РОЗДІЛ 2
ОСНОВИ ТЕОРІЇ АНОМАЛЬНОЇ ВЕРТИКАЛЬНОЇ РЕФРАКЦІЇ ТА ПРАКТИКА ЇЇ ВИЗНАЧЕННЯ І
ПРОГНОЗУВАННЯ
Спостереження, виконані нами [39, 67, 71, 72, 80, 81, 83] та іншими авторами
[13, 104, 105, 134, 135, 138, 139, 140, 144], показали, що коливання візирних
цілей, викликані турбулентністю, різні за частотою та амплітудою. На початковій
фазі переходу атмосфери у термічно турбулентний стан з’являється малопомітне
переміщення візирних цілей. Надалі амплітуда коливань зростає, а частота
видимих коливань, що фіксуються, знаходиться у межах від 100-150 Гц до 1,0 –
0,1 Гц.
Стосовно властивостей процесу коливань зображень, думки дослідників мають
деколи протилежний або невизначено багатозначний зміст. Так у працях [21, 22,
24, 25, 26] цей процес вважається випадковим в усіх його проявах і пропонуються
залежності для визначення аномальної рефракції з геодезичних вимірів.
Між тим, у працях [92, 97] показана обмеженість використання цих залежностей,
а, часом, і помилковість їх. Ці висновки підтверджуються багаточисельними
експериментами у різноманітних кліматичних умовах [39, 76, 78, 83, 99, 134,
135, 137, 140]. Автори праць [46, 138, 179] показали можливість використання
коливань зображень для дослідження характеру турбулентності.
Автори праць [27, 30, 105, 144] деколи протирічать самі собі, трактуючи природу
процесу коливань зображень візирних цілей у термічно турбулентній атмосфері.
Висловлюючи припущення щодо систематичності та закономірності максимальних
коливань частотою менше 1 Гц, вони, у той же час, не не заперечують випадковоті
їх під час високочастотних коливань.
Останнім часом наші припущення закономірності процесу максимальних коливань
переросли у переконання [65, 98], які теоретично підтверджуються законами
статики атмосфери та плавучості елементарних частинок у її приземному прошарку,
а, також теорією турбулентності атмосфери Моніна-Обухова. Теорія подібності
Моніна-Обухова, зокрема, доводить, що трьом стратифікаціям приземного прошарку
атмосфери, а саме: коли турбулентний потік тепла направлений догори (нестійка
стратифікація), донизу (стійка стратифікація) та, коли (байдужа стратифікація)
відповідають від’ємні, додатні та нормальні (адіабатичні) вертикальні градієнти
температури (див. залежність (1.16)). Флуктуації вертикальних градієнтів
температури є чинниками аномальної рефракції, зокрема, коливань зображень
візирних цілей. Надалі нами виконано ряд досліджень, які довели
систематичність, закономірність процесу максимальних коливань зображень у
термічно турбулентній атмосфері [64, 67, 73, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 83, 85,
97, 99, 130, 132, 133, 171].
2.1. Теоретичні основи природи аномальної вертикальної рефракції
Величину вертикальної рефракції прийнято поділяти на нормальну та аномальну
складові аналогічно до метеорологічного поділу градієнтів температури. Раніше
зауважено, що другий доданок залежності (1.84) являє собою її аномальну
складову. Для максимальних коливань зображень вищезгаданий вираз записується
так
де аналогічно (1.81)
У залежностях (2.1) і (2.2) позначено, що - максимальний кутовий розмах
коливань зображень, що дорівнює подвійній максимальній амплітуді у секундах
дуги; - максимальні коливання (подвійні амплітуди) аномального еквівалентного
та точкового вертикального градієнтів температури відповідно; - відрізки лінії
від візирної цілі до точки інтегрування, що збігаються з серединами нескінченно
малих відрізків , в яких, власне, є максимальні флуктуації точкових аномальних
градієнтів.
2.1.1. Т е о р і я ф і з и ч н о ї с у т н о с т і ф л у к т у а ц і й
а н о м а л ь н и х в е р т и к а л ь н и х г р а д і є н т і в т е м п е р а т
у р и .
Прийоми чисельного інтегрування дають можливість перейти від нескінченно малих
до конечних відрізків. Так, на основі залежності (2.2) можна записати
де добутки є вагами максимальних розмахів коливань точкових градієнтів .
Максимальні коливання регламентує закон плавучості, який, в залежності від часу
осереднення, виконується з такою ж точністю, що й основний закон статики
атмосфери.
Закон плавучості елементарних частинок повітря дає можливість найпростіше і
найточніше описати максимальні флуктуації вертикальних аномальних градієнтів
температури у термічно турбулентній атмосфері. Закон плавучості пояснює причини
флуктуацій вертикальних градієнтів температури у термічно турбулентній
атмосфері, а також дозволяє встановлювати їх межі та.
На частинки повітря одиничного об’єму, як відомо, діють дві сили, що протилежні
за своїми напрямками. Це сила тяжіння, що направлена
вертикально донизу, і яка дорівнює
де - густина частинки; – прискорення сили тяжіння.
На відміну від неї виштовхувальна сила Архімеда направлена догори і дорівнює
де - густина середовища, що оточує частинку.
Рівнодійна цих двох сил є сила плавучості. Виходячи з головного закону статики
атмосфери, враховуючи (2.4) і (2.5) для сили плавучості в залежності від висоти
, можна записати
У результаті дії сили плавучості частинки повітря отримають прискорення [54]
де – абсолютна температура частинки повітря; – абсолютна температура
середовища, що оточує частинку.
Взагалі, термодинамічний процес називають адіабатичним, якщо він відбувається
без обміну тепла між частинкою повітря, що рухається, з середовищем, що її
оточує. Під час підйому частинки, за умовою дії законів адіабатичного процесу,
її температура завжди знижується (). Це є результатом того, що внутрішня
енергія частинки повністю витрачається на роботу, пов’язану з її розширенням.
Під час опускання частинки, за умовою дії тих же законів адіабатичного процесу,
температура її підвищується. Підвищення температури є результат
- Київ+380960830922