Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой земли, страница 7

где ₀ — постоянная, а n называют показателем Ангстрема. Для очень маленьких по сравнению с длиной волны частиц формула рэлеевского рассеяния дает n = 4, а для очень больших частиц, сечение рассеяния которых сравнимо с геометрическим сечением, n = 0. Показатель Ангстрема п для аэрозолей обычно лежит в пределах между 0,2 и 2. Частицы приморских аэрозолей имеют самый большой размер (радиус капельки равен 0,2 мкм) и наименьшие значения п. Для большинства других аэрозолей значение п близко к 1, хотя на больших высотах (стратосферные и высотно-тропо- сферные аэрозоли) частицы имеют очень маленькие размеры и ___________________.

4.4. Более крупные частицы:туман, облака, дождь и снег

            В любое время около половины поверхности Земли покрыто облаками. Датчики излучения видимого диапазона, а иногда и работающие в других спектральных областях, испытывают затруднения в условиях большой облачности, и особенно серьезные проблемы возникают при зондировании из космоса, так как спутники нечасто бывают строго над одной и той же точкой поверхности Земли (см. гл. 10). Например, было подсчитано, что спутник Landsat, появляющийся над одним и тем же местом 1 раз в 16 суток, окажется над какой-либо точкой в Британии в условиях безоблачной погоды 1 раз в году и только дважды в году при силе облачности в 1 окта (окта соответствует покрытию 1/8 части неба облаками). Вероятность 10%-й облачности при однократном наблюдении со спутника Landsat над континентальной территорией США составляет от 0,05 до 0,4, а число наблюдений, которые нужно выполнить, чтобы с вероятностью 75 % гарантировать измерения в условиях 10 %-й облачности, колеблется между 5 и 100 (Goetz, 1979). В высокоширотных областях ситуация с облачностью может быть значительно хуже (Marshall и др., 1994).

Количество осадков также может оказывать значительное влияние на распространение электромагнитного излучения. Когда идет сильный дождь, большое значение имеет скорость дождевого потока, так как от этого зависит распределение как размеров капелек, так и их числа.

Ослабление электромагнитного излучения под влиянием этих метеорологических явлений может приносить как пользу, так и затруднения. При проведении наблюдений, результаты которых предполагается использовать для характеристики поверхности Земли, этот эффект причиняет неудобства, так как требует учета дополнительных поправок, а иногда и вовсе делает процесс измерений невозможным. С другой стороны, можно извлечь полезную информацию о самом метеорологическом явлении по его воздействию на излучение, например, с помощью микроволновых дождевых радаров.

Туман и низкие облака (до 3000 м) состоят из водных капелек, но они имеют гораздо больший размер (10—50 мкм), чем капельки аэрозоля. В видимой и инфракрасной областях спектра здесь тоже ведущее значение имеет рассеяние. Мы можем использовать довольно грубую модель рассеяния, положив, что все капельки имеют одинаковый радиус а и что сечение рассеяния равно геометрической площади а². Если концентрация капелек (их число на единицу объема) равна N, то для коэффициента рассеяния получим:

Плотность жидкой воды в тумане или облаке определяется формулой:

где _w — плотность воды, а так как мы условились считать капельки сферическими, то для коэффициента рассеяния получим выражение:

Поскольку радиус капелек не зависит от плотности р, это уравнение означает, что коэффициент рассеяния примерно пропорционален плотности жидкой воды в облаке. Ее величина составляет от 10^-4 кг/м³ для тумана и тонких облаков и до 10^-2 кг/м³ для густых облаков, и поэтому значения коэффициентов рассеяния оказываются в диапазоне от 1 до 100 км^-1. Типичная толщина облачного слоя составляет 1 км, поэтому все облака, кроме самых тонких (и тумана, толщина слоя которого обычно около 50 м), оптически непроницаемы, их оптическая толщина составляет от 1 до 100.