Атмосфералық дифракция құбылысы

Кіріспе

Атмосфералық дифракция мынадай негізгі тәсілдермен көрінеді:

Оптикалық атмосфералық дифракция. Радио толқынының дифракциясы – радиожиіліктердің немесе Жердің ионосферасынан төменгі жиіліктердің шашырауы, нәтижесінде радио хабарларын үлкен қашықтыққа таратуға мүмкіндік туады. Дыбыс толқынының дифракциясы – дыбыс толқындарының иілуі, себебі дыбыс геометриялық нысандардың шеттерімен өтеді. Бұл, дыбыс көзі қатты затпен кесілген кезде де естуге мүмкіндік береді. Дыбыс толқындары қатты заттың айналасында айқын иіледі. Дегенмен, егер нысанның диаметрі дыбыстық толқын ұзындығынан артық болса, нысанның артында дыбыс естілмейтін «дыбыстық көлеңке» пайда болады. (Ескерту: материалға байланысты, кейбір дыбыс нысан арқылы өтуі мүмкін).

Атмосфералық оптикалық дифракция

Жарық біртектес су тамшыларынан немесе аэрозольдерден немесе мұз кристалдарынан тұратын жұқа бұлттар арқылы өтетін кезде, жарық бөлшектердің шеттерімен сығылатындықтан дифракцияға ұшырайды. Жарықтың бұрылу дәрежесі жарықтың толқын ұзындығына (түсіне) және бөлшектердің өлшеміне байланысты. Нәтижесінде, Күннен, Айда, планетадан немесе басқа да астрономиялық нысандардан шығар сияқты көрінетін сақиналардың үлгісі пайда болады. Бұл үлгінің ең айқын бөлігі – орталыққа жақын, көбінесе ақ диск. Бұл атмосфералық Эйри дискісіне ұқсас, бірақ ол Эйри дискісі емес. Бұл көбінесе сынудан туындайтын көкжиек пен галодан өзгеше. Сол жақтағы суретте аэрозоль қабығынан туындаған, күннің шығуына айналған дифракциялық сақина көрсетілген. Күн жер бетінен жеткілікті биікке көтерілгенде бұл әсер күрт жоғалып, үлгі көрінбей қалды. Бұл құбылыс кейде корона эффекті деп аталады, оны Күннің коронасымен шатастырмау керек. Оң жақта 1/10 секундтық экспозициядағы толық Ай көрсетілген. Ай жұқа, буланып тұрған бұлттар арқылы көрінеді, олар жарық қызыл сақинамен оралып, жарқын дискпен сәулеленеді. Ұзақ экспозицияда сыртқы қызыл сақинадан тыс әлсіз түстер көрінеді. Атмосфералық дифракцияның немесе жарықтың бұрылуының тағы бір түрі, жарық тропосфераның ортаңғы қабаттарында тұтқындалған ұсақ бөлшекті шаң қабаттары арқылы өтетін кезде пайда болады. Бұл әсер суға негізделген атмосфералық дифракциядан өзгеше, себебі шаң материалдары мөлдір емес, ал су жарықтың өтуіне мүмкіндік береді. Бұл жарықты шаң бөлшектерінің түсіне бояйды. Бұл бояну географиялық орналасуға байланысты қызылдан сарыға дейін өзгеруі мүмкін. Басқа маңызды айырмашылық – шаңға негізделген дифракция анық гало жасамай, керісінше үлкейтуге ұқсас әрекет етеді. Бұл мөлдір емес заттардың судың линзалық қасиеттерін бөліспеуіне байланысты. Бұл әсер объектіні көрінетіндей үлкейтіп, шаң суретті бұрмалағандықтан оны нашарлайды. Бұл әсер атмосферадағы шаңның мөлшері мен түріне байланысты өзгереді.

When light travels through thin clouds made up of nearly uniform sized water or aerosol droplets or ice crystals, diffraction or bending of light occurs as the light is diffracted by the edges of the particles. This degree of bending of light depends on the wavelength (color) of light and the size of the particles. The result is a pattern of rings, which seem to emanate from the Sun, the Moon, a planet, or another astronomical object. The most distinct part of this pattern is a central, nearly white disk. This resembles an atmospheric Airy disc but is not actually an Airy disk. It is different from rainbows and halos, which are mainly caused by refraction. The left photo shows a diffraction ring around the rising Sun caused by a veil of aerosol. This effect dramatically disappeared when the Sun rose high enough until the pattern was no longer visible on the Earth's surface. This phenomenon is sometimes called the corona effect, not to be confused with the solar corona. On the right is a 1/10 second exposure showing an overexposed full moon. The Moon is seen through thin vaporous clouds, which glow with a bright disk surrounded by an illuminated red ring. A longer exposure would show more faint colors beyond the outside red ring. Another form of atmospheric diffraction or bending of light occurs when light moves through fine layers of particulate dust trapped primarily in the middle layers of the troposphere. This effect differs from water based atmospheric diffraction because the dust material is opaque whereas water allows light to pass through it. This has the effect of tinting the light the color of the dust particles. This tinting can vary from red to yellow depending on geographical location. the other primary difference is that dust based diffraction acts as a magnifier instead of creating a distinct halo. This occurs because the opaque matter does not share the lensing properties of water. The effect is to make an object visibly larger while being more indistinct as the dust distorts the image. This effect varies largely based on the amount and type of dust in the atmosphere.

Ионосферадағы радио толқын таралуы

Ионосфера – Жер атмосферасының көп бөлігінің үстінде орналасқан, ішінара иондалған газдар қабаты; бұл газдар Күннен шыққан ғарыш сәулелерінің әсерінен иондалады. Радио толқындары жер бетінен шамамен 80 километр биіктікте басталатын бұл аймаққа енгенде, жоғарыда сипатталған жарық құбылысына ұқсас дифракция құбылысын бастан кешіреді. Осы кезде электромагниттік энергияның бір бөлігі үлкен доға тәрізді бұрылып, Жер бетіне өте алыс нүктеге (хабар тарату көзінен жүздеген шақырым қашықтықта) қайта оралады. Көбінесе радио толқынының энергиясы Жер бетінен секіріп, ионосфераға екінші рет жетеді, бұл алғашқыдан одан да алыс қашықтықта болады. Осының нәтижесінде, жоғары қуатты хабар таратушы ионосферадан бірнеше рет "секіріп" 1000 шақырымнан астам қашықтыққа хабар тарата алады. Қоршаған ортаның жағдайы қолайлы болғанда және жақсы "секіру" орын алғанда, тіпті аз қуатты хабар таратушы да әлемнің жартысына дейін естіледі. Бұл көбінесе "жаңадан бастаған" радио әуесқойлар, "хамдар" үшін тән, олар заң бойынша 65 ваттан аспайтын қуаттылықтағы хабар таратушыларды пайдалануға шектеледі. Кон-Тики экспедициясы Тынық мұхитының ортасынан 6 ватттық хабар таратушы арқылы үнемі байланыс орнатып тұрды. Толығырақ ақпарат алу үшін Wikipedia-дағы "Кон-Тики экспедициясы" жазбасының "байланыс" бөлімін қараңыз. Радио толқындарының таралуының ерекше түрі зерттелді, оған сәйкес, егер Жер бетіндегі көзден ионосферада жоғары қуатты сфералық акустикалық толқын тудырылса, ионосфералық секірудің күші теориялық тұрғыдан айтарлықтай артуы мүмкін.

Жер бетінің маңында дыбыстық дифракция

Жер бетіне жақын қозғалатын дыбыс толқындары, қабырға немесе ғимарат сияқты геометриялық жиектерден өте келе, дифракцияланып немесе иіліп өтеді. Бұл құбылыс өте маңызды практикалық нәтижеге алып келеді: біз бұрыштарды айналып ести аламыз. Себебі, қатысты жиіліктердің арқасында, дыбыс энергиясының айтарлықтай бөлігі (шамамен он пайызға дейін) осы дыбыс "көлеңке аймағына" еніп өтеді. Көрінетін жарық та ұқсас әсер көрсетеді, бірақ оның толқын ұзындығы әлдеқайда қысқа болғандықтан, жарық энергиясының өте аз бөлігі ғана бұрыштарды айналып өтеді. Шу тосқауылдарын жобалаумен айналысатын акустиканың пайдалы саласы осы дыбыстық дифракция құбылысын сандық тұрғыда зерттеп, тас жолдың жанындағы дыбыс қабырғасының немесе жарықтың ең тиімді биіктігі мен орналасуын анықтайды. Бұл құбылыс авиациялық шудың деңгейін есептеуде де маңызды, сондықтан жер бедерінің ерекшеліктерін дәл анықтауға болады. Осылайша, дыбыс деңгейінің изоплеттерін немесе контурлық карталарын жасауға болады, олар өзгермелі жер бедеріндегі нәтижелерді нақты көрсетеді.