Введение

Атмосферная дифракция проявляется следующими основными способами:

Оптическая атмосферная дифракция. Дифракция радиоволн – это рассеяние радиочастот или более низких частот в ионосфере Земли, что позволяет осуществлять радиовещание на большие расстояния. Дифракция звуковых волн – это огибание звуковыми волнами краев геометрических объектов. Это создает эффект слышимости даже при блокировке источника звука непрозрачным препятствием. Звуковые волны значительно огибают препятствие. Однако, если диаметр препятствия превышает длину звуковой волны, за ним образуется «звуковая тень», где звук не слышен. (Примечание: некоторая часть звука может проходить сквозь препятствие в зависимости от его материала).

Оптическая атмосферная дифракция

Когда свет проходит сквозь тонкие облака, состоящие из капель воды, аэрозолей или кристаллов льда примерно одинакового размера, происходит дифракция или изгиб света, так как свет дифрактирует на краях частиц. Степень этого изгиба зависит от длины волны (цвета) света и размера частиц. В результате возникает узор из колец, кажущихся исходящими от Солнца, Луны, планеты или другого астрономического объекта. Наиболее заметной частью этого узора является центральный, почти белый диск. Он напоминает атмосферный диск Эйри, но фактически им не является. Это явление отличается от радуг и гало, которые в основном вызваны преломлением. На фотографии слева показано дифракционное кольцо вокруг восходящего Солнца, вызванное пеленой аэрозоля. Этот эффект резко исчез, когда Солнце поднялось достаточно высоко, и узор перестал быть видимым с поверхности Земли. Это явление иногда называют эффектом короны, что не следует путать с солнечной короной. Справа – снимок с выдержкой 1/10 секунды, демонстрирующий переэкспонированную полную Луну. Луна видна сквозь тонкие, дымчатые облака, которые светятся ярким диском, окруженным освещенным красным кольцом. Более длительная выдержка позволила бы увидеть больше слабых цветов за пределами внешнего красного кольца. Другая форма атмосферной дифракции или изгиба света возникает, когда свет проходит через тонкие слои частичек пыли, запертых преимущественно в средних слоях тропосферы. Этот эффект отличается от дифракции на основе воды, поскольку пыль непрозрачна, в то время как вода пропускает свет. Это приводит к тому, что свет приобретает цвет частиц пыли. Оттенок может варьироваться от красного до желтого в зависимости от географического положения. Важное отличие также заключается в том, что дифракция на основе пыли действует как увеличительное стекло, а не создает четкий ореол. Это происходит потому, что непрозрачное вещество не обладает линзовыми свойствами воды. Эффект заключается в том, чтобы сделать объект визуально больше, но более размытым, поскольку пыль искажает изображение. Степень проявления этого эффекта сильно зависит от количества и типа пыли в атмосфере.

Распространение радиоволн в ионосфере

Ионосфера – это слой частично ионизированных газов, расположенный высоко над большей частью атмосферы Земли; эти газы ионизируются космическими лучами, исходящими от Солнца. Когда радиоволны проникают в эту зону, которая начинается примерно в 80 километрах над землей, они испытывают дифракцию, подобную явлению видимого света, описанному выше. В этом случае часть электромагнитной энергии изгибается в большую дугу, так что она может вернуться на поверхность Земли в очень удаленной точке (на расстоянии порядка сотен километров от источника передачи). Более того, часть этой радиоволновой энергии отражается от поверхности Земли и достигает ионосферы во второй раз, на расстоянии еще большем, чем в первый раз. Следовательно, мощный передатчик может эффективно передавать сигналы на расстояние более 1000 километров, используя несколько "отражений" от ионосферы. И в периоды благоприятных атмосферных условий, когда наблюдается хорошее "распространение", даже маломощный передатчик может быть услышан на полпути вокруг света. Это часто происходит с радиолюбителями-"новичками", которым законодательно ограничена мощность передатчиков до 65 Вт. Экспедиция "Кон-Тики" регулярно поддерживала связь с 6-ваттным передатчиком из центральной части Тихого океана. Более подробную информацию можно найти в разделе "связь" статьи "Экспедиция Кон-Тики" в Википедии. Экзотический вариант распространения радиоволн был исследован, чтобы показать, что теоретически ионосферное отражение может быть значительно усилено, если в ионосфере будет создана сферическая акустическая волна высокой мощности, генерируемая с поверхности Земли.

Акустическая дифракция вблизи поверхности Земли

В случае звуковых волн, распространяющихся вблизи земной поверхности, волны дифрактируются или изгибаются, проходя мимо геометрического препятствия, такого как стена или здание. Это явление приводит к важному практическому эффекту: мы можем слышать звук, огибая углы. Благодаря задействованным частотам, значительная часть звуковой энергии (порядка десяти процентов) фактически проникает в то, что иначе было бы звуковой "зоной тени". Видимый свет демонстрирует аналогичный эффект, но из-за гораздо меньшей длины волны лишь незначительная часть световой энергии огибает угол. Раздел акустики, занимающийся проектированием шумозащитных экранов, детально изучает это явление акустической дифракции для количественного расчета оптимальной высоты и расположения звуковой стены или насыпи вдоль автомагистрали. Это явление также учитывается при расчете уровней шума от авиационного транспорта, что позволяет точно определить влияние рельефа местности. Таким образом, можно создавать изоплеты уровня звука, или карты уровней шума, которые достоверно отображают результаты на изменяющемся рельефе.