Измерение метеорологической дальности видимости

Лекция 17

ИЗМЕРЕНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ

    Понятие "метеорологическая дальность видимости" (МДВ) тесно связано с такими понятиями, как видимый контраст, пороговая контрастная чувствительность глаза. Поэтому прежде, чем излагать способы измерения МДВ, введем ряд определений и установим связь между определенными величинами.

ПОНЯТИЕ КОНТРАСТА.  УРАВНЕНИЕ КОШМИДЕРА.

   Предположим, что некий объект с видимой яркостью  J_o наблюдается на однородном фоне, имеющем яркость  J_f. Тогда понятие контраста (К) определяется из уравнения:

    Совершенно очевидно, что если яркость фона больше яркости объекта, то  0<К<1. Действительно, при J_o.= 0 (черный объект)  К=1, а если  J_f = J_o, то К = 0. В последнем случае объект неотличим от фона. При малом контрасте объект тоже трудно отличить от фона. Минимальный контраст, при котором объект можно различить, называется порогом контрастной чувствительности глаза ε. Обычно 0.02 < ε < 0.05.

   Метеорологическая дальность видимости (МДВ) - это такое расстояние, на котором черный предмет с угловыми размерами 20' становится неразличимым (т.е. видимый контраст К =1) на фоне неба.

   Для того, чтобы связать введенные понятия, напишем уравнение Бугера для видимой яркости фона (J_fv) и объекта (J_ov):

                   

где Jф и Jо - истиная яркость фона и объекта,    - показатель ослаб-

ления света замутненной атмосферой,    - расстояние до точки наблюде-

ния. Учтем, что в мутной атмосфере появляется дополнительный свет,

рассеянный дымкой (Jдоп):

                                                            (17.3)

где Jmax - максимальная яркость дымки при          .

   Тогда уравнения (17.2) примут вид:

                                                            (17.4)

   Видимый контраст  Квид. между фоном и объектом определится, как:

                                                            (17.5)

   Или:

                                                            (17.6)

    Величина (Jф - Jо)/Jф равна, очевидно, истиному контрасту (при

    = 0), а т.к. объект черный, то Jо = 0 и истиный контраст равен

единице. При отходе на расстояние   , равное МДВ, величина Jmax

становится равной яркости фона Jф, а видимый контраст, как следует

из определения МДВ, равен    . С учетом этого уравнение 17.6 примет

вид:

                                                            (17.7)

   Обозначив величину МДВ через L  и подставив в уравнение, найдем:

   и следовательно:

                                                            (17.8)

    Это уравнение, связыввавющее МДВ с показателем ослабления, назы-

вается  УРАВНЕНИЕМ  КОШМИДЕРА. Калибровка измерительных приборов про-

водится с учетом уравнения Кошмидера.

           ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ

                  ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ  М - 53а

    Для измерения МДВ применяются три группы методов.

   1.Визуальные методы.

   2.Инструментально-визуальные методы.

   3.Инструментальные методы.

    Визуальные методы наиболее просты и наименее точны. Они описаны

во многих учебниках, в данном курсе они не рассматриваются.

    К инструментально-визуальнам методам относится налюдения с по-

мощью прибора  М - 53а (поляризационный метод измерения). Прежде,

чем рассматривать устройство этого прибора, напомним, что поляризо-

ванный свет предполагает ориентирование векторов  Е (напряженности

электромагнитного поля) в одном направлении. Глаз человека, чувстви-

тельный только к величине вектора  Е (но не к направлению!) не может

отличить поляризованный свет о неполяризованного. Как известно, по-

ляризатор - например, призма Николя - ориентирует прохРдящий пучок в

двух взаимно перпендикулярных направлениях. Эти два пучка носят ус-

ловные названия - обыкновенный и необыкновенный. Направление поляри-

зации зависит от положения поляризатора.

    Если же за первым поляризатором поместить на пути любого из пуч-

ков второй поляризатор, то амплитуда вектора Е изменится. Яркость

пучка будет зависеть от взаимной ориентации поляризаторов. Если ори-

ентация поляризаторов совпадает, яркость пучка не изменится. Враще-

нием одного из поляризаторов  можно изменять яркость вплоть до пол-

ного "гашения" при взаимно перпендикулярной орииентации осей поляри-

заторов.

    Представим себе теперь, что черный объект, находящийся в 5 - 10

метрах от наблюдателя, проектируется на далекий фон (лес, темный бе-

рег и т.п.). При хорошей прозрачности атмосферы контраст  объекта и

фона значительный. При замутненной атмосфере контраст ухудшается, а

в достаточно плотном тумане может быть менее пороговой чувствительно-

сти глаза.

    Теперь рассмотрим оптическую схему прибора М-53а (рис.17.1).

Главной его частью являются два поляризатора - неподвижный (2) и

подвижный (2'). Стекло (1) пре-

дохраняет прибор от пыли и вла-

ги. Перед наблюдением  черный

объект (коробка) устанавливает-

ся на расстоянии 5 - 10 м. от

точки наблюдения так, чтобы он

проектировался бы на удаленном

фоне. Наблюдатель выбирает изо-

бражения фона и коробки, поля-

ризованные в двух взаимно пер-

пендикулярных направлениях -      Рис.17.1. Оптическая схема М-53.      

например, "необыкновенный" луч

от фона (Нф) и "обыкновенный" луч от коробки (Окор). Поскольку изна-

чально луч уже поляризован первым поляризатором, то вращением второ-

го поляризатора с помощью ручки (3)

можно добиться одинаковой яркости

Нф и Окор ,т.е. нулевого контраста

(рис.17.2). Очевидно, при замутнен-

ной атмосфере, когда видимый конт-

раст сам по себе мал, для этого по-

требуется повернуть ручку (3) на

небольшой угол и отсчет по шкале (4)

будет невелик. Деления по шкале (4)

связаны со значением МДВ специаль-

ными таблицами.                                    Рис.17.2.

   Перечислим недостатки прибора М - 53.

    1.Невозможность измерения в ночное время.

    2.Субъективность измерений, т.к. установление нулевого контраста

      фона и объекта зависит от качества зрения наблюдателя.

   Для обеспечения наблюдений в темное время суток ранее выпускался

прибор  М - 71, регистрирующий пучок света, отраженный аэрозолями. В

настоящее время в связи с появлением более точных и удобных в обраще-

нии приборов, выпуск нефелометрической установки  М - 71  прекращен.