Профессор Шаронов В.В., Наблюдение и видимость
реклама
НАБЛЮДЕНИЕ И ВИДИМОСТЬ Профессор В.В. Шаронов III. ВИДИМОСТЬ В МУТНОМ ВОЗДУХЕ Туманы и мгла С удачно выбранного возвышенного пункта наблюдения можно обозревать широкое пространство в десятки, порою даже в сотни километров. Но отнюдь не всегда. Увидеть гору, удаленную на 100 км или больше, можно только в том случае, когда атмосфера чиста и прозрачна. Достаточно малейшего помутнения воздуха, и гора скроется от наблюдателя за мутной пеленой, называемой воздушной дымкой. Чем больше мутность атмосферы, тем хуже видны отдаленные предметы и тем короче то расстояние, на котором их удается рассмотреть. При тумане, когда воздух особенно мутен, ничего нельзя разобрать уже на расстоянии в километр. Зачастую видимость прекращается уже на расстоянии сотни метров, а бывают и такие густые туманы, сквозь которые ничего не видно на расстоянии в несколько шагов. Главная причина помутнения воздуха и возникновения дымки, туманов - это сгущение водяного пара. Пока пар сохраняет присущие ему свойства газа, он такой же прозрачный, как и воздух, и поэтому на прозрачность атмосферы влияет мало. Но вот начинается превращение пара в воду. В воздухе образуются мельчайшие, не видимые глазом водяные капельки. Луч света, попадающий на такую капельку, отражается от нее, рассеивается во все стороны. А так как капелек очень много, то большая часть проходящих через воздух лучей разбрасывается, рассеивается в разные стороны, и в результате вся толща воздуха светится тусклым белым светом. Из прозрачного и бесцветного воздух становится мутным, белым, как молоко. Чем гуще туман, чем больше капелек приходится на единицу объема воздуха, тем меньше прозрачность атмосферы и тем хуже видны далекие предметы. При легком тумане предметы, удаленные на километр, уже становятся невидимыми для глаза. При тумане средней плотности можно видеть не далее 100-300 м, а при очень плотных туманах видимость иногда ограничивается несколькими метрами. Облака - это тот же туман, но собранный в слоях на некоторой высоте над землей. Когда самолет, поднимающийся вверх, входит в облачный слой, летчик оказывается в густом белом тумане, сквозь который ничего не видно ни вниз, ни вверх, ни в стороны. Капельки, образующие туман, такие мелкие и легкие, что могут долго носиться в воздухе, не падая и не оседая. Если же при продолжающемся сгущении пара они становятся крупнее, то им уже не удержаться в атмосфере, и они начинают постепенно опускаться книзу. Получается "морось", или моросящий дождь, при котором воздух заполняется мелкой водяной пылью, медленно оседающей на мокрую землю. Чем крупнее капли, тем быстрее они падают вниз. Сильный ливень чувствительно хлещет в лицо, потому что крупные капли, из которых он состоит, падают на землю с большой силой. Зимой на видимость сильно влияет выпадение замерзшей влаги - снега. Во время метелей завеса из снежных хлопьев нередко скрывает от наблюдателя даже самые близкие предметы. Когда падающие из туч на землю снежные хлопья смешиваются со снежным вихрем, поднятым сильным ветром с земли, воздух становится для световых лучей настолько непроницаемым, что ничего не видно даже в двух шагах. Видимость становится настолько плохой, что трудно двигаться пешеходу. Случается, что путник, застигнутый метелью, сбивается с дороги, часами кружит на одном месте и иногда замерзает буквально в нескольких шагах от своего дома, который никак нельзя разглядеть сквозь плотную снеговую завесу. Не только вода в жидком или твердом виде может сильно снижать прозрачность воздуха. Различные твердые частицы - мелкие песчинки, дым и даже живые микроорганизмы, плавая в воздухе, делают его мутным и снижают видимость далеких предметов. Летом в южных, а особенно в юго-восточных областях нашей страны настоящие влажные туманы бывают редко. Зато в теплое время года там часто бывают сухие туманы, образованные мелкой минеральной пылью. В степях, особенно в пустынях, почва летом высыхает, а растительность выгорает. Достаточно подуть небольшому ветру, и с обнаженной поверхности земли поднимаются столбы пыли. При сильных ветрах в воздух поднимается не только пыль, но и довольно крупный песок. Бури в пустынях сопровождаются настоящими песчаными метелями, когда пыль и песок, поднятые вверх, заволакивают небо и заслоняют Солнце. Вокруг делается заметно темнее. Воздух при этом становится таким мутным, что уже в нескольких шагах ничего не видно. Пыль, поднятая ветром в пустынях, может переноситься на огромные расстояния. Известно, что пыль африканских пустынь иногда достигает Центральной Европы. У нас пыль из прикаспийских пустынь несется юго-восточными ветрами и дает характерное явление "помоху" даже в центральных районах страны. Самые мелкие пылинки способны так долго держаться в воздухе, что воздушные течения переносят их через целые материки. В засушливые годы в северной полосе Европейской части СССР и Сибири начинаются сухие туманы из-за лесных пожаров, когда значительные пространства высохших лесов, кустарников и болот легко воспламеняются от малейшей искры. Неудивительно, что при устойчивой жаркой и сухой погоде каждый день образуются тысячи новых очагов лесных и торфяных пожаров. Там, где население редкое, тушить их трудно. Горит лес, тлеет торф, и едкий сероватый дым с характерным запахом гари разносится широко вокруг, делая воздух мутным и непрозрачным. Эта гарь может распространяться на тысячи километров, проникая далеко за пределы лесной зоны. Если пылевая мгла, как правило, усиливается с ветром, то дымовые туманы, наоборот, гуще всего в тихую погоду, так как ветер рассеивает дым и тем самым проясняет атмосферу. Немало способствует увеличению мутности воздуха и деятельность человека. В сухое время даже езда по полевым дорогам заметно влияет на прозрачность воздуха, так как поднимает много пыли. В степи идущий автомобиль часто виден за десятки километров по громадному облаку пыли, которое его сопровождает. Большие города и заводы всегда бывают окутаны серой завесой мутного воздуха. Тут и уличная пыль, и пары бензина от автомобилей, но больше всего дыма, выбрасываемого многочисленными трубами фабрик и заводов. В этой пропитанной сажей, пылью и разными газами атмосфере влага сгущается особенно легко, вследствие чего в больших городах не только сухие, но и влажные туманы бывают гораздо чаще, чем в сельской местности. От этого ухудшаются не только условия видимости далеких предметов (что, например, очень мешает регулярной работе городских аэродромов и аэропортов), но и условия освещения естественным дневным светом. К тому же пропитанный всякими химическими продуктами туман вреден для здоровья. Поэтому с дымом и пылью в городах всегда ведется энергичная борьба. То, что в условиях мирной жизни является недостатком, в условиях войны может оказаться очень полезным. В боевой обстановке иногда очень важно скрыть от противника перемещения войск, укрыть от взоров вражеской авиации поселок, завод или здание, спрятать, хотя бы на короткое время, свои корабли или самолеты. Здесь на помощь приходят искусственно создаваемые в воздухе туманы. Это - дымовые завесы, широко применяемые в современной войне. Для получения маскирующих дымовых завес употребляются различные дымообразующие составы, которые горят, выделяя много густого дыма. В тихую, безветренную погоду полоса такого дыма, медленно ползущего по местности или выпускаемого идущим кораблем или самолетом, образует пелену, которая скрывает от взора противника все, что находится за ней. В других случаях целый участок местности окутывается дымом, скрывающим от постороннего взора землю и все находящиеся на ней предметы. Луч света в туманном воздухе Если сквозь слой мутного воздуха проходит луч света, то интенсивность этого луча уменьшается. Чем длиннее путь луча в воздухе и чем более загрязнен этот воздух, тем меньше света пройдет сквозь него. Это хорошо знают прожектористы. Когда освещают какую-нибудь цель мощным лучом прожектора, то освещение получается тем слабее, чем дальше расположен освещаемый предмет. Потеря света быстро возрастает с увеличением мутности воздуха, и в туманную погоду атмосфера так плохо пропускает свет, что пользоваться прожектором на далекие расстояния совсем невозможно. Это происходит оттого, что при прохождении света через мутный воздух часть его теряется, или, как иногда говорят, "поглощается". Для того, чтобы выразить это ослабление в цифрах, пользуются так называемым коэффициентом прозрачности. Измерим полное количество света в каком-нибудь пучке лучей, например, в пучке от прожектора, сначала до вступления в воздух, а потом после того, как этот пучок пройдет слой воздуха толщиной 1 км. Во втором случае света окажется меньше. Число, показывающее, какая часть света прошла через слой воздуха в 1 км толщины, и называется коэффициентом прозрачности. Для наглядности мы это выразим еще так: Иначе говоря, для того, чтобы вычислить коэффициент прозрачности, надо разделить количество света, прошедшее через 1 км воздуха, на то количество света, которой вступило в этот слой воздуха. Для того, чтобы определять прозрачность воздуха, построено много разных специальных приборов. На рис. 11 показана схема измерений при помощи прожектора. Сноп света направлен вдоль земной поверхности. В двух точках, расположенных вдоль снопа, устроены наблюдательные станции. На каждой из них находится наблюдатель, вооруженный специальным прибором - фотометром, позволяющим измерять интенсивность света. Сравнивая измерения, произведенные на одной и на другой станции, определяют, сколько света потеряно на пути между станциями. Вот некоторые данные о значении коэффициента прозрачности при различных условиях. Если известен коэффициент прозрачности, отнесенный к расстоянию в 1 км, то нетрудно рассчитать, какая доля света проходит через слой в 2, 3, 4 и т. д. километров. Для этого надо возвести значение коэффициента прозрачности в степень, равную числу километров. Пусть, например, коэффициент прозрачности равен 0,8. Тогда через слой воздуха в 2 км пройдет доля света, равная 0,8 х 0,8 = 0,82 = 0,64. После прохождения через слой в 3 км останется часть света 0,8 х 0,8 х 0,8 = 0,83 = 0,512 и т. д. Куда же девается свет, задержанный в мутном воздухе? Очень небольшая часть его "поглощается" по-настоящему и переходит в теплоту, нагревающую воздух. Остальной свет сохраняет форму световых лучей, но только лучи эти меняют направление. Встретив плавающую в атмосфере каплю тумана, пылинку или даже молекулу воздуха, световой луч отражается, точнее, рассеивается ею в разные стороны. Этот рассеянный свет отнимается от основного пучка лучей, но за его счет начинает светиться весь объем воздуха, пронизанный световыми лучами. Это особенно хорошо видно, когда смотришь на луч прожектора в темную ночь. С какой бы стороны ни стоял наблюдатель, он всегда ясно видит путь световых лучей в виде длинного светлого столба, протянувшегося между прожектором и освещаемым предметом. На всем пути луча воздух становится светлым и хорошо видимым на темном фоне. За счет какого света мы его видим? За счет той части лучей прожектора, которая рассеивается частицами среды в разные стороны. Рассеяние света - очень сложное явление. Световой луч, отразившийся от одной частицы среды, может попасть на другую частицу и отразиться второй раз. Дважды отраженный луч опять попадает на частицу и отражается в третий раз и т. д. Точный расчет таких отражений - очень трудная математическая проблема. Ее блестяще разрешил известный советский ученый В. А. Амбарцумян. Рассеяние и поглощение света играют большую роль в природе. Например, солнечные лучи на пути к Земле проходят через атмосферу, где часть их рассеивается. Поэтому до земли солнечный свет доходит заметно ослабленным. Но зато рассеянный свет частично возвращается нам в виде освещения от неба. Поток рассеянного света, заполняющий толщу воздуха над нашей головой, создает впечатление яркого синего неба. Светом этого неба озаряются те места, куда прямые лучи Солнца не попадают. Например, у стены, загораживающей Солнце, в чаще леса, в глубоком овраге или в комнате, окна которой обращены в сторону, противоположную Солнцу, вполне светло, хотя прямые солнечные лучи там и не светят. В пасмурную погоду мы Солнца совсем не видим, и вас освещает один лишь рассеянный свет. Почему в тумане предметы плохо видны В туманный день далекие предметы видны неясно, а очень далекие совсем исчезают из виду. Отчего это происходит? В чем причина такого влияния тумана на видимость? На первый взгляд все кажется очень просто. Туман ослабляет свет, идущий к нам от наблюдаемого предмета, поэтому предмет исчезает для глаза. Однако такое объяснение будет верным только в том случае, когда речь идет о наблюдении ярких, светящихся предметов ночью, когда туман ничем не освещен и поэтому сам остается темным. В условиях дневного наблюдения, когда туман освещен дневным светом, приписывать ухудшение видимости одному ослаблению света неправильно. Нетрудно заметить, что светло-серый или белый предмет исчезает в тумане уже тогда, когда на пути поглощается не более половины или трех четвертей света. Если же на этот предмет посмотреть сквозь серое (дымчатое) стекло с таким же пропусканием света, то он будет отлично виден. Разница здесь в том, что в тумане происходит сильное рассеивание света, которого нет в темном стекле: в дымчатом стекле лучи ослабляются за счет поглощения, за счет перехода световой энергии в теплоту, а не за счет рассеяния в разные стороны, как это имеет место в тумане. Мы видим какой-нибудь предмет только тогда, когда он своей яркостью или цветом отличается от окружающего фона. Если и яркость и цвет предмета и фона совпадают, то предмет заметить нельзя: он сольется с фоном в сплошное поле равномерной яркости. Этим широко пользуются при маскировке на войне. Зимой разведчики надевают белые халаты, которые сливаются с фоном снега. Таким образом, предмет может быть виден, при условии, если его яркость (или цвет) в достаточной мере отличаются от фона; иначе говоря, необходимо, чтобы контраст яркости между предметом и фоном был достаточно велик. Установлено, что при благоприятных для зрения условиях (яркое, но не чрезмерное освещение, большие видимые размеры) предмет заметен, если его яркость отличается всего на 1% от окружающего фона. При слабом освещении, например, в сумерки или ночью, нужно гораздо большее различие в яркости, чтобы предмет можно было рассмотреть. Когда мы смотрим на предмет сквозь туман, то происходят два явления: во-первых, свет, отраженный предметом, ослабляется при прохождении через туман; во-вторых, слой тумана, расположенный между наблюдателем и предметом, дает свой рассеянный свет, который равномерно ложится на предмет и на фон. От этого контраст яркости между предметом и фоном сглаживается, и предмет становится менее заметен. В зависимости от толщины и густоты слоя тумана уменьшается яркость предмета и фона по сравнению с ровной яркостью световой завесы тумана, чем и ухудшается видимость. Возьмем для примера белый предмет на черном фоне: предположим, белый дом на фоне темного леса. Если тумана нет, то он издали виден совершенно отчетливо, потому что его яркие очертания резко выделяются на темном фоне. Если же местность застилается туманом, то лес уже не будет казаться темным, так как его обволакивает слой тумана, рассеивающий свет; одновременно дом будет казаться менее светлым, его яркость ослабляется поглощением. Контраст, т. е. разница в яркости между предметом и фоном, уменьшится, и следовательно, предмет будет выделяться слабее. Чем более мутен воздух, чем гуще туман, тем светлее, будет казаться темный лес и тем бледнее белый предмет. При очень мутном воздухе от белого предмета до наблюдателя дойдет так мало света и так много его рассеется в тумане, что разница в яркости между предметом и фоном окажется меньше 1%. В таких случаях глаз совсем не может рассмотреть предмет, он будет невидим за мутной туманной пеленой. Дальность видимости Читателю, вероятно, приходилось в мглистый день быстро удаляться от темного предмета, например, от поросшего еловым лесом холма. При этом читатель, наверное, наблюдал следующее явление. С близкого расстояния стена елового леса будет выглядеть темно-зеленого, почти черного цвета. На некотором расстоянии она подернется едва заметной светлой дымкой, которая будет скрадывать детали отдельных деревьев. По мере того как расстояние увеличивается, лес кажется светлее. Вот его уже заволокла яркая синяя пелена. Затем эта пелена становится голубоватой. Отъехали еще - и лес едва выделяется на фоне горизонта в виде чуть заметного силуэта. Еще несколько километров - и его прозрачные очертания совсем пропадают на светлом фоне неба: леса больше не видно, он скрыт пеленой дымки. То расстояние, на котором глаз перестает различать предмет в мутном воздухе, называют дальностью видимости. Ее не следует смешивать с дальностью открытия, - расстоянием, на котором предмет появляется из-за горизонта или из-за различных преград. При чистом, прозрачном воздухе кругозор чаще всего ограничивается горизонтом, и его ширина выражается дальностью открытия, описанной в главе II. При мутном, малопрозрачном воздухе кругозор ограничивается вследствие того, что отдаленные части панорамы скрываются за пеленой мглы или тумана. В этом случае видимость будет тесно связана с состоянием атмосферы, и умелое использование условий видимости может способствовать боевым операциям на суше, на море и в воздухе. При той или иной прозрачности воздуха дальность видимости для разных предметов неодинакова. Это находится в зависимости от окраски и размеров предметов и их расположения по отношению к Солнцу. Вопрос этот был подробно исследован рядом советских ученых, которые выяснили закономерности, определяющие степень видимости или полную невидимость данного предмета при различных условиях. Крупные предметы будут видны с большего расстояния, чем мелкие. Часто высокий холм виден издалека, а расположенные значительно ближе его телеграфные столбы, рельефно выделяющиеся в ясную погоду, тонут в тумане. Маленький торпедный катер может в тумане приблизиться к большому кораблю на расстояние довольно отчетливой видимости, сам оставаясь незаметным. Что касается до влияния окраски, то всего проще обстоит дело с предметами черного цвета, для которых фоном служит небо у самого горизонта. Абсолютно черный объект поглощает все падающие на него лучи и ничего не отражает. Поэтому яркость такого объекта при самом сильном освещении равна нулю. Однако, когда мы смотрим на такой черный предмет издалека, то он нам кажется сравнительно светлым. В этом случае его видимая яркость получается за счет света, рассеянного в воздухе, расположенном между наблюдателем и предметом. Это обстоятельство упрощает все расчеты, связанные с определением дальности видимости. Оказывается, что дальность видимости совсем черного предмета на фоне неба зависит только от прозрачности воздуха, а характер дневного освещения на нее совсем не влияет. Светит ли яркое Солнце или небо сплошь затянуто тучами, дальность видимости будет одна и та же, если одинаков коэффициент прозрачности. Если плотность тумана везде одинакова, то и дальность, видимости черных предметов будет одинаковой во все стороны. При солнечной погоде в стороне Солнца такие предметы видны так же далеко, как и в противоположной Солнцу стороне, хотя горизонт и слои тумана разной толщины под Солнцем всегда гораздо ярче, чем в других направлениях. Дальность видимости абсолютно черного предмета больших размеров на фоне неба у горизонта принято называть иллюстративной, или метеорологической дальностью видимости. Абсолютно черных объектов в природе, конечно, не существует. Всякий реальный предмет отражает хоть немного из падающих на него лучей Солнца и неба. Поэтому и метеорологическая дальность видимости есть некоторая условная, теоретическая характеристика видимости. Однако существует немало темных предметов, которые слабо отражают свет. К ним относятся, например, хвойные деревья, лиственные леса летом, покрытые черноземом склоны холмов (особенно в сырую погоду), многие постройки, люди в темной одежде, выкрашенные в черный цвет корабли, паровозы и другие предметы. Для таких объектов реальная дальность видимости будет очень немногим отличаться от метеорологической, и все сказанное об условиях видимости абсолютно черного предмета относится также и к ним. Гораздо сложнее обстоит дело с видимостью светлых предметов, отражающих много лучей. В облачную погоду, когда нет прямых солнечных лучей, даже самые светлые предметы обычно кажутся темнее неба на горизонте, и их дальность видимости будет обязательно меньше метеорологической. Серый предмет по яркости меньше отличается от горизонта, чем черный, контраст яркости с фоном неба для него не такой большой; следовательно, он скроется в тумане на меньшем расстоянии. Всего хуже видны светло-серые или белые предметы, например, покрытые снегом холмы. Они и без тумана почти сливаются с молочным фоном облачного горизонта. Достаточно сравнительно тонкого слоя тумана, чтобы они стали невидимыми. В солнечную погоду, напротив, белые предметы видны дальше всех других. Будучи освещены солнечными лучами, они кажутся гораздо ярче, чем небо у горизонта, и составляют с его фоном очень резкий контраст. Благодаря этому их дальность видимости может быть даже большей, чем дальность видимости черного предмета. Впрочем, это происходит лишь в стороне, противоположной Солнцу. Под Солнцем самые белые предметы кажутся темными, и их дальность видимости будет меньше метеорологической. При ясной погоде и в стороне, противоположной Солнцу, хуже всего видны серые предметы, отражающие около 1/4 падающих на них лучей. Условия видимости должны быть приняты во внимание при выборе окраски различных предметов. Если хотят, чтобы предмет был виден как можно дальше, и если на него приходится смотреть со стороны Солнца и в ясную погоду, то лучше всего его окрасить в белый цвет; если же, наоборот, требуется, чтобы предмет был хорошо виден в тумане или в стороне Солнца, то наиболее подходящим будет черный цвет. На практике разные сигнальные сооружения приходится рассматривать с разных сторон и при разной погоде. Поэтому такие предметы, как верстовые столбы, шлагбаумы, морские маяки и т. п., чаще всего делают полосатыми, сочетая белые полосы с черными. Напротив, если требуется, чтобы предмет на фоне неба у горизонта выделялся слабее, то надо пользоваться серой краской того или иного оттенка. Примером может служить "шаровая" краска, которой покрывают военные корабли, чтобы они были возможно менее заметны для противника. Математическое исследование вопросов видимости приводит к одному очень важному для практики выводу. Оказывается, что при данных условиях освещения дальность видимости предмета любой окраски пропорциональна дальности видимости черного предмета. Это означает, что если вследствие уменьшения прозрачности воздуха черный предмет исчезает вдвое ближе, чем раньше, то и для всякого другого предмета дальность видимости тоже обязательно уменьшится в два раза. Здесь открывается путь к удобному для практики способу нахождения дальности видимости разных объектов. Командиру, проводящему боевую операцию, иногда приходится учитывать дальность видимости самых различных предметов. Определять ее прямым наблюдением для каждого предмета было бы невозможно. Зато можно из наблюдения черных предметов или путем измерения коэффициента прозрачности воздуха посредством фотометра найти метеорологическую дальность видимости; чтобы от нее перейти к действительной дальности видимости, достаточно умножить ее значение на коэффициент видимости, характеризующий видимость данного предмета. В таблице 3 в качестве примера приводятся такие коэффициенты для некоторых предметов в условиях пасмурной погоды. Приведем пример, как пользоваться такой таблицей. Пусть метеорологическая дальность видимости составляет 7 км. Нам надо найти, на каком расстоянии будет' лежать граница видимости серой бревенчатой постройки на фоне земли. Для такого случая в таблице приведен коэффициент 0,55. При его помощи легко находим необходимую нам дальность видимости 7 км х 0,55 = 3,8 км. Составлены и изданы подробные таблицы для расчета видимости далеких предметов при различных условиях. Проф. Н. Г. Болдырев разработал для таких расчетов удобную номограмму, а В. Б. Вейнберг построил простенький приборчик, позволяющий легко определять видимость по заданным условиям. Наблюдение видимости на метеорологических станциях Прозрачность воздуха и связанная с ней дальность видимости, подобно всем прочим свойствам воздушном среды, изменчивы и непостоянны. Поэтому там, где условия местности открывают для наблюдения широкий и богатый деталями кругозор, вид ландшафта изо дня ж день сильно меняется, смотря по тому, как далеко удается видеть наземные предметы. Дни с мглой и дымкой, когда дали едва проступают сквозь синеватую воздушную вуаль, чередуются с такими днями, когда воздух исключительно чист и прозрачен, так что самые отдаленные части панорамы выделяются резко и отчетливо. Затем наступают дожди и туманы, когда дали совсем скрываются, и там, где еще накануне был красивый пейзаж, не остается ничего, кроме серовато-белого моря воздушной мути. Таким образом, условия видимости далеких предметов, наряду с такими атмосферными явлениями, как облака и ветер, составляют один из элементов погоды. Естественно, что наряду с прочими воздушными явлениями видимость ежедневно наблюдают на метеорологических станциях. Как же это делается? Самый точный способ определить дальность видимости того или иного предмета - это путешествие, описанное в предыдущем разделе. Наблюдателю следовало бы поместиться в экипаже и, постепенно удаляясь от объекта по прямой дороге с километровыми столбами по краю, отмечать, на каком километре объект скроется из виду. Разумеется, применять такой способ наблюдения на деле невозможно. При очень чистом воздухе дальность видимости может доходить до 100-200, даже 300 км. Нельзя же заставлять наблюдателей проделывать такого рода путешествия! Наблюдения видимости в практике метеорологической службы осуществляются очень просто, без всяких поездок. Вместо того, чтобы следить за одним предметом с разных расстояний, выбирают ряд неподвижных предметов, удаленных на различные, но точно измеренные расстояния. Наблюдение состоит в том, что замечают, какие из объектов при данных условиях видны и какие не видны. Например, если роща, удаленная на 9 км, едва видна, а лес, отстоящий на 11 км, совсем не виден, то можно утверждать, что дальность видимости будет около 10 км. Конечно, трудно найти местность, где на каждом километре стоял бы какой-нибудь подходящий предмет для оценки видимости. Да этого и не требуется. В метеослужбе для наблюдения за видимостью достаточно иметь 9 предметов, расположенных на следующих расстояниях: 50 м, 200 м, 500 м, 1 км, 2 км, 4 км, 10 км, 20 км и 50 км. Оценка видимости дается в баллах, которые имеют следующие значения: Оценка видимости, выраженная в баллах такой шкалы, ежедневно передается по телеграфу всеми станциями нашей сети. При этом для наблюдений выбираются черные или, по крайней мере, достаточно темные предметы, например, леса и деревья, так что наблюдаемая дальность видимости близка к метеорологической. Какое значение имеют такие наблюдения? Во-первых, они служат непосредственно для целей оперативной работы. Например, на морях при слишком малой видимости вместо обычных знаков ограждения включаются колокола, сирены и другие звуковые сигналы, извещающие судоводителей об опасности. К звуковым сигналам прибегают и на железных дорогах. В зависимости от условий видимости, достаточных или недостаточных для посадки самолета, прекращается прием и отправление самолетов на аэродроме. На войне командир, ведущий боевую операцию, оценивает, с какого расстояния при сложившихся условиях он может рассчитывать увидеть противника и где противник сможет обнаружить его самого. Во-вторых, данные по видимости помогают синоптику, т.е. лицу, занимающемуся предсказанием погоды, разобраться в движении воздушных масс. Воздушные массы, идущие из полярных стран, чаще всего бывают очень чисты и прозрачны. Напротив, воздушные массы, приходящие из тропиков, всегда насыщены пылью пустынь и степей, и поэтому они мутны. Нанося наблюдения за видимостью на карту, синоптик замечает, где проходят прозрачные полярные массы воздуха и где лежат мутные тропические массы. Это помогает ему в его трудном деле предсказания погоды. В-третьих, накопив данные наблюдений за видимостью за много лет, можно подсчитать, в течение скольких дней в году на данной станции видимость бывает хорошей и в течение скольких дней плохой, как распределяются разные баллы видимости по сезонам года и по часам суток и т. д. Сопоставляя такие подсчеты, сделанные на разных станциях, мы узнаем, какие районы земного шара отличаются хорошей видимостью, а какие плохой, и можем построить карты распределения видимости, подобно тому, как составляются карты облачности, температуры или влажности. Иначе говоря, видимость, подобно всем прочим элементам погоды, можно изучать климатологически. В-четвертых, располагая большим материалом наблюдений видимости и сопоставляя его с синоптической картой, можно научиться предсказывать видимость. Приборы для измерения видимости Далеко не всегда кругозор так широк, чтобы можно было наблюдать за предметами, удаленными на 20-25 км. Как же в таких случаях определить дальность видимости? Для определения видимости при недостаточно широком кругозоре построены специальные приборы - измерители видимости, или визибилиметры. Схема одного из самых старых приборов такого рода, предложенная Вигандом, представлена на рис. 12. Наблюдатель смотрит на далекий предмет, заметно затянутый воздушной дымкой, через отверстие О в глазной раковине Р. Перед раковиной устроен подвижной клин К, сделанный из особого, слегка мутного состава. Когда клин убран, то предметы видны в их естественном состоянии. Если начать вдвигать клин, то они видны хуже, так как смотреть приходится через мутную пластинку. Чем сильнее вдвинут клин, тем толще слой мутной среды перед глазом и тем больше ослаблена видимость. Наблюдатель вдвигает клин настолько, чтобы объект совсем исчез, скрытый "искусственным туманом" мутной пластинки. Чем чище воздух, тем резче виден предмет и тем сильнее надо вдвинуть клин, чтобы добиться полной исчезновения предмета. Поэтому передвижение клина необходимое для того, чтобы сделать предмет невидимым, может служить мерой качества видимости данного предмета в данный момент. Были предложены и способы расчета дальности видимости по показанию шкалы на клине прибора, но способы эти не оправдали себя, а поэтому в самый прибор - клиновой измеритель видимости Виганда - теперь не применяется. На рис. 13 изображена схема так называемого дымкомера Шаронова. Искусственный туман здесь получается благодаря полупрозрачному зеркалу 3, которое отражает в глаз наблюдателя свет от белой просвечивающей пластинки П, освещенной лучами Солнца и неба. Самый прибор представляет собой небольшую зрительную трубу, состоящую из объектива О и окуляра У. Перед объективом О можно вдвигать серый поглощающий клин К. Если клин не вдвинут, то в трубе можно наблюдать далекую панораму и наложенный на нее свет искусственного тумана. Когда клин вдвигают, то яркость предмета панорамы постепенно уменьшается, а яркость искусственной дымки остается без изменения. От этого поле зрения прибора как бы заливается искусственным туманом, в котором тонут детали обозреваемой панорамы. Если вдвинуть клин достаточно сильно, то изображение панорамы совсем исчезнет на ровном белом фоне света, отраженного от пластинки 3. Преимущество дымкомера перед прибором Виганда состоит в том, что по его показаниям можно найти метеорологическую дальность видимости. Этим достоинством обладают также и многие другие приборы, позднее разработанные рядом ученых и конструкторов, и в частности варианты дымкомеров, предложенных В. А. Фаасом, В. Ф. Пискуном и В. А. Гавриловым. Главную часть всех таких приборов составляет призма из прозрачного бесцветного стекла, которая помещается перед объективом небольшой зрительной грубы так, что часть площади объектива ею покрыта, а часть остается свободной (рис. 14). При таком расположении призмы в поле зрения трубы появляются два изображения ландшафта: одно полученное через свободную часть объектива (оно на своем обычном месте), другое - полученное за счет лучей, прошедших через часть объектива, покрытую призмой (благодаря преломлению лучей оно сдвинуто кверху). Это второе изображение приходится на фоне неба первого изображения. Поэтому наблюдатель, глядя в окуляр трубы, видит на фоне неба над горизонтом слабые контуры домов, деревьев и других далеких предметов как бы висящими в воздухе. Передвигая призму, можно все более и более ослаблять эти вторичные изображения и, наконец, доводить их до полного исчезновения. При наблюдении ищут такое положение призмы, при котором изображение наблюдаемого предмета находится как раз на пределе видимости. Одно из преимуществ приборов, построенных по описанному принципу, состоит в том, что их можно изготовлять в виде отдельной насадки, укрепленной перед объективом любой зрительной трубы или бинокля. Все измерители видимости, в которых наблюдают исчезновение удаленного предмета, позволяют находить дальность видимости лишь с небольшой точностью. Поэтому выгоднее применять такие приборы, которые измеряют не непосредственно дальность видимости, а прозрачность воздуха, по которой видимость находится путем расчета. Таких приборов (их называют фотометрами) предложено очень много. В некоторых из них измеряется свет далекого огня, в других - свет прожекторного пучка лучей, как это представлено на рис. 11. Советским ученым В. А. Березкиным подробно разработана методика определения прозрачности воздуха из измерений яркости воздушной дымки, наблюдаемой на фоне далекого черного предмета. Однако все методы определения видимости и прозрачности воздуха, перечисленные выше, имеют тот существенный недостаток, что для их применения необходимо иметь в наличии достаточно удаленные предмету или источники света, что осуществимо далеко не всегда. Например, с корабля, плывущего в открытом море, с самолета, летящего над пеленой облаков, никаких далеких земных предметов не увидишь. В таких случаях применяется прибор, называемый нефелометром (по-русски "туманомер", так как "нефелос" по-гречески туман). Он представляет собой небольшую камеру, в которую засасывают пробу воздуха и там ее освещают очень сильным пучком света. Рассеивая лучи, воздух начинает светиться, и яркость его свечения измеряется. Чем больше в воздухе капелек тумана, пылинок и других посторонних частиц, тем ярче этот рассеянный свет. Поэтому по яркости этого света можно судить о степенна загрязнения воздуха различными примесями, а значит и об условиях видимости далеких предметов в таком воздухе. Разработкой различных конструкций нефелометра занимался советский ученый Н. Э. Ритынь. Как определить метеорологическую дальность видимости без помощи приборов При некотором навыке легко определять метеорологическую дальность видимости без всяких приборов по сравнительно недалеким и еще ясно видимым предметам ландшафта. Для этого надо научиться на глаз сравнивать три яркости: близкого предмета, далекого предмета и неба на горизонте. Пусть объектом служат две лесные гряды, из которых одна расположена совсем близко, так что никакой дымки на ее фоне не заметно, а другая достаточно удалена. Близкая гряда будет казаться очень темной, почти черной, а далекая светлой (рис. 15). Таким образом, ярость далекого леса обязательно будет лежать между яркостью близкого леса и неба на горизонте. Разделим мысленно разность яркости между небом и близким лесом на десять равных частей и оценим, какой части соответствует яркость далекого леса. Например, если яркость далекого леса лежит как раз по середине между небом и близкими деревьями, то это будет соответствовать баллу 5; если она чуть-чуть ближе к близкому лесу, чем к небу, то баллу 4, а если немного ближе к небу, то баллу 6. Если она заметно ближе к небу, то это будут баллы 7 и 8, а если она от неба почти не отличается, то балл 9. Равным образом, если яркость далекого леса лишь едва заметно отличается от близкого леса, то это будет балл 1, если разница несколько больше, то балл 2 или 3. После некоторого упражнения легко научиться довольно уверенно оценивать такие десятичные баллы. Таблица 4, приводимая ниже, и рис. 15 могут служить пособием при изучении этого дела. Разумеется, можно наблюдать не только леса; любые два объекта годятся для такого рода наблюдений при условии, если они совершенно одинаковы по своей действительной (т. е. наблюдаемой вблизи, а не издалека) яркости и если один из них расположен так близко, что дымка на его фоне незаметна, а другой - достаточно далеко, чтобы его яркость явно отличалась от близкого. Следует заметить, что для этой цели лучше, всего выбирать темные объекты. Таблица 4. Десятибалльная шкала для оценки яркости удаленных предметов путем сравнения с близким объектом и фоном неба на горизонтеБалл Описание 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Далекий объект по яркости совсем не отличается от близкого Далекий объект чуть заметно светлее близкого Далекий объект совершенно очевидно светлее близкого Далекий объект значительно светлее близкого, но все же по яркости гораздо ближе к последнему, чем к фону неба Далекий объект по яркости лежит посредине между близким объектом и небом, немного уклоняясь в сторону близкого предмета Далекий объект по яркости находится как раз посредине между близким объектом и небом Яркость далекого объекта, находясь посредине между яркостями близкого объекта и неба, слегка уклоняется в. сторону неба Далекий объект заметно ближе к яркости неба, чем к яркости земного объекта Далекий объект по яркости близок к яркости неба Далекий объект едва отличается от яркости неба, слабо, намечаясь в виде прозрачного силуэта Далекий объект не виден (сливается с небом) Для того, чтобы найти по баллу метеорологическую дальность видимости, надо знать расстояние до далекого г предмета; его удобнее всего снять с карты или плана местности. Это расстояние надо умножить на число, соответствующее оценочному баллу. Балл Множитель Балл Множитель 1 39,8 6 4,6 2 18,8 7 3,5 3 11,8 8 2,6 4 8,3 9 1,8 5 6,1 Расстояние, помноженное на приведенное в таблице число, и будет метеорологической дальностью видимости. Приведем пример. Расстояние до далекого леса было 7,4 км, и его яркость оценена баллом 4. Значит, метеорологическая дальность видимости будет 7,4 км х 8,3 = 61,4 км. Для облегчения наблюдений по описанному способу построен прибор, так называемый диафаноскоп Шаронова. Он представляет собой небольшую зрительную трубку, в которую смотрят на далекие предметы. При этом на фоне неба подле этих предметов виден ряд квадратиков различной черноты, с которыми и сравнивается видимая яркость наблюдаемого объекта. Опалесценция в мутном воздухе В солнечный день, когда воздух не слишком мутен, дали обычно кажутся голубыми. Далекий лес на горизонте не зеленеет, а синеет, голубоватыми кажутся и удаленные холмы, а также очень далекие горы. Зато белые предметы, например горные вершины, покрытые снегом, или кучевые облака на горизонте, выглядят желтоватыми или розовыми. Такое сочетание розово-голубых красок в далеких частях ландшафта напоминает игру света в драгоценном камне - опале. Поэтому легкое помутнение в крайних частях пейзажа иногда называют опалесценцией. В чем же причина этого любопытного явления? Рассеивать свет способны не только посторонние частицы, плавающие в воздухе, как, например, капли и пылинки, но и мельчайшие частицы тех газов, из которых состоит сам воздух, - молекулы. По размерам молекулы очень малы, гораздо мельче, чем капли тумана и крупинки пыли. А очень маленькие частицы рассеивают лучи разного цвета неодинаково. Сильнее всего ими отражаются невидимые глазом ультрафиолетовые лучи, менее сильно - фиолетовые. Дальше, по порядку идут синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые и красные лучи. Слабее всего отражаются тепловые, или инфракрасные лучи. Когда пучок солнечных лучей проходит через воздух, то часть света рассеивается, т. е. отнимается от этого пучка и разбрасывается в разные стороны. Синие и фиолетовые лучи рассеиваются гораздо сильнее, чем красные. Поэтому в пучке лучей, прошедшем через воздух, желтых и красных лучей останется больше, чем синих и фиолетовых, а отсюда и свет станет красным. А тот свет, который рассеян в стороны, богат как раз синими лучами и поэтому он будет голубым. Все это мы постоянно наблюдаем в природе. Воздушная толща над нашей головой вследствие сильного рассеивания синих и фиолетовых лучей приобретает голубой цвет, благодаря чему мы видим над собой как бы потолок голубого неба. Прямые лучи Солнца кажутся нам желтоватыми, а когда Солнце стоит низко у горизонта, то даже красными. На фоне темных предметов ландшафта мы видим воздушную дымку, т. е. свет, рассеянный в толще воздуха между наблюдателем и предметом. Это как бы кусочек синего неба, наложенный на часть земного ландшафта. Светлые, белые предметы сами сильно отражают белый солнечный свет, и этот свет на пути в атмосфере теряет часть своих синих лучей и становится розовым. Получается характерная для чистого воздуха "опаловая" игра красок. Если атмосфера загрязняется примесью очень мелких частичек, например, особенно тонкой минеральной пылью, то опалесценция усиливается. Такую тонкую пыль несут с собой массы воздуха, приходящие к нам из пустынь тропического пояса. Поэтому усиленная опалесценция является характерным признаком воздушных масс тропического происхождения. Те частицы, из которых состоят обычные туманы, гораздо крупнее, чем молекулы воздуха. Их поперечник составляет от 0,001 до 0,1 мм. Такие частицы отражают лучи всех цветов одинаково сильно, поэтому никакой опалесценции не получается. При тумане далекие части ландшафта затягиваются пеленой унылого серовато-белого цвета. Этим же объясняется и белый цвет облаков, которые тоже состоят из водяных капель сравнительно крупного размера. Наблюдение далеких предметов в красных и инфракрасных лучах Поскольку воздух хорошо пропускает красные лучи и плохо пропускает синие, то видимость далеких предметов, тесно связанная с прозрачностью воздуха, будет неодинакова в лучах различного цвета. Есть основания полагать, что детали удаленных частей ландшафта будут выступать более резко, если пользоваться для наблюдения красным или желтым светом. Практика это подтверждает. Нередко бывает, что далекие предметы видны лучше, если на них смотреть сквозь желтое стекло. Напротив, через стекло синего цвета далекие части ландшафта видны хуже. Поэтому все полевые бинокли, которыми пользуются специально для наблюдения за далекими частями панорамы, снабжаются желтыми стеклами - светофильтрами, надеваемыми на оправу окуляра. Воздух казался бы еще прозрачнее, если взять красные стекла, но такие стекла слишком ослабляют свет, и поэтому смотреть через них затруднительно. Обыкновенная фотографическая пластинка чувствительна к синим, фиолетовым и ультрафиолетовым лучам. Поэтому фотографический аппарат - этот искусственный глаз -"видит" предметы в фиолетовом свете. Если на простой пластинке снять открытый ландшафт, то далекие предметы на снимке не получатся: отчетливо видимые глазом человека, они для "глаза" фотокамеры будут заслонены пеленой воздушной дымки, отражающей много фиолетовых лучей. Успешно снимать далекую панораму можно только на специальных пластинках, называемых панхроматическими. Такие пластинки воспринимают не только фиолетовые, но также желтые и красные лучи. Чтобы невыгодный для снимка синий и фиолетовый свет не мешал и не портил изображения, перед объективом фотографического аппарата ставят желтое или красное стекло светофильтр. Чем гуще такое стекло, тем отчетливее выйдут дали на снимке. При аэрофотосъемке, когда фотографируют местность с самолета, пользуются желтым или красным светофильтром, так как иначе воздушная дымка смажет все детали. Можно приготовить такие пластинки, которые будут чувствительны к так называемым инфракрасным лучам. Это те лучи, которые в спектре лежат за красными; глаз их не воспринимает. Одна из важных особенностей инфракрасных лучей состоит в том, что они лучше всех других проходят сквозь мглу и дымку. Поэтому на снимках, получаемых на чувствительных к таким лучам пластинках, различаются такие далекие предметы, которые в нормальных условиях не видны. Впрочем, фотографические снимки в невидимых лучах имеют вообще довольно странный вид: небо получается черным, а зеленая трава и деревья - белыми, как снег. Пользуясь инфракрасными лучами и тёмно-красными светофильтрами, можно получить удачные снимки далей при значительной мутности. К сожалению, такой метод наблюдения оказывается малоэффективным при густых туманах или когда объект скрыт облаками. Это происходит потому, что облака и туманы состоят из плавающих в воздухе водяных капелек довольно крупных размеров, а при крупных частицах ослабление всех лучей спектра, в том числе и инфракрасных, происходит одинаково. Видимость земли с самолета Важнейшее для воздушной разведки дело - наблюдение земной поверхности с самолета - тоже сильно страдает из-за мутности воздуха. Когда наблюдатель смотрит с самолета вниз, то земная поверхность кажется подернутой голубоватой вуалью воздушной дымки. Чем больше высота полета, тем сильнее этот посторонний свет и тем хуже виден ландшафт. В ясную погоду, когда воздух вполне чист и нет никаких признаков тумана или мглы, с высоты в 1000 м земля видна вполне отчетливо и во всех деталях. Зато с высоты в 7000-8000 м даже при самой благоприятной погоде пелена рассеянного света сильно снижает видимость. Это отражается на условиях наблюдения, тем более, что земные объекты, интересные с точки зрения разведки или бомбардировки, с таких высот и без того плохо видны вследствие малого углового размера. При воздушном наблюдении приходится смотреть не только прямо вниз ("в надир"), но и в стороны. Тут воздушная вуаль мешает еще сильнее. Далекие части земли и самый горизонт часто бывают совсем неразличимы из-за недостаточной прозрачности . расположенных под самолетом слоев атмосферы. Большое значение тут имеет положение Солнца: в стороне Солнца дымка гораздо ярче и видимость хуже, чем в противоположной стороне. По мере подъема видимость земли становится все хуже и хуже. Однако ухудшение видимости с подъемом происходит не всегда плавно. Случается, что в атмосфере чередуются резко разграниченные слои с хорошей и плохой прозрачностью. Нередко слой воздуха у земли бывает очень мутен из-за поднятой с почвы пыли. Этот запыленный слой имеет резкую границу на высоте 1-2 км. Его граница нередко совпадает с высотой тех круглых небольших облаков, которые образуются в летние дни над сушей и называются кучевыми. Тогда при наблюдении с самолета облака кажутся наполовину погруженными в море тумана и как бы плавают в нем. Бывает и обратное: у земли воздух чист, а на некоторой высоте лежит мутный слой. Попадается и несколько мутных слоев, между которыми находится чистый воздух. При таких обстоятельствах ухудшение видимости происходит не постепенно, а скачками. Примером мутных слоев в атмосфере могут служить облака. Тут видимость нередко прекращается тотчас же по вступлении в мутный слой. Распределение мути в атмосфере по слоям объясняет ряд явлений, с которыми приходится сталкиваться при наблюдении с самолета. Бывает так, что при наблюдении с небольшой высоты объект скрыт дымкой и рассмотреть его не удается. Если же подняться на большую высоту, то он отчетливо виден, хотя расстояние, а значит, и толща воздуха на линии зрения становятся больше. Рис. 16 поясняет, отчего это происходит. Указанное явление наблюдается тогда, когда над землей лежит сравнительно тонкий слой загрязненного воздуха. При наблюдении с малой высоты свет от предмета до глаза проходит полого через большую толщу мутного слоя, и предмет пропадает из виду. С большой высоты луч идет круто вниз, и поэтому в непрозрачном, затрудняющем наблюдение слое проходит лишь небольшая его часть, и видимость улучшается.
