טיוטה:אופטיקה אטמוספרית

אופטיקה אטמוספירית

ערך זה עוסק בהשפעות של האטמוספירה של כדור הארץ על מעבר קרינה אלקטרומגנטית בעיקר בתחום הנראה ובתחומים סמוכים כמו תת-אדום ועל-סגול. לאטמוספירה יש השפעות גם בתחומים נוספים של הספקטרום האלקטרומגנטי, למשל בשידורי רדיו. באטמוספירה של כדור הארץ מרכיבים שונים: בעיקר גזים (חנקן, חמצן ועוד), אדי מים וארוסולים המציינים חלקיקים מוצקים (כגון אבק ואף חול) או נוזליים (טיפות מים). לכל אחד מהמרכיבים האלה יש השפעות על מעבר הקרינה. להכרת ההשפעות של האטמוספירה על ביצועי מערכות אופטיות יש חשיבות בכל יישום שבו יש תצפית לטווח ניכר כולל אסטרונומיה, חישה מרחוק (בתוך האטמוספירה או מעליה באמצעות לוויינים) וצילום צבאי. יישומים נוספים הם הפעלה של מקורות לייזר לחישה, מדידת טווח או כנשק לייזר רב עוצמה. בדיון על השפעות האטמוספירה לעיתים נוח יותר להשתמש בתורת הגלים האלקטרומגנטיים הקלאסית ולעיתים בתיאור הקוונטי של הפוטונים.

מרכיבי האטמוספירה והאפקטים האופטיים המרכזיים שלהם

גזים

לגזים באטמוספירה שלושה אפקטים משמעותיים על מעבר קרינה - בליעה, פיזור ושבירה.

בליעה

לכל אחד מהגזים המרכיבים את האטמוספירה ספקטרום בליעה אופייני הנובע מרמות האנרגיה של האטומים או המולקולות בגז. רמות אלה יכולות להיות אלקטרוניות, ויברציוניות או רוטציוניות. מכיוון שעלי פי מכניקת הקוונטים הרמות הן בדידות, אנרגיות המעבר ביניהן הם גם בדידות ומתאפשרת בליעה באורכי גל מסוימים מאד שבהם אנרגיית הפוטון שווה להפרש רמות מסוים. אורכי גל אלה נקראים קוי בליעה והם מרכיבים את ספקטרום הבליעה. עם זאת הקווים אינם צרים מאד עקב תופעות הרחבה הנובעות מתנועת האטומים והמולקולות (הרחבת דופלר) או התנגשויות ביניהם (הרחבת לורנץ). מידת הבליעה בכל קו בליעה תלויה בחתך הפעולה ובריכוז הגז. אור שאיננו נבלע מועבר. אחת התופעות הידיועות הקשורת בבליעה אטמוספירית היא תופעת החממה. אור בתחום הנראה גורם להתחממות פני השטח. כתוצאה מהתחממות זו נפלטת קרינה בתת-אדום אך זו נבלעת בגזים שונים (בעיקר פחמן דו-חמצני ומתאן) והדבר גורם להתחממות של האטמוספירה.

הבליעה באטמוספירה גורמת לניחות. העבירות היא המשלים של הניחות ל-1. ניתן לחשב אותה לפי חוק בר-למברט. השתנות שטף הפוטונים (ועוצמת האור) במעבר דרך שכבת אוויר דקה תהיה שווה ל-

$$dF=-F(\lambda ,x)\alpha (\lambda )\rho (x)dx$$

כאשר $F(\lambda ,x)$ השטף באורך גל $\lambda$ בנקודה $x$, $\alpha (\lambda )$ מקדם בליעה התלוי באורך הגל ( נתון ביחידות של הופכי הצפיפות), ו- $\rho (x)$ הינה הצפיפות בנקודה $x$ . כאשר מדובר במסלול אופקי שבו הצפיפות קבועה ניתן לפשט את המשוואה ל -

$$dF=-F(\lambda ,x)\alpha (\lambda )dx=-F(\lambda ,x)\alpha '(\lambda )dx$$

ספקטרום העברה ובליעה באטומוספירה עם ציון הגזים התורמים לבליעה באורכי גל שונים

והפתרון הידוע הוא :

$$F(\lambda ,x)=F(0)\exp(-\alpha '\lambda )x)$$

פיזור

עוד מנגנון הגורם לשינוי שטף הפוטונים על ידי הסטטתם מכיוונם המקורי הוא הפיזור. פיזור נובע מאינטראקציה של הקרינה האלקטרומגנטית עם חלקיק הגורמת להסטת הכיוון ללא שינוי באורך הגל של הקרינה המפוזרת. כאשר הגורם המפזר הוא אטום או מולקולה מדובר בחלקיקים הקטנים משמעותית מאורך הגל ולכן התיאור המתמטי המתאים הוא פיזור ריילי. פיזור ריילי מתכונתי הפוך לאורך הגל ברביעית ולכן הוא משמעותי יותר באורכי גל קצרים מאשר בארוכים. בתחום התת-אדום, למשל, השפעתו זניחה. באורכי גל קצרים האפקט של פיזור ריילי מתבטא בין השאר בשמיים התכולים (אורכי גל של אור כחול קצרים יותר ולכן מתפזרים טוב יותר) ובאדמומיות של שמש שוקעת (כיוון שהאור הכחול מוסר במידה רבה יותר). השפעת הפיזור על הניחות יכולה להיות מבוטאת באופן דומה להשפעת בליעה כאשר מקדם הבליעה מוחלף במקם הפיזור $\sigma (\lambda )$ ובהמשך $\sigma '(\lambda )$ עם התוצאה:

$$F(\lambda ,x)=F(0)\exp(-\sigma '(\lambda )x)$$

ראו גם

• שבירה אטמוספירית

לקריאה נוספת

• Larry C. Andrews, Field Guide to Atmospheric Optics, SPIE Press, 2004

קישורים חיצוניים

• התוכן בקישור, באתר (שם האתר)