Атмосферна оптика, розділ фізики атмосфери, в якому вивчаються оптичні явища, що виникають при проходженні світла в атмосфері. Сюди відносяться не лише такі барвисті явища, як зірки, веселки, зміни кольору піднебіння, а і менш помітні, але дуже важливі для практики явища, як розсіяння і випромінювання атмосферою видимої і невидимої радіації, поляризація небесного світла, видимість предметів і так далі А. о. складає частина фізичної оптики; вона тісно переплітається з оптикою колоїдів і аерозолів, планетних атмосфер, морить, з радіаційною теплопередачею і ін. Важливі для А. о. результати були отримані при вирішенні проблем фізичної хімії, астрофізики, океанології, техніки, а методи і результати А. о. часто знаходять вживання в цих науках.
Вивчення оптичних властивостей повітря, морить і суші складає прямі завдання А. о. Зворотні завдання А. о. — розробка оптичних методів зондування, тобто визначення по виміряних оптичних властивостях повітря, морить і суші інших їх фізичних характеристик.
Оптичні явища в нижніх і верхніх шарах атмосфери (шар озону і вище) різні. У верхніх шарах під впливом сонячного випромінювання відбуваються головним чином фотохімічні реакції. Що виникають при цьому збуджені частки висвічують запасену енергію (полярні сяяння, свічення нічного піднебіння і ін.). Вивченням цих явищ займається аерономія . В даній статті вони не розглядаються.
Інтерес до оптичних явищ в атмосфері виник дуже давно. Колір піднебіння і хмар, зірки, помилкові сонця і так далі з давніх пір вважалися передвісниками погоди. Такі прикмет досить багато і у свій час вважалося навіть, що їх вивчення і є головне завдання А. о. Цієї точки зору дотримувався російський геофізик П. І. Броунов (30-і рр. 20 ст). Проте детальніші дослідження показали, що хоча між оптичними і іншими фізичними явищами в атмосфері зв'язок поза сумнівом існує, але часто вона буває дуже складною і неоднозначною; оптичні ознаки погоди інколи протіворечат один одному. Поступово стало ясно, що знайти зв'язок між оптичними явищами і погодою можна, лише вивчаючи природу оптичних явищ і одночасно проникаючи в механізм фізичних явищ, що викликають зміни погоди.
Перші спроби пояснити синій колір піднебіння відносяться до 16 ст Леонардо да Вінчі пояснював синяву небесного зведення тим, що біле повітря на темному фоні світового простору здається синім. Л. Ейлер вважав (1762), що «самі частки повітря мають синюватий відтінок і в загальній масі створюють інтенсивну синяву». На початку 18 ст І. Ньютон пояснював колір піднебіння інтерференційним віддзеркаленням сонячного світла від найдрібніших крапель води, завжди зважених в повітрі. У 1809 французький фізик Д. Араго відкрив, що світло піднебіння сильно поляризоване (див. Поляризація світла ) .
Перше правильне пояснення синього кольору піднебіння дав англійський фізик Релей (Дж. В. Стрет) (1871, 1881). По теорії Релея кольорові промені, створюючі сонячний спектр, розсіваються молекулами повітря пропорційно l -4 (де l — довжина світлової хвилі). Сині промені розсіваються, приблизно, в 16 разів сильніше, ніж червоні. Тому колір піднебіння (розсіяне сонячне світло) — синій, а колір Сонця (пряме сонячне світло), коли воно низьке над горизонтом і промені його проходят велика дорога в атмосфері, — червоний. При цьому розсіяне світло має бути сильно поляризований, а під кутом 90° від напряму на Сонці поляризація має бути повною.
Виміри яскравості, кольори і поляризації світла піднебіння підтвердили теорію Релея. Але в 1907 російський фізик Л. І. Мандельштам показав, що якщо тіло, у тому числі і повітря, строго однорідно, то промені, розсіяні окремими молекулами, повинні в результаті взаємної інтерференції гасити один одного так, що жодного розсіяння взагалі спостерігатися не буде. Насправді із-за хаотичного теплового руху в середовищі завжди виникають флуктуації щільність (тобто випадково розташовані області згущувань і розріджень), на якій і відбувається розсіяння. Строга теорія флуктуаційного розсіяння, розроблена польським фізиком М. Смолуховським (1908) і А. Ейнштейном (1910), привела до тих же формул, які були раніше отримані в молекулярній теорії Релея. Проте всі ці роботи не враховували запиленої атмосфери. Повітря, навіть найчистіше, — високо в горах, в Арктиці і Антарктиці — завжди засмічений органічною і мінеральним пилом, частками диму, крапельками води або розчинів. Ці частки дуже малі (радіус близько 0,1 нм ) , їх маса, а отже, і вага нікчемні, тому вони так повільно падають на Землю, що щонайменший струм повітря знову здіймає їх вгору. Т. до. повітря безперервно перемішується, то в атмосфері завжди парить як би мережа з найдрібніших порошинок і капіж, особливо густий в нижніх приземних шарах. Це атмосферний аерозоль, який і є головною причиною каламутності повітря. Він зменшує дальність видимості в реальній атмосфері, в порівнянні з ідеальною, приблизно в 20 разів. Окрім аерозоля, велику роль в оптичних явищах в атмосфері грають водяну пару, вуглекислий газ і озон, хоча вони складають всього декілька % від об'єму газів, з яких складається повітряна суміш. Лише ці гази поглинають сонячне і земне випромінювання і самі випромінюють радіацію.
В розсіянні світла в атмосфері вирішальне значення має аерозоль. Німецький фізик Г. Мі (1908) побудував теорію розсіяння світла часткою довільного розміру, якою широко користуються в А. о. Ця теорія була істотно розвинена н доповнена радянськими ученими В. В. Шулейкиним (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифріним (1951) і голландським ученим ван Хюлстом (1957). Розрахунки показують, що характер розсіяння залежить від відношення радіусу частки а до довжини хвилі l і від речовини частки. Малі частки (a/l “ 1) поводяться так само, як молекули в теорії Релея, але ніж більше частки, тим слабкіше залежність розсіяння від довжини хвилі. Великі частки (a/l “ 1) розсіюють світло нейтрально — всі хвилі однаково. Це, зокрема, відноситься до крапель хмар, радіуси яких в 10—20 разів більше довжини хвилі видимого світла. Саме тому хмари мають білий колір. З цієї ж причини піднебіння стає білястим, якщо повітря запорошене або містить крапельки води. У дослідження яскравості і поляризації піднебіння великий вклад внесли радянські вчені Ст Р. Фесенков, І. І. Тіхановський, Е. Ст ПяськовськаЯ-фесенкова, а в дослідження прозорості хмар, туманів, нижніх шарів атмосфери — А. А. Лебедев, І. А. Хвостиків, С. Ф. Родіонов, американські учені Д. Стреттон і Г. Хаутон, французькі учені Е. і А. Васей, Же. Брікар.
Поряд з експериментальними роботами створювалися також методи розрахунку розподіли яскравості і поляризації по піднебінню, для чого необхідно враховувати багатократність розсіяння світла і віддзеркалення від земної поверхні. Для цього випадку російським фізиком О. Д. Хвольсоном (1890) було запропоновано рівняння перенесення випромінювання. Для безхмарного піднебіння вплив багатократного розсіяння не дуже великий, але для хмар, які є сильно каламутними середовищами, це — основний чинник, без якого не можна правильно розрахувати прозорість хмар, віддзеркалення і світловий режим усередині них. Великий вклад до розробки методів вирішення рівняння перенесення внесли радянські учені В. А. Амбарцумян (1941—43), В. В. Собольов (1956), Е. С. Кузнецов (1943—45) і індійський учений С. Чандрасекар (1950).
Видимість предметів обумовлена перш за все прозорістю повітря, а також їх відбивними властивостями. Віддзеркалення дифузне, тобто розсіяно на всі боки (за винятком віддзеркалення від поверхні спокійної води) і для різних поверхонь відбувається по-різному, внаслідок чого (для несамосвітних тіл) виникає контраст яскравості предмету з фоном. Якщо контраст більше деякого порогового значення, то предмет видно; якщо менше, то предмет втрачається на загальному фоні. Дальність видимості предмету залежить від прозорості повітря і від освітленості (у сутінки і вдень поріг розрізнення неоднаковий). Видимість (прозорість атмосфери) входить до числа основних метеорологічних елементів спостереження над якими ведуть метеорологічні станції. Дослідження умов, що впливають на горизонтальну і похилу видимість (на тлі піднебіння або Землі), — важливе прикладне завдання А. о. У її рішенні значні результати отримали радянські вчені Ст Ст Шаронов, Н. Р. Болдирев, Ст А. Березкин, Ст А. Фаас, німецький учений Х. Кошмідер, канадський учений Д. Мідлтон.
Велике значення має вивчення умов поширення в атмосфері невидимих інфрачервоних хвиль завдовжки 3— 50 мкм, які обумовлюють променисту передачу тепла (механізм її полягає в поглинанні і подальшому перєїзлученії). Дуже важливі прямі виміри у вільній атмосфері, які можуть бути виконані з літаків або з штучних супутників Землі (ІСЗ). У дослідженні променистої теплопередачі істотні результати були отримані радянськими ученими А. І. Лебединським, Ст Р. Кастровим, До. Я. Кондратьевим, Би. С. Непорентом, Е. М. Фейгельсоном і американськими — Д. Хоуардом і Р. Гуди.
При постановці зворотних завдань А. о. виникають дві труднощі: по-перше, потрібно встановити, що в оптичній інформації містяться потрібні дані, і, по-друге, — вказати спосіб їх витягання і необхідну точність вимірів. В. Г. Фесенков ще в 1923 показав, що по зміні яскравості смеркового піднебіння можна судити про будову атмосфери на висотах більше 30 км. Через 30 років зведення про будові стратосфери і іоносферу, отриману безпосередньо за допомогою ракет, підтвердили дані смеркового методу. У розвиток смеркового методу внесли значний вклад радянські учені Р. Ст Розенберг, Н. М. Штауде. Удалося розробити декілька методів, що дозволяють досліджувати будову каламутних середовищ по особливостях їх светорассеянія, які знайшли вживання не лише в геофізиці. Найбільший інтерес викликає розробка методів зондування атмосфери з ІСЗ(штучний супутник Землі) для визначення температури земної поверхні або хмар по інфрачервоному випромінюванню, що приходить на супутник. Досліджується також спосіб визначення вертикальних профілів температури і вологості випромінювання, що по характеру приходить. У розробці цього методу важливі результати отримані радянським вченим М. С. Малкевічем, американським, — Л. Капланом і японським — Р. Ямамото.
Роботу по розвитку і узгодженню досліджень в області А. о. проводить Академія наук СРСР спільно з Головним управлінням гідрометеорологічної служби СРСР.
Літ.: Броунов П. І., Атмосферна оптика, М., 1924; Шифрін До. С., Розсіяння світла в каламутному середовищі, М.— Л., 1951; ПяськовськаЯ-фесенкова Е. Ст, Дослідження розсіяння світла в земній атмосфері, М., 1957; Розенберг Р. Ст, Сутінки, М., 1963; Кондратьев До. Я., Актинометрія, Л., 1965.
