя рассеяния можно определять по уравнению

(1-6)

где r — радиус рассеивающих частиц, а K—функция рассеяния Страттона — Хатона [4].

Построенный Гертнером [5] график по уравнению (1-6) (рис. 1-4) дает представление об имеющихся здесь зависимостях. Из этого графика видно, что при относительно крупных рассеивающих частицах показатель рассеяния остается практически неизменным в довольно широкой области спектра. При рассеивающих же частицах, соизмеримых по размерам с длинами волн света λ, показатель рассеяния принимает максимальные значения. И, наконец, в области, соответствующей малым по сравнению с длинами волн света размерам рассеивающих частиц, показатель рассеяния подчиняется релеевской зависимости (молекулярное рассеяние, подчиняющееся законуα_λ — cλ^-4).

При известных значениях спектрального показатели ослабления света за счет рассеяния его в атмосферных слоях α_λнеобходимости определения суммарного коэффициента пропускания света в данной атмосфере на пути l можно пользоваться уравнениями

(1-7)

и

(1-8)

где τ_λуд— удельный (на 1 км пути) спектральный коэффициент пропускания света с длиной волны λ атмосферой; x(λ) —спектральная плотность светового потока или силы света сигнала; υ(λ) —относительная спектральная световая эффективность излучения.

Яркость атмосферных слоев зависит и от пространственных характеристик рассеянного в них света. Как и спектральные характеристики, пространственные характеристики рассеянного света в атмосфере зависят от природы, размеров и плотности самих рассеивающих частиц, а также от направления излучения, проходящего через данные слои атмосферы. Так, при молекулярном рассеянии пространственное распределение рассеянного света подчиняется закону

(1-9)

где с — постоянная, зависящая от характеристик и единиц входящих сюда величин; φ — угол между заданным направлением наблюдения и направлением распространения излучения, несущего световой сигнал, или солнечного света.

Графическое изображение распространения силы света, рассеянного атмосферными слоями от точки элементарного объема, в этом случае представится симметричной фигурой, несколько сжатой по вертикали (рис. 1-5,а). При рассеивающих же частицах, по размеру соизмеримых с длинами волн проходящего излучения через атмосферу (r ≥ λ), форма кривой функции рассеяния f(φ) (индикатриса рассеяния) характеризует количественное увеличение рассеянного света в направлении проходящего излучения (рис. 1-5,6—г).

Принимая усредненное значение функции рассеянияf(φ) за единицу, получаем численные значения этой функции, характеризующие относительную силу света,рассеянного реальной атмосферой в заданном направлении, т. е.

(1-10)

где dI_φи dI₀— значения элементарной силы света в направлении углаφи средней сферической силы света, рассеянного в данном объеме.

Определяя силу света в направлении угла φполучим:

(1-10а)

где dФ_р— элементарный световой поток, рассеянный в данном элементарном объеме.

Для случая молекулярного рассеяния и атмосферы, наиболее часто повторяющейся в реальных условиях, численные значения функции рассеяния f(φ) представлены в табл. 1-1.

Таблица 1-1 Численные значения рассеяния f(φ) в зависимости от угла φ характеризующего направление распространения рассеянного света
Угол φ	При идеальной атмосфере	При часто повторяющейся реальной атмосфере
0° 20 45 90 135 180	1,49 1,31 1,04 0,84 1,12 1,49	4,72 4,00 2,28 0,61 0,48 0,48

Для дневных условий наблюдения сигнальных знаков воспринимаемая дополнительная яркость за счет рассеянного света в атмосферных слоях может определяться соотношением, полученным из рассмотрения схемы, приведенной на рис. 1-6. В этой схеме солнечный луч пронизывает атмосферу в направлении угла φ по отношению к линии зрения наблюдателя. Для элементарного объема атмосферы dV=ΔSdx, расположенного на расстоянииxот наблюдателя, получим выражение светового потока, задержанного в указанном объеме и рассеянного им (без учета поглощенной части), в виде.

(1-11)

Световой поток этот, пропорциональный показателю ослабления света α, световому потоку, подошедшему к данному объему и определяемому произведением освещенности E на элементарную площадку ΔS, ограничивающую объем dV, а также пропорциональный про­тяженности атмосферного слоя dx/cosφ, является исходной величиной при определении яркости атмосферных слоев. Яркость эта по направлению нормали к площадке ΔS представится в виде

(1-12)

а приведенная к глазу наблюдателя ‑

(1-12а)

Рассматривая совместно уравнения (1-11) и (1-12а), получим:

(1-12б)

Суммированием этих яркостей элементарных атмосферных слоев за счет рассеянного света вдоль линии зрения наблюдателя на протяжении от x=0 до x=l получим:

(1-13)

Для нижних слоев атмосферы, когда линия зрения наблюдателя имеет направление, практически совпадающее с горизонтом, а оптические свойства атмосферы и уровень плотности естественного света E в этих условиях можно принять заданными, наиболее характерными для данной местности и времени, т. е. f(φ) и E, заданными постоянными значениями, воспринимаемая яркость атмосферных слоев за счет рассеянных лучей в них представится в виде

(1-13а)

Здесь при малых углах φ (большие расстояния) cosφ=l,0. Решение приведенного в уравнении (1-1 За) интеграла и всего уравнения представится в виде

(1-13б)

При достаточно больших расстояниях l, когда выражение e^-alстремится к нулю, яркость, определяемая приведенным уравнением, будет характеризовать яркость неба у горизонта, т. е.

(1-14)

Это выражение получило название «световоздушный коэффициент».

Яркость неба у горизонта, таким образом, легко определится, если известны значения освещенности от естественного света Eи функция рассеянияf(φ). С учетом световоздушного коэффициентаL_нвоспринимаемая в точке наблюдения яркость атмосферных однородных слоев за счет рассеянного света в них представится в виде

(1-13в)

Уравнение это, впервые выведенное Кошмидером [6], принято называть световоздушным уравнением. В диссертационной работе В. А. Хохлова [7] показано, что это уравнение применимо и при неоднородной плотности атмосферных слоев у поверхности земли.

Воспринимаемая в точке наблюдения яркость атмосферных слоев за счет рассеянного света в них, выраженная в долях яркости неба у горизонта:

(1-13г)

характеризует удаленность видимого горизонта (рис. 1-7). При плохой погоде (τ_уд≤10%) видимый горизонт из-за рассеяния света в атмосфере приближается к наблюдателю.

1-4. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ДАЛЬНОСТЬ ВИДИМОСТИ КАК ЧАСТНЫЙ СЛУЧАЙ ОПТИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ

Используя уравнения (1-4) и (1-5) и световоздушное уравнение (1-13в), можно проводить расчеты оптической дальности видимости сигнальных фигур (знаков). При этих расчетах воспринимаемые в точке наблюдения яркости рассматриваемых объектов и их фонон определяются уравнениями

(1-15)

(1-15а)

где L_зни L_ф— как и ранее, истинные яркости знаков и их фонов, a D_зни D_ф— расстояния, с которых они рассматриваются. Эти расстояния влияют как на потери света (τ_D= e^-aD), так и на рассеяние его в атмосфере (L´_D).

Для темного объекта наблюдения, например L_зн0, находящегося на расстоянии D от наблюдателя, воспринимаемая им яркость поверхности рассматриваемого объекта представится в виде

(1-16)

Следовательно, яркость эта будет определяться лишь яркостью атмосферных слоев за счет рассеяния в них на участке D. При наблюдении такого темного объекта на фоне нёба (L´_ф=L_н) воспринимаемый в точке наблюдения контраст между, ними принимает значение

(1-17)

По данным значениям порогового контраста в заданных условиях наблюдения k'=k'_ппредельное расстояние, на котором темный объект на фоне неба становится невидимым, определится уравнением

(1-18)

В дневных условиях наблюдения и при достаточно больших угловых размерах рассматриваемого объекта (γ≥0,5°) пороговый контраст принимает значение порядка k´_п=0,02. При этих условиях предельное расстояние D_прпредставится в виде

(1-18а)

Указанное предельное расстояние, дальше которого при заданных условиях наблюдения и состояния атмосферы наблюдаемый темный объект относительно больших размеров (γ≥0,5°) полностью сливается с фоном (небом), принято называть метеорологической дальностью видимости (МДВ) и обозначать D_м. Метеорологическая дальность видимости является частным случаем оптической дальности видимости. Она однозначно связана с прозрачностью атмосферы и не зависит в явном виде от яркости неба, в частности от положения солнца на небе. Следовательно, метеорологическая дальность видимости может полностью характеризовать оптические свойства атмосферы.

В практике метеослужбы принято весь диапазон изменений МДВ делить на определенное число интервалов, на границе которых и располагаются темные объекты наблюдения (возвышенности, темный лес, башни и другие искусственные сооружения). Интервалы эти выражаются преимущественно 10-балльной шкалой, приведенной в табл. 1-2.

Таблица 1-2 10-балльная шкала метеорологической дальности видимости
Балл или код МДВ	Пределы МДВ Dм	Глазомерная оценка	Показатель ослабления света в воздухе α, 1/км	Удельная прозрачность атмосферы τуд
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0—50 м 50‑200 м 200‑500 м 500.-1000 м 1—2 км 2—4 км 4—10 км 10—20 км 20—50 км >50 км	Очень сильный туман Сильный туман Заметный туман Слабый туман Очень сильная дымка Сильная дымка Заметная дымка Слабая дымка Хорошая видимость Отличная видимость	78,3 78,3—19,5 19,5—7,8 7,8—3,9 3,9—1,9 1,9—0,97 0,97—0,39 0,39—0,19 0,19—0,078 <0,078	10-31 10-34—10-8,5 10-8,5‑410-4 10-4—0,020 0,02—0,140 0,140‑0,376 0,376—0,676 0,676—0,822 0,822—0,925 >0,925

Полученную расчетным путем по уравнению (1- 18а) МДВ при заданном значении показателя рассеяния а принято называть расчетной МДВ и обозначать

(1-18б)

В отличие от МДВ, значение которой приводится в ежедневных метеосводках только в определенном диапазоне (табл. 1-2), расчетное значение ее может быть задано каким-либо одним значением, что является удобным в расчетных операциях.

В последнее время для определения количественного уровня МДВ делаются попытки использовать специальные измерительные установки для автоматической записи прозрачности атмосферы. Записи таких данных представляют большой практический интерес.

Глава вторая