ID: 00007368
Атмосферная рефракция
Прежде чем луч света от удалённого космического объекта (например, звезды) сможет попасть в глаз наблюдателя, он должен пройти сквозь земную атмосферу. При этом световой луч подвергается процессам рефракции, поглощения и рассеяния.
Рефракция света в атмосфере - оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов (например, наблюдаемых на небе звёзд). По мере приближения светового луча от небесного тела к поверхности Земли плотность атмосферы растёт (рис. 1) и лучи преломляются всё сильнее. Процесс распространения светового луча через земную атмосферу можно смоделировать с помощью стопки прозрачных пластин, оптическая плотность которых изменяется по ходу распространения луча (рис. 2).
Из-за рефракции наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения (рис. 3). Угол между истинным и видимым направлениями на объект называется углом рефракции. Звёзды вблизи горизонта, свет которых должен пройти через самую большую толщу атмосферы, сильнее всего подвержены действию атмосферной рефракции (угол рефракции составляет порядка 1/6 углового градуса).
В спокойной атмосфере наблюдают положение звёзд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли. Каково видимое положение звёзд — выше или ниже их действительного положения относительно горизонта? Ответ поясните.
Источник: ФИПИ
По мере приближения светового луча от небесного тела к поверхности Земли плотность атмосферы возрастает, и показатель преломления увеличивается. Согласно закону преломления света (закону Снеллиуса), луч отклоняется в сторону нормали при переходе в более оптически плотную среду.
В результате траектория светового луча в атмосфере искривляется — луч «загибается» к поверхности Земли. Наблюдатель воспринимает свет, приходящий к его глазу, как распространяющийся прямолинейно, то есть вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения. Эта касательная направлена выше, чем истинное направление на звезду.
Таким образом, из-за рефракции световых лучей в атмосфере (их преломления) наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения. Следовательно:
Эффект наиболее выражен для звёзд вблизи горизонта, где свет проходит через наибольшую толщу атмосферы (угол рефракции до $\frac{1}{6}$ углового градуса).
Ответ:
1. Наблюдаемое положение звёзд выше их действительного положения.
2. Дано обоснование: из-за рефракции луч света от звезды при прохождении атмосферы будет искривляться. Так как плотность атмосферы по мере приближения к поверхности Земли увеличивается, то угол преломления по мере прохождения луча в атмосфере будет уменьшаться. Такое искривление луча соответствует случаю, когда видимое положение звезды (получаемое на прямолинейном продолжении пришедшего в глаз наблюдателю луча) выше её действительного положения.
Или представлен рисунок:
