Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Дальность видимости. Различают геометрическую, оптическую и метеорологическую дальность видимости. Геометрическая дальность видимости АС (рис. 1.5.2) определяется кривизной Земли и светового луча и зависит от высоты наблюдателя и наблюдаемого объекта. Оптическая дальность видимости — это расстояние, на котором реальный объект при данных условиям погоды, освещения и наблюдения находится на границе восприятия зрением. Она зависит от прозрачности атмосферы, остроты зрения наблюдателя, свойств наблюдаемого объекта и фона, на котором наблюдается объект. Все указанные факторы весьма изменчивы, поэтому оптическую дальность видимости затруднительно применять в практических целях в качестве метеорологического элемента.

Рис. 1.5.2. Дальность видимости горизонта.  

 

Дальность видимости реальных объектов и огней в море ночью будет равна наименьшему значению одной из трех величин: геометрической, оптической и метеорологической дальности видимости. 

 

Поднятие (снижение) горизонта. К явлениям, связанным с земной рефракцией, относятся случаи поднятия и снижения горизонта. При отсутствии рефракции дальность видимого горизонта Д0 определяется геометрической дальностью.

 где Д0 — геометрическая дальность видимого горизонта в км; h—высота глаза наблюдателя в м.

С учетом земной рефракции дальность видимого горизонта может быть определена из выражения где k = - dn/dr, R— радиус Земли.

При стандартных значениях давления и температуры Д = 1,08 Д0.

В этих условиях поднятие горизонта невелико и мы обычно его не замечаем. Если же k<0, то Д<Д0 т. е. отмечается отрицательная рефракция, луч вогнут кверху и касается Земли ближе, чем прямолинейный. Наконец, при k>0 Д>Д0 — положительная рефракция, горизонт приподнят.

Изменение дальности видимого горизонта определяется характером изменения температуры, а следовательно, и плотности воздуха по высоте. При падении температуры отмечается положительная рефракция, а при инверсии — отрицательная. При положительной рефракции происходит поднятие горизонта, и мы видим предметы, обычно скрытые кривизной Земли. В этом случае Д существенно больше Д0. При отрицательной рефракции горизонт кажется пониженным, и мы не видим даже тех предметов, которые видны в обычных условиях; в этом случае Д много меньше Д0.

Наибольшее поднятие горизонта отмечается в холодных воздушных массах (температура по высоте падает). Понижение горизонта наблюдается в теплых воздушных массах. Это явление особенно характерно в прибрежной зоне, когда с берега натекает на море теплый сухой воздух. 

 

Метеорологическая дальность видимости является одной из характеристик прозрачности атмосферы, и ее следует отличать от реальной дальности видимости различных объектов, которая зависит не только от прозрачности атмосферы, но и от цвета объектов, их размеров, удаленности от пункта наблюдений, освещенности и фона.

Метеорологической дальностью видимости называется то наибольшее расстояние, с которого в светлое время суток можно обнаружить на фоне неба вблизи горизонта (или на фоне воздушной дымки) абсолютно четкое тело достаточно больших угловых размеров (больше 15 угловых минут). Видимость определяется с верхнего мостика. Оценивается она по международной 10-балльной шкале (от 0 до 9 баллов) в метрах, километр кабельтовых, милях.

При плавании вблизи берегов следует определять видимость отдельно в сторону моря и отдельно в сторону берегов и записывать в журнал наименьшую видимость.

Для определения видимости в сторону берегов используются имеющиеся в поле зрения и обозначенные на карте отдельные мысы, горы, здания, маяки, знаки и т.п., расстояние до которых известно Объекты должны быть видимы с места наблюдения под углом не более 5-6° к горизонту. В исключительных случаях, при видимости более 1 мили, допускается использование объектов, видимых под углом к горизонту до 11°.

В открытом море, вдали от берегов, при отсутствии в поле зрения каких бы то ни было объектов, необходимых для определения метеорологической дальности видимости, допускается оценка так называемой реальной поверхности моря. При отсутствии других сведений о видимости, величина реальной видимости используется как вспомогательная характеристика в оперативных целях.

Оценка реальной видимости поверхности моря производится по четкости линии действительного горизонта или по дальности видимости поверхности моря, определяемой визуально (табл. 2.).

При этом следует руководствоваться следующими принципами:

а) если видимость настолько хорошая, что поверхность моря видна вплоть до линии горизонта, то балловая оценка реальной видимости поверхности моря определяется в зависимости от высоты места наблюдений по четкости линии горизонта согласно табл. 2.;

б) если видимость настолько плоха, что линия действительного горизонта не видна, то наблюдатель старается определить на глаз, на каком расстоянии поверхность моря становится невидимой.

Табл. 2. Признаки для оценки реальной дальности видимости моря по четкости действительного горизонта

Высота места наблюдений  над уровнем моря, м	Четкость горизонта	Видимость,  баллы
1-7	Очерчен резко	8и9
	Виден удовлетворительно	7
	Виден неясно	6
	Не виден	5
8-27	Очерчен резко	9
	Виден удовлетворительно	8
	Виден неясно	7
	Не виден	6

 

 

Ночные определения дальности видимости по объектам нельзя производить сразу же после выхода наблюдателя из светлого помещения. Необходимо выждать, когда глаза привыкнут к темноте. Время, необходимое для адаптации глаз (приспособления к темноте), составляет 10 -15 мин. Другим важным условием правильности определения дальности служит отсутствие огней на судне в поле зрения наблюдателя. Объекты для ночных наблюдений не должны быть источниками света и не должны находиться в поле освещения других искусственных источников света.

Если ночь темная и визуальное определение видимости невозможно, то следует использовать установленную зависимость дальности видимости от атмосферных явлений. Если наблюдается одновременно несколько атмосферных явлений, то указывается наименьшая (из соответствующих им) видимость. 

 

Рефракция электромагнитных волн в тропосфере.

Отрасль знания, изучающая влияние процессов тропосферы на распространение ультракоротких волн в ней, называется радиометеорологией.

Влияние атмосферы на распространение ультракоротких радиоволн сводится к процессам преломления, рассеяния и поглощения энергии. Все эти процессы связаны с поляризацией молекул газов, которая осуществляется под влиянием .внешнего электромагнитного поля.

До воздействия внешнего электромагнитного излучения молекулы большинства газов, составляющих атмосферу, являются электрически нейтральными, т. е. положительные заряды атомных ядер уравновешены отрицательными зарядами их электронных оболочек.

Под влиянием внешнего электромагнитного поля электронные оболочки атомных ядер деформируются, в результате чего образуется асимметрия электростатического поля атомов и последние приобретают электрический заряд (поляризуются), а в среде в целом образуется внутреннее электромагнитное поле с направлением, противоположным внешнему. Поскольку внешнее электромагнитное поле меняет знак в соответствии с частотой колебаний, то и внутреннее поле меняет свой знак. Однако изменение поляризации молекул не успевает за изменением знака внешнего поля (явление релаксации), что сильно усложняет взаимодействие внутреннего и внешнего полей и приводит к уменьшению скорости распространения электромагнитных волн в атмосфере, а следовательно, и к их преломлению. Очевидно, что чем больше молекул в единице объема, тем сильнее внутреннее поле воздействует на внешнее, поэтому скорость распространения электромагнитных волн уменьшается с увеличением плотности атмосферы.

В составе атмосферы имеются и такие газы, молекулы которых в силу особых свойств молекулярного строения имеют постоянный электрический заряд (дипольные молекулы). К числу таких газов прежде всего относятся молекулы водяного пара, обладающие постоянным электрическим дипольным моментом. Небольшим электрическим зарядом характеризуются молекулы углекислого газа, и, наконец, молекулы кислорода имеют постоянный магнитный момент. При отсутствии внешнего электромагнитного поля молекулы этих газов из-за хаотического теплового движения ориентированы самым различным образом, так что векторная сумма их зарядов в единице объема и внутреннее поле равны нулю.

Внешнее электромагнитное поле своим воздействием стремится ориентировать диполи таких молекул в направлении распространения поля, на что расходуется его энергия и, кроме того, возникает внутреннее поле, обратное внешнему, или. как говорят, происходит тепловая ориентационная поляризация молекул, в противоположность электронной поляризации, характерной для нейтральных молекул. Молекулы, имеющие постоянные электрический и магнитный заряды, подвергаются также и электронной поляризации.

Очевидно, что воздействие внутреннего поля дипольных молекул будет тем больше, чем больше их количество в единице объема, а это значит, что скорость распространения электромагнитных волн будет уменьшаться с увеличением парциальной плотности газов, молекулы которых имеют постоянные дипольные моменты.

Надо заметить, что тепловая ориентационная поляризация для волн оптического диапазона несущественна, так как ориентация молекул не успевает следовать за высокой частотой электромагнитного поля. Для радиодиапазона тепловая ориентационная поляризация имеет основное значение, поэтому учет влажности при определении градиентов показателя преломления атмосферы обязателен. Показатель преломления радиоволн в атмосфере выражается формулой

где е—упругость водяного пара в мб; остальные обозначения прежние.

Первый член правой части формулы учитывает влияние электронной поляризации всех газов атмосферы, а второй — тепловой ориентационной поляризации водяных паров.

Рефракция УКВ. Известно, что УКВ, как я световые волны, вследствие малой дифракции у поверхности Земли распространяются прямолинейно. Поэтому максимальная дальность обнаружения (и связи) должна быть равна расстоянию, на котором объект скрывается за горизонтом. Такое положение наблюдается только в том воображаемом случае, когда атмосфера однородна как по вертикали, так и по горизонтали. В действительности атмосфера неоднородна; ее коэффициент преломления (п), определяющий скорость распространения радиоволн в пространстве, распределен неравномерно, а в данной точке изменяется и во времени.

В силу этих обстоятельств траектории УКВ оказываются не прямолинейными, а искривленными, и дальность радиогоризонта становится несколько большей, чем дальность геометрического горизонта. Градиенты коэффициента преломления по вертикали во много раз больше, чем по горизонтали, поэтому радиолучи искривляются главным образом в вертикальной плоскости, хотя может наблюдаться и боковая рефракция. Как и в случае рефракции световых волн, может иметь место земная и астрономическая радиорефракция с теми же следствиями.

Принципиальное отличие рефракции радиоволн от рефракции световых волн состоит в том, что показатель преломления первых сильно зависит от упругости водяных паров в атмосфере, в то время как для вторых его влияние несущественно.

Стандартная дальность обнаружения (или дальность связи) обычно наблюдается в '/4 всех случаев. Дальность радиогоризонта определяется по формуле Д = 4,12 √h1 + √h2 , где h1 и h2 – высоты антенн приемника и передатчика или антенны РЛС и объекта наблюдения в м.

В реальных условиях могут наблюдаться следующие случаи: отсутствие рефракции, отрицательная рефракция и положительная рефракция.

Кроме того, часто встречается так называемое волноводное распространение радиоволн, при котором радиолуч испытывает многократные отражения от земной поверхности и от слоя, расположенного на высоте нескольких десятков метров. Распределение показателя преломления по высоте в таких случаях следующее. От поверхности Земли до некоторой высоты (высоты атмосферного волновода) показатель преломления резко падает, а далее его градиент имеет значение, близкое к стандартному.

Слои с большим вертикальным градиентом показателя преломления всегда ограничены по высоте; их толщина, как правило, не превышает несколько десятков и в редких случаях сотен метров. В этом случае луч распространяется между двумя поверхностями со сравнительно большой проводимостью, что напоминает распространение энергии в металлических волноводах. Благодаря многократному отражению энергии от проводящих поверхностей дальность распространения радиоволн увеличивается во много раз. Аналогия с металлическим волноводом проявляется и в том, что чем толще слой, тем длиннее волна в нем «захватывается». Поэтому атмосферные волноводы малой интенсивности (малая толщина слоя и малые вертикальные коэффициенты преломления) тем эффективнее, чем короче волна распространяется в них.

До сих пор мы рассматривали влияние земной радиорефракции на дальность радиогоризонта, что нельзя отождествлять с дальностью распространения электромагнитной энергии, а следовательно, и с дальностью приема или радиолокационного обнаружения объектов.

Дело в том, что при распространении радиоволн над земной поверхностью всегда происходит интерференция волн, идущих от источника излучения в точку приема по определенной траектории, и волн, падающих на земную поверхность и затем отражающихся от нее вверх. Вследствие этого характеристика излучения имеет форму пространственных лепестков. При пониженной и повышенной рефракции эта характеристика сохраняется, хотя и деформируется. При отрицательной рефракции лепестки приподнимаются кверху, уменьшая напряженность поля вблизи Земли, а при положительной - прижимаются к Земле, создавая благоприятные условия для приема или радиолокационного обнаружения.

При сверхрефракции лепестковая структура поля нарушается из-за многократного отражения от верхней границы атмосферного волновода и от земной поверхности. При этом напряженность поля у Земли сильно повышается. Атмосферные волноводы могут быть не только приводными (приземными), но и приподнятыми, т. е. начинающимися не от поверхности Земли, а на некоторой высоте. Если излучатель и приемник находятся внутри таких волноводов, то их влияние будет аналогично влиянию приводных (приземных); при другом расположении излучателя и приемника влияние таких волноводов усложняется.