Sigtbarhed

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Tåge med omkring 60 m sigtbarhed

Synlighed eller synlighed i snævrere forstand er den maksimale vandrette afstand, der bare knap tillader, at et mørkt objekt tæt på jorden ses på en lys baggrund. Det er også kendt som den meteorologiske synlighed . Det er i det væsentlige begrænset af spredning i atmosfæren.

Derimod er der andre synlighedsområder:

  • Geometrisk synlighed er begrænset af jordens krumning og bestemmes af observatørens og målets højdepositioner.
    • Under hensyntagen til den atmosfæriske brydning resulterer dette i den optiske eller geodetiske sigtbarhed.
    • Under hensyntagen til diffraktion resulterer det i større områder inden for radioområdet.
    • Under hensyntagen til yderligere geografiske forhindringer giver det geografiske syn.
  • Synets rækkevidde om natten ( rækkevidde , nattesyn, ildvisning ), hvor en observatør bare næsten ikke kan opfatte en lyskilde, er også begrænset meteorologisk. Lyskildens lysstyrke og i stedet for spredningen spiller absorptionen i atmosfæren også en rolle her.

Meteorologisk synlighed

venstre: synlighed i klart vejr; til højre: sigt reduceret med tåge
Fald i kontrast i forhold til himlen med stigende afstand til bjergene

Følgende effekter begrænser atmosfærens synlighed:

Rayleigh spredning
Spredning af lys på luftens molekyler. Denne effekt begrænser den maksimalt mulige sigtbarhed ved havniveau til omkring 300 km.
Mie scatter
Lysspredning på partikler med størrelser i området fra 0,1 µm (fineste Straub, kondenskerner) til et par millimeter (regn, sne).

Spredning af lys i atmosfæren reducerer den optiske kontrast af et objekt i forhold til dets omgivelser. Dette fænomen kaldes lysspredning. Kontrasten stiger eksponentielt med afstanden og absorptionskoefficienten væk:

, det følger:

Forudsat at den indledende kontrast er (optimalt tilfælde), og at en minimumskontrast på (≙ 2%) er påkrævet, der er mellem visuelt område og absorptionskoefficient følgende forhold:

Sigtbarhed afhænger af vejret
Vejrforholdene Sigtbarhed
(km)
Objekt-
minimum
Højde [1]
usædvanligt klar 280,00 5000 m
meget tydeligt 0 50,00 0 125 m
klar 0 20,00 00 15 m
lidt diset 0 10.00 000 1,25 m
diset 00 4 , 00 000 0 m
kraftig dis, let tåge 00 2 , 00
moderat tåge 00 1 , 00
tyk tåge, kraftig regn 00 0,1 0
ekstrem tåge, snevejr 00 0,01

Ved hjælp af denne tilnærmelse svarer en sigtbarhed på 40 km til en absorptionskoefficient på 4 / 40.000 m = 10 −4 m −1 . Under fremragende forhold ( føn vejrforhold ) kan der opnås fjerne udsigter over 200 til 250 km [2] i Centraleuropa og op til 300 km [3] i Himalaya.

I eksempelbilledet falder kontrasten mellem bjergene og himlen med stigende afstand. Bjergkæden i det rigtige billede kan ikke længere ses i tåge.

Den meteorologiske synlighed øges med bølgelængden, da både Rayleigh -spredning fra luftens molekyler og spredning fra små vanddråber falder. Derfor øges synligheden mod længere bølgelængder (blå → rød → NIR → MIR). Observationer med et rødt filter og med en infrarød film eller kamera øger det effektive synsinterval, især spredningen af ​​meget små partikler mindre end lysbølgelængden reduceres. Desuden er lysspredningen ikke isotrop; H. udsigten mod solen er betydeligt mindre end ved solstråling.

Geodetisk synlighed

Sigtbarhed mellem et forhøjet punkt og et niveau

Forhøjet punkt h og plan
Den højre trekant, hvis ben s skal beregnes

Jordens krumning begrænser det maksimalt mulige synsinterval. Synsområdet fra et forhøjet observationspunkt (f.eks. Bygning, tårn, bjergtoppe eller endda fra rumskibe som ISS) ned til et fly eller til havets overflade kan beregnes ved hjælp af Pythagoras sætning , siden sigtelinjen og jordradius er katetus i en retvinklet trekant og afstanden mellem det forhøjede punkt og midten af ​​jorden dens hypotenuse :

(1)
(2)

Ifølge den første binomiske formel resulterer dette i:

(3)

For terrestrisk observatør er det , for at i modsætning ubetydelig. Derfor kan formlen forenkles til:

(4)

Følgende skræddersyede størrelsesligninger (5a), (5b) og (5c) til praktisk brug resulterer i enheden uden synlighed i kilometer , med den enhedsløse højde skal bruges i meter . For en jordradius på 6370 km får du:

(5a)

Denne beregning tager imidlertid ikke hensyn til atmosfærens brydning . Dette bøjer lysstrålerne mod jorden, hvilket reducerer den effektive krumning af jordoverfladen og får jorden til at se større ud. Jordens tilsyneladende radius i det optiske område er med 7700 km omkring 20% ​​større [4] , er det optiske synsområde derfor omkring 10% større end det geometriske synsområde:

(5b)

Effekten øger imidlertid ikke kun synsvidden, men resulterer også i en optisk komprimering af objekter i horisonten ud over perspektivet. En rund ballon nær horisonten bliver oval.

I en meget lav højde over jorden bestemmes luftbruddet i det væsentlige af temperaturgradienten, som er afhængig af vejret og tidspunktet på dagen.
Den nøjagtige størrelse af denne effekt afhænger af densitetsgradienten, dvs. af lufttryk, temperatur og atmosfærens lodrette temperaturgradient og beregnes mere præcist som følger:
med for en jordisk atmosfære
med som temperatur i K , som tryk i Pa og temperaturgradienten i K / m.
For de typiske værdier ved havets overflade på 288,15 K (15 ° C), 101325 Pa og −0,006 K / m får vi:
og .
Denne beregning gælder dog ikke for lag tæt på jorden, da temperaturgradienten kan være meget større for disse. Kun i et par hundrede meters højde gør en gradient på −0,006 ... −0,007 K / m a. Desuden reduceres effekten i højere lag af atmosfæren, hvilket skal tages i betragtning, når man ser på bjerge i høje bjerge eller når man opholder sig i høje bjerge, da dele eller hele strålebanen er placeret i tyndere lag af atmosfæren. Faktoren 3,9 reduceres til omkring 3,8 på niveau med Mont Blanc og til 3,7 i passagerflys højde.

I området med radiobølger er jordens tilsyneladende radius omtrent den samme som i det optiske område [5] [6] [7]

Direkte synlighed spiller imidlertid en mindre rolle i radiobølgeområdet, men snarere signaldæmpning. Derfor skal diffraktionen tages i betragtning. Forudsat at den første Fresnel -zone ikke må dækkes fuldstændigt, så dæmpningen holdes inden for grænser, opnår man som en tilnærmelse ( hver i km , i m ):

(5c)
To hævede punkter h 1 og h 2
De to rigtige trekanter, hvis sum skal beregnes ud fra siderne s 1 og s 2

Ligningen gælder for spredning af jordbølger (ikke for himmelbølger med refleksioner fra ionosfæren , hvilket giver yderligere rækkevidde). Til en langbølgesender med 3868 m får du en rækkevidde på næsten 680 km.

Synlighed mellem to hævede punkter på tværs af et niveau

Hvis øjnene og objektet er hævet over referenceplanet, som allerede er givet ved højden af øjnene på den person, der står i flyet, tilføjes afstandene mellem de to fra det punkt, hvor tangenten, der forbinder dem, berører overfladen af jorden:

(6a)

eller igen uden en enhed:

. (6b)
Tips
  • For at opnå synlighed er det nødvendigt, at alt terræn mellem punkterne er under sigtelinjen; i forhold til den ellipsoide højde er dette en parabel med spidsen på det laveste punkt, dvs. H. skæringspunktet mellem de to ben R og s , s 1 og s 2 .
  • Meteorologisk synlighed og lysforhold / solens position tages ikke i betragtning.

Eksempler

Skib i horisonten: skroget er skjult af jordens krumning.

Det rigtige billede blev taget i en synshøjde på m. En del af skibet i horisonten er tilsløret på grund af jordens krumning. Alene heraf følger, at skibet skal være mindst 5,6 km væk. Hvis 5/10/15 meter af skibets skrog ikke er synlige, så er skibet yderligere 9/12/15 km væk. (Værdierne er taget fra følgende tabel.)

Tabellen viser nogle værdier for det maksimale optiske synsinterval under hensyntagen til atmosfærisk brydning ifølge formel (6b). Dette viser betydningen af ​​højden af ​​skibets udkig : Fra en 15 m høj mast kan observatøren se et skib i fuld størrelse i en afstand af 15 km. Omvendt fra en højde på 0 m ser uret kun det andet skibs udkig i horisonten.

Optisk synlighed s til visning højder h
atmosfærisk brydning taget i betragtning
for h ≥ 1000 m, bliver atmosfæren tyndere
Udsigt-
højde
Udsigt-
vidde
Udsigt-
højde
Udsigt-
vidde
Udsigt-
højde
Udsigt-
vidde
Udsigt-
højde
Udsigt-
vidde
0 1 m 0 3,9 km 0 10 m 0 12 km 100 m 0 39 km 1000 m 123 km
0 1,5 m 0 4,8 km 0 15 m 0 15 km 150 m 0 48 km 1500 m 150 km
0 2 m 0 5,6 km 0 20 m 0 18 km 200 m 0 56 km 2000 m 173 km
0 3 m 0 6,8 km 0 30 m 0 22 km 300 m 0 68 km 3000 m 210 km
0 4 m 0 7,9 km 0 40 m 0 25 km 400 m 0 79 km 4000 m 241 km
0 5 m 0 8,8 km 0 50 m 0 28 km 500 m 0 88 km 5000 m 269 ​​km
0 6 m 0 9,6 km 0 60 m 0 30 km 600 m 0 96 km 6000 m 293 km
0 7 m 10,4 km 0 70 m 0 33 km 700 m 104 km 7000 m 315 km
0 8 m 11,1 km 0 80 m 0 35 km 800 m 111 km 8000 m 335 km
0 9 m 11,8 km 0 90 m 0 37 km 900 m 118 km 9000 m 354 km

Udsigt fra store højder

Skitse til bestemmelse af vinkelsynlighedsområdet β på jorden

Når man ser fra store højder ( rekognoseringsfly , vejrballoner , satellitter , udsigt fra månen ), opstår der yderligere aspekter:

  • Atmosfæriske effekter reduceres, fordi atmosfæren ses mere stejlt.
  • Tilnærmelse af ligning (4) er ikke længere tilladt for større højder.
  • Der kan kræves en minimumsvinkel α , ved hvilken objekter på jorden kan ses.
  • Sigtbarhedsområdet kan angives i sømil i stedet for kilometer, som en vinkel β i grader af bue eller radianer, eller som et areal eller en procentdel af jordens overflade.

Denne gang laver vi beregningen ved hjælp af sinusloven :

, det følger: . (7)

To sider x 1 = R og x 2 = R + h samt vinklen ω 2 = 90 ° + α modsat den større side x 2 kendes .

Den ønskede vinkel β α opnås ved hjælp af den indre vinkelsætning:

, (8.)
(9)

For en højde på α = 0 °, hvis overfladen skulle kunne genkendes i kanten, (9) forenkles til:

. (10)

Fra β (kan være β 0 eller β α ) kan synligheden være kan beregnes i kilometer eller sømil ( β i radianer, radius i den ønskede enhed):

(11)

eller den synlige overflade af jorden ved at beregne det sfæriske segment :

(12)

eller jordens arealdel ved at dividere med den samlede sfæriske overflade 4π R 2 :

. (13)
Eksempler
  • Fra en højde på h = 10 km ser en pilot et område på jorden på 2 β 0 = 2 · 3,2 ° = 6,4 °, svarende til en cirkel med en diameter på 713 km. Han skimter kun kantområdet. Med en minimum højdevinkel på α = 10 ° reduceres vinkelområdet til 2 β α = 2 · 0,5 ° = 1,0 °, svarende til en cirkel med en diameter på 111 km.
  • En geostationær satellit i en højde af h = 35.800 km dækker en maksimal rækkevidde på 2 β 0 = 2 81,3 ° = 162,6 °.
Sigtbarhed for højdevinkel α = 0 °
Flyvende objekt Højde Sigtningsradius Synlighed diameter Synligt område
Passagerfly 10 km 3,2 ° 357 km 193 NM 6,4 ° 713 km 385 NM 0,400 millioner km² 0,117 millioner NM² 0,08%
Lockheed SR-71 fly 25 km 5,1 ° 563 km 304 NM 10,1 ° 1127 km 608 NM 0,997 millioner km² 0,291 millioner NM² 0,20%
International rum Station 400 km 19,8 ° 2201 km 1188 NM 39,6 ° 4401 km 2377 NM 15.064 millioner km² 4,392 millioner NM² 2,95%
Iridium -satellitter 780 km 27,0 ° 3003 km 1622 NM 54,0 ° 6006 km 3243 NM 27,813 millioner km² 8,109 millioner NM² 5,45%
Globalstar -satellit 1400 km 34,9 ° 3884 km 2097 NM 69,9 ° 7768 km 4194 NM 45.937 millioner km² 13.393 millioner NM² 9,01%
GPS -satellitter 20.250 km 76,2 ° 8467 km 4572 NM 152,3 ° 16.933 km 9143 NM 193.944 millioner km² 56,545 millioner NM² 38,04%
Geostationære satellitter 35800 km 81,3 ° 9040 km 4881 NM 162,6 ° 18080 km 9762 NM 216.440 millioner km² 63,104 millioner NM² 42,45%
Månens overflade 376 330 km 89,0 ° 9900 km 5346 NM 178,1 ° 19800 km 10691 NM 250.709 millioner km² 73,095 millioner NM² 49,17%
Lagrange punkt L2 1,5 millioner km 89,8 ° 9979 km 5388 NM 179,5 ° 19958 km 10776 NM 253.874 millioner km² 74,018 millioner NM² 49,79%
Bleg blå prik langt væk 90,0 ° 10006 km 5403 NM 180,0 ° 20012 km 10806 NM 254,952 millioner km² 74.332 millioner NM² 50,00%
Sigtbarhed for højdevinkel α = 10 °
Flyvende objekt Højde Sigtningsradius Synlighed diameter Synligt område
Passagerfly 10 km 0,5 ° 55 km 30 NM 1,0 ° 111 km 60 NM 0,010 millioner km² 0,003 millioner NM² 0,00%
Lockheed SR-71 fly 25 km 1,2 ° 133 km 72 NM 2,4 ° 267 km 144 NM 0,056 millioner km² 0,016 millioner NM² 0,01%
International rum Station 400 km 12,1 ° 1344 km 726 NM 24,2 ° 2687 km 1451 NM 5.651 millioner km² 1.648 millioner NM² 1,11%
Iridium -satellitter 780 km 18,7 ° 2076 km 1121 NM 37,4 ° 4152 km 2242 NM 13.420 millioner km² 3,913 millioner NM² 2,63%
Globalstar -satellitter 1400 km 26,2 ° 2908 km 1570 NM 52,3 ° 5817 km 3141 NM 26,117 millioner km² 7,615 millioner NM² 5,12%
GPS -satellitter 20.250 km 66,4 ° 7379 km 3984 NM 132,7 ° 14758 km 7968 NM 152,758 millioner km² 44,537 millioner NM² 29,96%
Geostationære satellitter 35800 km 71,4 ° 7943 km 4289 NM 142,9 ° 15886 km 8578 NM 173,822 millioner km² 50.678 millioner NM² 34,09%
Månens overflade 376 330 km 79,1 ° 8790 km 4746 NM 158,1 ° 17.580 km 9492 NM 206,570 millioner km² 60.226 millioner NM² 40,51%
Lagrange punkt L2 1,5 millioner km 79,8 ° 8868 km 4788 NM 159,5 ° 17735 km 9576 NM 209.635 millioner km² 61.120 millioner NM² 41,11%
Bleg blå prik langt væk 80,0 ° 0 8894 km 4802 NM 160,0 ° 17.788 km 0 9605 NM 210.680 millioner km² 61,424 millioner NM² 41,32%

Korrektion ved brydning i atmosfæren

For observatører uden for atmosfæren og for objekter ved havets overflade kan brydningen i atmosfæren bedst tages i betragtning ved korrigerede værdier af α . Korrektionen svarer til den astronomiske brydning af lagene tæt på jorden, kun med den modsatte strålebane.

Formlen [8] brugt af United States Naval Observatory er:

,

hvori horisontafstanden i grader og er cotangenten med argumentet i grader. Værdien angiver korrektionen i vinkelminutter.

α α korr α α korr α α korr
0 0 ° −0,57 ° 0 2 ° 1,70 ° 10 ° 0 9,91 °
0 0,5 ° + 0,02 ° 0 3 ° 2,76 ° 15 ° 14,94 °
0 1 ° + 0,59 ° 0 5 ° 4,84 ° 20 ° 19,95 °

Geografisk synlighed

Den geografiske synlighed afhænger af observationsstedets højde og topologien i dets nære og fjerne omgivelser. Desuden kan bygninger og vegetation og dermed årstiden også spille en væsentlig rolle.

Synlighed under vand

I det synlige lysområde har rent havvand en udryddelseslængde 1 / σ på omkring 1,7 m (λ = 700 nm, langbølgerød) til omkring 100 m (λ = 450 nm, blå). Ved dykning i naturligt vand anses en sigtbarhed på 40 m for at være ekstremt god. Udsigten kan være uklar af suspenderede partikler ( plankton , pollen, ørkensand), af alluviale partikler i strømme (flodmunding) eller af spildevand og udledning af kemiske stoffer.

Synlighed på andre himmellegemer med en fast overflade

Ingen eller tynd atmosfære

På himmellegemer uden eller meget tynd atmosfære gælder de samme formler med en tilpasset radius som på jorden, forudsat at himmellegemet er tilnærmelsesvis sfærisk.

legeme radius Sigtbarhed Bemærkninger
Ceres 0 480 km
måne 1737 km
Kviksølv 2440 km
Mars 3390 km Tynd atmosfære kan negligeres.
Støvstorme kan reducere meteorologisk synlighed til mindre end 1 km.

Tæt atmosfære

Hvis jordens atmosfære var næsten seks gange tættere end den er i dag, ville det optiske synsinterval ikke kun være 10% større, men man kunne se meget længere, da lys ville forplante sig parallelt med jordens overflade. At i formlen ville gå imod 1 ved dette tryk:

Hvad lader gå mod uendelighed.

Himmelskroppe med en endnu tættere atmosfære bryder lyset endnu stærkere mod himmellegemet, så bølgelederstrukturer dannes og horisonten hæves så langt, at den opfattede overflade bliver konkav. Denne effekt forekommer i Venus 'tætte atmosfære. Der er dog også et maksimalt visuelt område og en horisont, fra en grænsehøjde forlader sigtelinjen Venus. Se Venera 13 .

Se også

Weblinks

Wiktionary: Synlighed - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. Under hensyntagen til den atmosfæriske brydning og den tyndere atmosfære kan en stående observatør (fra øjenhøjde) fra en afstand på mere end 5 km kun opfatte objekter, der er mindst ... meter høje. Se formel 6b herunder. Værdierne er taget fra nedenstående tabel.
  2. Fremragende sigtbarhed takket være Alpenföhn. På: wetter-eggerszell.de ; sidst tilgået den 27. december 2020.
  3. Jalandhar -beboerne blev forbløffet, da de får udsigt over Himalaya -området. (Se Himalaya fra Jalandar) On: deccanchronicle.com 6. april 2020 (sidste opdatering); sidst tilgået den 27. december 2020.
  4. Christian Hirt, Sébastien Guillaume, Annemarie Wisbar, Beat Bürki, Harald Sternberg: Overvågning af koefficienten brydning i den nedre atmosfære ved anvendelse af en kontrolleret opsætning af samtidige gensidige vertikale målinger vinkel. I: Journal of Geophysical Research . tape   116 , nr. D21, 2. november 2010, doi : 10.1029 / 2010JD014067 .
  5. tør standardatmosfære :
    • (beregnet ud fra målinger fra Dielektrisk tilladelse for otte gasser målt med krydskondensatorer. for 15 ° C, 101325 Pa, 78% N 2 , 21% O 2 , 1% Ar), ( Magnetisk permeabilitet ),
      .
    • (Kilde: refractiveindex.info : brydningsindeks fra Sellmeier -ligningen ),
    • .
  6. JS28 Integration af teknikker og korrektioner for at opnå præcis teknik - Jean M. Rüger: Formler for brydningsindeks for radiobølger. På: fig.net fra 19. - 26. April 2002; sidst tilgået den 27. december 2020.
  7. ↑ Bølgeudbredelse . På: ivvgeo.uni-muenster.de ; sidst tilgået den 27. december 2020.
  8. ^ GG Bennett: Beregningen af ​​astronomisk brydning i marinefart . I: Journal of Navigation . Bind 35, nr. 2, 1982, s. 255-259. bibcode : 1982JNav ... 35..255B . doi : 10.1017 / S0373463300022037 .