Задачник по общей метеорологии БРОЙДО, ЗВЕРЕВА

13.25. Во сколько раз различаются поперечные сечения молекулярного рассеяния и вклады за счет молекулярного рассеяния

рая гармоника на иттрий-алюминиевом гранате и ОКГ на стекле с неодимом. Использовать приложение 30. Почему ответы в обоих

13.27. Сравнить потери энергии излучения двух ОКГ с дли-

и все ослабление считать только аэрозольным?

164.

13.28.* Вычислить оптические толщины однородной идеальной

объема 2,687-1025 м-3, высота однородной атмосферы Я = 8434,4 м. Оптические индексы рефракции для указанных лучей приведены в табл. 27 (приложение 41). Длины волн фиолетовых и красных лучей различаются в 2 раза. Почему оптические толщины различаются в 17 раз? Варианты исходных данных см. табл. 27 (приложение 41).

13.29.* Используя результаты предыдущей задачи, вычислить для однородной идеальной атмосферы коэффициенты прозрачности, обусловленные молекулярным рассеянием, для фиолетовых, желто-зеленых и красных лучей. Сколько процентов энергии лучей каждого цвета могло бы дойти до земной поверхности в идеальной атмосфере, если бы Солнце было в зените? Сколько процентов теряется за счет рассеяния? На какие цвета приблизительно приходятся оптические центры (цвет смеси лучей) прямого солнечного и рассеянного света после прохождения одной массы атмосферы? К красному или к фиолетовому концу спектра будут перемещаться оптические центрыпучков прямого и рассеянного

сеянием, для УФ и ИК лучей солнечного спектра. Сколько процентов энергии УФ и ИК лучей теряется за счет молекулярного рассеяния при прохождении одной массы атмосферы? В каких лучах выгоднее фотографироватьдалекие объекты: в УФ, видимых или в ИК лучах? Почему? Учитывая большую изменчивость спектрального коэффициента прозрачности в диапазоне длин волн

рассеяния составила 98 %, если объемный коэффициент молекулярного рассеяния для данной длины волны равен 1,162-Ю-2 км- 1 . Считая длину волны 0,55 мкм наиболее характерной для светового потока, ответьте, на каком расстоянии световые потоки от любых наземных предметов полностью рассеиваются (с точностью до 2 %) даже в идеально чистой и сухой атмосфере? Иначе говоря, какова максимальная дальность видимости в горизонтальном направлении в идеально чистой и сухой атмосфере?

165.

13.4. Аэрозольное ослабление

Объемный коэффициент аэрозольного рассеяния оа выражается

терны для широких, а большие (8—10) для узких спектров

Расчеты общих коэффициентов аэрозольного ослабления аа (Я) для наиболее типичных параметров микроструктуры водяных облаков и туманов (приложение 25) и атмосферной дымки (приложение 26) выполнены в Сибирском отделении АН СССР под руководством В. Е. Зуева. Коэффициенты аа (Я) при других значениях метеорологической дальности видимости SM можно полу-

Значения аа (Я) для атмосферной дымки, которая характери-

166.

параметра |3 = 3,5 для излучений в ЙК области спектра, можно вычислить по формуле

аэрозоля (обычно его характеристики и вертикальное распределение неизвестны), для оценок аа (Я).и 0а(Л) используют эмпири-

тах 6 и 30 км. Расчет тм выполнить по формуле (13.2), произведя

молекулярной, аэрозольной и озонной атмосфер? Результаты пред-

167.

Какая оптическая толщина является максимальной: у поверхности Земли, на высоте 6 км или на высоте 30 км?

13.37. Используя таблицу с результатами из предыдущей задачи, вычислить для стандартной атмосферы для длины волны 0,55 мкм (при т = 1) общий коэффициент прозрачности и коэффициенты прозрачности, обусловленные молекулярным, аэрозольным и озонным ослаблением в отдельности, а также потери солнечной энергии за счет этих ослаблений у поверхности Земли, на высотах 6 и 30 км.

13.38. Вычислить коэффициенты пропускания для слоя облаков толщиной 100 м и потериэнергии при прохождении этого слоя волнами видимой части спектра — от 0,38 до 0,78 мкм. Значительно ли изменяются коэффициенты аэрозольного ослабления и пропускания, а также потери энергии излучения для всех длин волн видимой части спектра? Как называется такое ослабление? Почему некоторые облака и многие туманы имеют белый цвет?

и ИК лучей? Имеется ли существенное преимущество в фотографировании или зондировании облаков с помощью ИК лучей

всравнении с видимыми?

13.40.Над большим аэродромом образовался туман с наиболее вероятным радиусом капель а = 1 мкм и характерным узким

спектром распределения капель ( р = 1 0 ) . Через некоторое время при сохранении среднего радиуса капель неизменным спектр распределения капель тумана по размерам стал широким (ja = 2). Какой путь в тумане должны пройти инфракрасные лучи с длиной волны 10 мкм в начальной и конечной стадиях тумана, чтобы на этом пути энергия данной длины волны уменьшалась и составила

мане только за счет изменения спектра распределения капель от узкого до широкого при сохранении других характеристик микро-

станет размер 10 мкм, а спектр распределения капель останется

168.

= 0,2 км) должны пройти электромагнитные лучи с длинами волн 0.31 и 0,69 мкм (ОКГ на рубине), чтобы их энергетические потери составили бы 99 % • Использовать приложение 25,- Какие оптические толщины проходят лучи на таком пути в облаке?

13.43. Какой горизонтальный путь в приземном слое атмосферы могут пройти электромагнитные лучи с длинами волн 0,31 и 0,69 мкм при наличии дымки с наиболее типичными парамет-

ние 26. Какие оптические толщины проходят эти лучи в данном •случае? Сравните ответы данной задачи и предыдущей. Почему длины пути лучей в облаке практически одинаковы, а в атмосфере сильно различаются? Почему оптические толщины для обеих длин волн оказались в облаке и в атмосфере при дымке одинаковыми?

13.44. Какой путь в облаке или тумане с наиболее типичной

воблаке? Использовать приложение 25.

13.45.Какой горизонтальный путь в приземном слое атмосферы при наличии дымки с наиболее типичными параметрами микро-

с длинами волн 5,27 и 10,6 мкм, чтобы их энергетические потери составили 9 9 % . Какие оптические толщины при этом проходят данные лучи в атмосфере? Использовать приложение 26. Сравните ответы к данной задаче и задачам 13.42—13.44. Почему пути всех лучей в облаке практически одинаковы, а в атмосфере при дымке значительно различаются? Какова оптическая толщина слоя облака или тумана, который могут «пробить» любые электромагнитные волны (УФ, видимого или ИК областей спектра), в том числе и любые излучения ОКГ из этих диапазонов? Чем определялась оптическая толщина в задачах 13.42—13.45, как в облаках, так и в атмосфере при дымке?

а также Шифрина и Минина, вычислить коэффициенты аэрозоль-

1, 2, 5, 10, 20, 50 км. На сколько процентов максимально различаются результаты: а) при плохой видимости; б) при отличной видимости?

13.48. Вычислить коэффициенты аэрозольного рассеяния излучения лазера на рубине (К = 0,69 мкм) при метеорологической дальности видимости 1, 2, 5, 10, 20, 50 км, используя приложе-

169.

ние 26, составленное для 5М = 10 км и считая, что величина ста обратно пропорциональна SM• Результаты занести в таблицу, в первую и вторую строки которой записать результаты из предыдущей задачи. Вычислить в процентах относительную разность значений аа , рассчитанных по формулам Кошмидера, а также Шифрина и Минина и по более точным данным, приведенным в приложении 26. Какая из формул дает результаты ближе к более точным данным? По какой формуле легче выполнять расчеты?

13.5.Лазерное зондирование атмосферы

Вкачестве примера использования оптических методов зондирования, основанных на измерении яркости рассеянного света, поступающего от различных слоев или оптических толщин атмосферы, остановимся только на лазерном. Этот метод быстро развивается, поскольку большая мощность, направленность, монохроматичность и поляризованность луча лазера делают его чрезвычайно перспективным.

рассеяния и модулям индикатрис рассеяния назад, соответствую-

циентов молекулярного и аэрозольного рассеяния. Если коэффициенты обратного молекулярного рассеяния вычислить по вертикальному профилю стандартной атмосферы, то по зарегистриро-

ным рассеянием. Такая информация дает представление о наличии аэрозольных слоев, об их стратификации и динамике. Однако из нее нельзя полунить однозначную информацию о профиле объемного коэффициента аэрозольного рассеяния. Это можно сделать только, если имеется дополнительная информация о неко-

Исследования, проведенные в ИОА СО АН СССР, в ЦАО и рядом иностранных ученых, показали, что для разных типов обла-

* Слово лидар составлено из первых букв английского названия установки light detection and ranging .

170.

ков и туманов с наиболее вероятными параметрами микроструктуры имеет место линейная зависимость между ая а (2) и cra(z):

Средние значения К для разных форм облаков, полученные Кэрриером *, приведены в приложении 29.

По восстановленному профилю о (г) можно вычислить распределение водности облака q(z) и концентрацию средних капель jVk(z), если задана или известна функция распределения облачных

где р — параметр гамма-распределения капель по размерам, а — средний радиус капель, р — плотность воды.

Интенсивность аэрозольных слоев, обнаруживаемых при вертикальном лазерном зондировании удобно характеризовать с помощью величины D, представляющей собой отношение объемного коэффициента рассеяния назад к объемному молекулярному коэффициенту рассеяния назад, т. е.

Задачи

13.49. Вертикальное зондирование атмосферы с помощью ОКГ на рубине (К — 0,69 мкм) было проведено Катерле в Баварских Альпах в 1968 г. По эхо-сигналам, пришедшим с разных высот, были получены следующие значения суммарного коэффициента обратного рассеяния:

171.

Используя приложение 23, вычислить объемные коэффициенты обратного аэрозольного рассеяния и значения D на всех указанных высотах. Построить вертикальный профиль D (по оси ординат

в максимуме концентрации аэрозольного слоя? На каких высотах наблюдавшееся обратное рассеяние можно практически считать молекулярным?

13.50. Выполнить задание задачи 13.49, используя результаты лазерного зондирования атмосферы в Карадаге в 1971 г., если значения суммарных объемных коэффициентов обратного рас-

Если объемные коэффициенты обратного аэрозольного и молекулярного рассеяния одинаковы, то будут ли одинаковы соответствующие объемные коэффициенты? Для какого типа рассеяния объемный коэффициент будет больше и почему?

в зените, максимальный отраженный сигнал пришел от тонкого слоя с высоты около 68 км. Этому сигналу соответствовал объемный коэффициент обратного рассеяния 2,54-Ю-6 км- 1 -ср- 1 . Установить соответствовало ли значение эхо-сигнала только молекулярному рассеянию или оно было больше и говорило о присутствии аэрозольных частиц, составляющих серебристые облака? Во сколько раз обратное рассеяние серебристым облаком на этой высоте больше обратного молекулярного? Чему равнялось D на высоте серебристого облака? Использовать приложения 23 и 30.

13.52. Эхо:сигналы лазерного импульса, принятые от облаков двух различных форм, оказались одинаковыми. Лидарное отношение для первого облака равно 0,050, для второго 0,033. В каком из этих двух облаков объемный коэффициент аэрозольного рассеяния и оптическая толщина больше и во сколько раз? Где лазерный луч сможет «пробить» большую оптическую толщу облака?

13.53. Импульсным ОКГ на рубине (Л = 0,69 мкм) зондирова-

172.