1.2. Оптические характеристики материален

В вакууме лучистый поток распространяется без потерь. При распространении лучистого потока в атмосфере наблюдаются его отражение, поглощение и преломление

Интегральные коэффициенты отражения ρ, поглощения α пропускания  некоторых веществ

Таблица 1.2

Вещество	ρ	α	
Белая бумага	.0,45	0,15	0,4
Свинцовые белила	0,9	0,1	—
Черный бархат	0,02	0,99	—
Оконное стекло	0,08	0,02	0,9

.

.

Для общего случая взаимодействия излучения со средой если моно хроматический поток ф_о, распространяющийся в телесном угле , про ходит через неоднородную среду (вещество), он распадается на четыре частичных потока: ф_ρ - отраженный, ф_α - поглощенный, ф_m - рассеянный и ф_ - прошедший. Отношения монохроматических частичных пото­ков к монохроматическому потоку, входящему в среду, называют спектральными коэффициентами: ф_ρ/ф_о=ρ_,-отражения; ф_α/ф_о=α_- погло­щения; ф_m/ф_о=m_ - рассеяния; ф_ŋ/ ф_о =_ пропускания.

Если в среду входит сложный поток, его взаимодействие со средой оценивают интегральными коэффициентами: ф_ρ / ф₀ = ρ - отражения ф_α/ф_о=α _ поглощения; ф_m/ф_о=m - рассеяния; ф_ŋ/ ф_о =_ - пропускания

Иногда рассеянный поток отдельно не учитывают, а приплюсовывают его к поглощенному и вышедшему потокам и оценивают свойства среды (вещества) тремя коэффициентами: отражения, поглощения и пропускания Частичные потоки фρ , фα, ф_ зависят от спектрального состава излучения и физических свойств среды. Поэтому свойства среды можно характеризовать спектральными или интегральными коэффициентами. В табл. 1.1 приведены значения интегральных коэффициентов для некоторых веществ.

Для создания определенной направленности излучения в световых приборах применяют отражатели. Их материалы должны иметь наибольшие значения коэффициентов отражения. Такими свойствами обладают металлы, окись магния, мел и др. Конструктивно отражатели выполняют металлическими или стеклянными с металлическим покрытием. Из металлов наибольшее значение коэффициента отражения имеет полирован­ное серебро (0,93), но его в отражателях использовать нельзя: оно покрывается пленкой окислов и теряет свои отражательные свойства. Отражатели выполняют из алюминия или покрывают алюминиевой крас­кой. Коэффициент отражения полированного алюминия равен 0,75—0,8, а коэффициент отражения алюминиевой краски — 0,55. Поверхности в ка­бине экипажа Л А (щитки, приборные доски, пульты, панели) имеют муаровое покрытие для создания диффузного отражения. Коэффициент отражения этого покрытия ρ 0,1.

Земные покровы, на которые совершает посадку Л А, - вещества с не­однородной структурой и шероховатой поверхностью, поэтому они имеют равномерно-диффузное отражение и небольшие значения коэффициентов отражения.

Коэффициенты отражения земных покровов для видимых излучений*

Трава зеленая………………………..............……….0,14(0,09)

Бетон...........…………………………………………….0,17 (0,1)

Асфальт............………......................................….........0,1 (0,07)

Снег....................……......………………………………...0,78 (-)

* Без скобок — для поверхности сухой, в скобках — для влажной.

Поскольку вода хорошо поглощает излучение видимого участка спектра, влажные покровы имеют меньший коэффициент отражения, чем сухие, а за счет пленки воды на поверхности влажные покровы имеют направ­ленно-рассеянное отражение.

Различают направленное, направленно-диффузное и равномерно-диф­фузное пропускание. Когда размеры частиц внутренней структуры ве­щества намного меньше длины волны излучения, происходит направлен­ное пропускание. При нем пространственный угол, внутри которого распространяется поток, вышедший из среды, равен пространственному углу падающего излучения. Направленным пропусканием обладают проз­рачные стекла, гладкие светофильтры, объективы и окуляры, направленно-диффузным пропусканием — матовые стекла, имеющие матировку на вы­ходящей поверхности. При равномерно-диффузном пропускании простран­ственный угол прошедшего потока равен 2π. Равномерно-диффузным пропусканием обладает молочное стекло (прозрачное стекло, внутри которого во взвешенном состоянии находятся частицы с другим показателем преломления).

Рис. 1.2. Прохождение излучения че­рез три светофильтра

На практике излучение источника света проходит несколько светофильтров (сред), прежде чем достигнет приемника излучения. Взаимодействие излучения со средой ослабляем его. На рис. 1.2 показаны светофильтры 1—3 с коэффициентами пропускания ₁ - ₃.

Первоначальное излучение (лампа накаливания) ф₀ проходит через эти светофильтры, излучение ф_3 воспринимается приемником (глазом). Так как ф_1/ ф₀ = ₁; ф_2/ ф_1 =₂; ф_3/ ф_2 = ₃ то после перемножения правых и левых частей этих равенств имеют (ф_1/ ф₀ )* (ф_2/ ф_1 )* (ф_3/ ф_2 ) = ₁₂₃-а после сокращения в левой части получают, что ф_3/ ф_0 = ₁₂₃- Сле­довательно, коэффициент пропускания нескольких светофильтров равен произведению коэффициентов пропускания отдельных светофильтров.

Коэффициенты пропускания авиационных светофильтров имеют следующие значения: красных — от 0,12 до 0,15; зеленых — от 0,15 до О,?, желтых — от 0,4 до 0,5; синих — от 0,01 до 0,03.

При распространении излучения в атмосфере оно ослабляется в основ ном тремя процессами: молекулярным поглощением, молекулярным рас сеянием и рассеянием на инородных частицах. Молекулы составных частей атмосферы поглощают излучение тех длин волн (частот), которые соответствуют резонансным частотам их собственных колебаний. Например, озон поглощает излучение с а < 300 нм, а молекулы воды поглощают длинноволновое излучение.

Молекулярное поглощение зависит от числа молекул в единице объема, а следовательно, и от толщины слоя атмосферы — длины пути прохождения излучения. Численно молекулярное поглощение в единице объема атмосферы для монохроматического излучения определяют по экспоненциальному закону Бугера-Бера:

(1.1)

где — поток, вышедший из объема атмосферы; — поток, вошедшим в слой атмосферы; — коэффициент ослабления потока при молекулярном поглощении; l — толщина слоя атмосферы.

Этот закон справедлив для монохроматического излучения, распространяющегося параллельно в оптически однородной среде.

Из равенства (17.1) получают коэффициент пропускания атмосферы при молекулярном поглощении:

Молекулярное рассеяние — изменение пространственного распределения пучка лучей без изменения частот составляющих его монохроматических излучений. Рассеяние происходит на границе двух молекул или на границе групп молекул, имеющих различную плотность. Значение монохромати­ческого потока, прошедшего через слой сухой и чистой атмосферы, при молекулярном рассеянии определяют тоже по закону Бугера-Бера:

(1.2)

где - коэффициент ослабления потока при молекулярном рассеянии. Из выражения (17.2) находят коэффициент пропускания атмосферы при молекулярном рассеянии:

Если размеры частиц, на границе которых происходит рассеяние, соизмеримы с длиной волны, все лучи рассеиваются в объеме атмосферы одинаково. В сухой и чистой атмосфере размеры частиц намного меньше длин волн составляющих видимого излучения. Рассеяние в такой атмосфере подчиняется закону Рэлея, при котором коэффициент молекулярного рас­сеяния :

(1.3)

где А — коэффициент, характеризующий параметры объема атмосферы.

Из уравнений (1.2) и (1.3) следует, что чем меньше длина волны излучения, тем больше рассеивается поток (уменьшается вышедший поток ). Подтверждением этого служит голубой цвет неба. Коротковолновое излучение солнца рассеивается в атмосфере больше, чем длинноволновое излучение, и создает голубую дымку.

Если наблюдаются дымка, туман, облака, то в атмосфере присутствуют инородные частицы. Их размеры (1 - 20)•10³ нм. При прохождении через атмосферу с инородными частицами излучение ослабляется за счет рас­сеяния на этих частицах и отражения от них. Если размеры частиц более 1•10³ нм, интенсивность рассеяния не зависит от длины волны излучения. В этом случае для определения вышедшего из слоя атмосферы монохроматического излучения используют все тот же закон Бугера-Бера:

Ф'”_ = ф'”_0 ехр (— m_Дl), (1.4)

где Ф'”_ — поток, вышедший из слоя атмосферы; ф'”_0 — монохроматический поток, входящий в слой атмосферы; m_Д - коэффициент рассеяния в дымке, зависящий от концентрации частиц в единице объема атмосферы.

Из формулы (1.4) определяют коэффициент пропускания атмосферы при рассеянии потока на инородных частицах:

Если представить, что монохроматический поток, проходящий через слей атмосферы, первоначально ослабляется за счет молекулярного погло­щения, затем за счет молекулярного рассеяния и рассеяния на инородных частицах, можно определить общий коэффициент пропускания атмосферы как произведение коэффициентов пропускания при ослаблении потоки в различных взаимодействиях с атмосферой

_ = _МП_МР_Л (1.5)

Таблица 1.3

Оценка состояния атмосферы (примеры)

Состояние атмосферы	Балл	МДВ, км	Коэффициент прозрачности атмосферы
Отличная видимость	9	50	0,925
Слабая дымка	7	20	0,7
Слабый туман	3	1	0,02
Сильный »	0	0,05	1•1034

Перемножив коэффициенты пропускания в выражении (1.5), получим

_ = ехр(-m_ l), где m_ = α_MП + m_МР + m_Д

Для слоя атмосферы толщиной в 1 км общий коэффициент пропускиния

_ = ехр( — m_ 1) = Ф_/Ф_0.

Его называют коэффициентом прозрачности атмосферы (отношение монохроматического потока, прошедшем слой атмосферы толщиной в 1 км, к монохроматическому потоку, но шедшему в этот слой). Он характеризует оптическое состояние атмосферы.

Оптическое состояние атмосферы оценивают также метеорологическом дальностью видимости (МДВ) — наибольшей дальностью видимости днем темных предметов с угловыми размерами более 0,5°, проецирующихся на северной стороне неба у горизонта. Темный предмет теряет видимое и, если контраст между предметом и фоном становится меньше среднем порогового контраста для глаза. Контраст же уменьшается из-за рассеяния и поглощения видимого излучения в атмосфере. МДВ имеет десятибалльную шкалу. Для примера в табл. 1.3 приведены несколько оптических состояний атмосферы и оценки этих состояний.

В общем случае, если световой поток проходит сквозь слой атмосферы толщиной L км, поток, вышедший из этого слоя,

ф_ = ф₀ ₁ ^L

где L — показатель степени (толщина слоя атмосферы), км.