Оптические характеристики материалов

Ввакууме лучистый поток распространяется без потерь. При рас­пространении лучистого потока в атмосфере наблюдаются его отражение, поглощение и преломление.

Для общего случая взаимодействия излучения со средой если моно­хроматический поток Ф_0λ распространяющийся в телесном угле Ω, про­ходит через неоднородную среду (вещество), он распадается на четыре частичных потока: Ф_ρλ - отраженный, Ф_αλ - поглощенный, Ф_mλ - рассеян­ный и Ф_τλ - прошедший. Отношения монохроматических частичных пото­ков к монохроматическому потоку, входящему в среду, называют спект­ральными коэффициентами: Ф_ρλ/Ф_0λ = ρ_λ - отражения; Ф_αλ/Ф_0λ = α_λ - погло­щения; Ф_mλ/ Ф_0λ = m_λ - рассеяния; Ф_τλ/Ф_0λ = τ_λ - пропускания.

Если в среду входит сложный поток, его взаимодействие со средой оценивают интегральными коэффициентами: Ф_ρ/Ф₀ = ρ - отражения; Ф_α/Ф₀ = α - погло­щения; Ф_m/Ф₀ = m - рассеяния; Ф_τ/Ф₀ = τ - пропускания.

Иногда рассеянный поток отдельно не учитывают, а приплюсовывают его к поглощенному и вышедшему потокам и оценивают свойства среды (вещества) тремя коэффициентами: отражения, поглощения и пропускания. Частичные потоки Ф_ρ, Ф_α, Ф_τ зависят от спектрального состава излучения и физических свойств среды. Поэтому свойства среды можно характери­зовать спектральными или интегральными коэффициентами. В табл. 17.2 приведены значения интегральных коэффициентов для некоторых веществ.

Таблица 17.2

Интегральные коэффициенты отражения ρ, поглощения α и пропускания τ некоторых веществ

Вещество	Ρ	Α	τ
Белая бумага Свинцовые белила Черный бархат Оконное стекло	0.45 0.9 0.02 0.08	0.15 0.1 0.998 0.02	0.4 - - 0.9

Для создания определенной направленности излучения в световых приборах применяют отражатели. Их материалы должны иметь наиболь­шие значения коэффициентов отражения. Такими свойствами обладают металлы, окись магния, мел и др. Конструктивно отражатели выполняют металлическими или стеклянными с металлическим покрытием. Из металлов наибольшее значение коэффициента отражения имеет полирован­ное серебро (0,93), но его в отражателях использовать нельзя: оно покрывается пленкой окислов и теряет свои отражательные свойства. Отражатели выполняют из алюминия или покрывают алюминиевой крас­кой. Коэффициент отражения полированного алюминия равен 0,75-0,8, а коэффициент отражения алюминиевой краски - 0,55. Поверхности в ка­бине экипажа ЛА (щитки, приборные доски, пульты, панели) имеют муаровое покрытие для создания диффузного отражения. Коэффициент отражения этого покрытия ρ ≤ 0,1.

Земные покровы, на которые совершает посадку ЛА - вещества с не­однородной структурой и шероховатой поверхностью, поэтому они имеют равномерно-диффузное отражение и небольшие значения коэффициентов отражения.

Коэффициенты отражения земных покровов для видимых излучений (Без скобок - для поверхности сухой, в скобках - для влажной.)

 

Трава зеленая 0,14 (0,09)

Бетон                       0,17 (0,1)

Асфальт         0,1 (0,07)

Снег               0,78 (-)

 

Поскольку вода хорошо поглощает излучение видимого участка спектра, влажные покровы имеют меньший коэффициент отражения, чем сухие, а за счет пленки воды на поверхности влажные покровы имеют направ­ленно-рассеянное отражение.

Различают направленное, направленно-диффузное и равномерно-диф­фузное пропускание. Когда размеры частиц внутренней структуры ве­щества намного меньше длины волны излучения, происходит направлен­ное пропускание. При нем пространственный угол, внутри которого распространяется поток, вышедший из среды, равен пространственному углу падающего излучения. Направленным пропусканием обладают проз­рачные стекла, гладкие светофильтры, объективы и окуляры, направленно-диффузным пропусканием - матовые стекла, имеющие матировку на вы­ходящей поверхности. При равномерно-диффузном пропускании простран­ственный угол прошедшего потока равен 2π. Равномерно-диффузным пропусканием обладает молочное стекло (прозрачное стекло, внутри которого во взвешенном состоянии находятся частицы с другим показа­телем преломления).

На практике излучение источника света проходит несколько свето­фильтров (сред), прежде чем достигнет приемника излучения. Взаимодей­ствие излучения со средой ослабляет его. На рис. 17.2 показаны светофильт­ры 1-3 с коэффициентами пропуска­ния τ₁ - τ₃.

Первоначальное излучение (лампа накаливания) Ф₀ проходит через эти светофильтры, излучение Ф_τ3 воспринимается приемником (глазом). Так как Ф_τ1/Ф₀=τ₁; Ф_τ2/Ф_τ1=τ₂; Ф_τ3/Ф_τ2=τ₃, то после перемножения правых и левых частей этих равенств имеют

(Ф_τ1/Ф₀)(Ф_τ2/Ф_τ1)(Ф_τ3/Ф_τ2)= τ₁τ₂τ₃, а после сокращения в левой части получают, что (Ф_τ3/Ф₀)= τ₁τ₂τ₃. Сле­довательно, коэффициент пропускания нескольких светофильтров равен произведению коэффициентов пропускания отдельных светофильтров.

Коэффициенты пропускания авиационных светофильтров имеют следу­ющие значения: красных - от 0,12 до 0,15; зеленых - от 0,15 до 0,2; желтых - от 0,4 до 0,5; синих - от 0,01 до 0,03.

При распространении излучения в атмосфере оно ослабляется в основ­ном тремя процессами: молекулярным поглощением, молекулярным рас­сеянием и рассеянием на инородных частицах. Молекулы составных частей атмосферы поглощают излучение тех длин волн (частот), которые соответствуют резонансным частотам их собственных колебаний. Напри­мер, озон поглощает излучение с α<300 нм, а молекулы воды погло­щают длинноволновое излучение.

Молекулярное поглощение зависит от числа молекул в единице объема, а следовательно, и от толщины слоя атмосферы - длины пути прохож­дения излучения. Численно молекулярное поглощение в единице объема атмосферы для монохроматического излучения определяют по экспонен­циальному закону Бугера-Бера:

Ф’_τλ= Ф’_0λ ехр(-α_λМП l)                                                                      (17.1)

где Ф’_τλ - поток, вышедший из объема атмосферы; Ф’_0λ - поток, вошедший в слой атмосферы; α_{λМП -} коэффициент ослабления потока при молеку­лярном поглощении; l - толщина слоя атмосферы.

Этот закон справедлив для монохроматического излучения, распростра­няющегося параллельно в оптически однородной среде.

Из равенства (17.1) получают коэффициент пропускания атмосферы при молекулярном поглощении:

τ_λМП=Ф’_τλ/ Ф’_0λ=ехр(-α_λМП l).

Молекулярное рассеяние - изменение пространственного распределения пучка лучей без изменения частот составляющих его монохроматических излучений. Рассеяние происходит на границе двух молекул или на границе групп молекул, имеющих различную плотность. Значение монохромати­ческого потока, прошедшего через слой сухой и чистой атмосферы, при молекулярном рассеянии определяют тоже по закону Бугера-Бера:

Ф”_τλ= Ф”_0λ ехр(- m _λМР l),                                                     (17.2)

где m _λМР - коэффициент ослабления потока при молекулярном рассеянии. Из выражения (17.2) находят коэффициент пропускания атмосферы при молекулярном рассеянии:

τ_λМР=Ф”_τλ/ Ф”_0λ=ехр(- m _λМР l).

Если размеры частиц, на границе которых происходит рассеяние, соизмеримы с длиной волны, все лучи рассеиваются в объеме атмосферы одинаково. В сухой и чистой атмосфере размеры частиц намного меньше длин волн составляющих видимого излучения. Рассеяние в такой атмосфере подчиняется закону Рэлея, при котором коэффициент молекулярного рас­сеяния:

m _λМР = А/ λ⁴                                                                                     (17.3)

где А - коэффициент, характеризующий параметры объема атмосферы.

Из уравнений (17.2) и (17.3) следует, что чем меньше длина волны излучения, тем больше рассеивается поток (уменьшается вышедший поток Ф”_τλ). Подтверждением этого служит голубой цвет неба. Коротковолновое излучение солнца рассеивается в атмосфере больше, чем длинноволновое излучение, и создает голубую дымку.

Если наблюдаются дымка, туман, облака, то в атмосфере присутствуют инородные частицы. Их размеры (1÷20)10³ нм. При прохождении через атмосферу с инородными частицами излучение ослабляется за счет рас­сеяния на этих частицах и отражения от них. Если размеры частиц более 1·10³ нм, интенсивность рассеяния не зависит от длины волны излучения. В этом случае для определения вышедшего из слоя атмосферы монохроматического излучения используют все тот же закон Бугера-Бера:

Ф”’_τλ= Ф”’_0λ ехр(- m _λД l),                                                                  (17.4)

где Ф”’_τλ - поток, вышедший из слоя атмосферы; Ф”’_0λ - монохроматический поток, входящий в слой атмосферы; m _λД - коэффициент рассеяния в дымке, зависящий от концентрации частиц в единице объема атмосферы.

Из формулы (17.4) определяют коэффициент пропускания атмосферы при рассеянии потока на инородных частицах:

τ_λД=Ф’”_τλ/ Ф’”_0λ=ехр(- m _λД l).

Если представить, что монохроматический поток, проходящий через слой атмосферы, первоначально ослабляется за счет молекулярного погло­щения, затем за счет молекулярного рассеяния и рассеяния на инородных частицах, можно определить общий коэффициент пропускания атмосферы как произведение коэффициентов пропускания при ослаблении потока в различных взаимодействиях с атмосферой:

τ_λ= τ_λМП τ_λМР τ_λД.                                                                         (17.5)

Перемножив коэффициенты пропускания в выражении (17.5), получим:

τ_λ=ехр(- m _λ l), где m _λ = α_λМП + m _λМР + m _λД.

Для слоя атмосферы толщиной в 1 км общий коэффициент пропуска­ния

τ_1λ=ехр(- m _λ · 1)= Ф_τλ/Ф_0λ. Его называют коэффициентом прозрач­ности атмосферы (отношение монохроматического потока, прошедшего слой атмосферы толщиной в 1 км, к монохроматическому потоку, во­шедшему в этот слой). Он характеризует оптическое состояние атмосферы.

Оптическое состояние атмосферы оценивают также метеорологической дальностью видимости (МДВ) - наибольшей дальностью видимости днем темных предметов с угловыми размерами более 0,5°, проецирующихся на северной стороне неба у горизонта. Темный предмет теряет видимость, если контраст между предметом и фоном становится меньше среднего порогового контраста для глаза. Контраст же уменьшается из-за рассея­ния и поглощения видимого излучения в атмосфере. МДВ имеет десяти­балльную шкалу. Для примера в табл. 17.3 приведены несколько опти­ческих состояний атмосферы и оценки этих состояний.

Таблица 17.3

  Оценка состояния атмосферы (примеры)

Состояние атмосферы	Балл	МДВ, км	Коэффициент прозрачности атмосферы
Отличная видимость                Слабая дымка                          Слабый туман                          Сильный»	9 7 3 0	50 20 1 0.05	0.925 0.7 0.02 1·10-34

 

В общем случае, если световой поток проходит сквозь слой атмосферы толщиной L км, поток, вышедший из этого слоя,

,

где L - показатель степени (толщина слоя атмосферы), км.