Задача без названия
p_0a38d47ab328fe97
1 На фотографии, сделанной с искусственного спутника Земли (3 стр. обложки), вы видите полную Луну над краем Земли, помеченным красной линией. Оцените, на какой высоте над поверхностью Земли находится искусственной спутник в момент съемки. Принять величину атмосферной рефракции на поверхности Земли у горизонта равной 35′. Считать, что на всех высотах атмосфера имеет одинаковый химический состав и температуру 0°С. Поглощение и рассеяние света в атмосфере, а также эффекты облачности не учитывать.
Решение
Показать решение
■ Изображение Луны на фотографии искажено эффектом преломления света в атмосфере Земли. Этот эффект мы можем наблюдать и на Земле, особенно хорошо он заметен на восходе и заходе Солнца и Луны. Но картина, наблюдающаяся на данной фотографии, отличается от земных восходов и заходов Луны.
Мы видим, что верхняя половина лунного диска не искажена рефракцией — ее излучение прошло над плотными слоями атмосферы. В то же время нижний край Луны заметно приподнят над краем (лимбом) Земли.
Сравнив вид Луны с неискаженным кругом, мы можем определить величину углового смещения нижнего края Луны. По фотографии оно составляет около 1/9 от углового диаметра Луны, то есть 3.5'. Для дальнейшего удобства обозначим эту величину 2r. Это есть угол преломления луча от нижнего края Луны в атмосфере Земли. Нам необходимо вычислить, на какой наименьшей высоте (высоте перигея) в атмосфере прошел этот луч.
Если бы излучение прошло по касательной к поверхности Земли (например, в точке G на рисунке справа) и дальше вышло за пределы атмосферы, то угол его преломления составил бы или 70' ( – величина приземной рефракции у горизонта). Множитель 2 появляется вследствие того, что луч не только входит в атмосферу, но и выходит из нее.
Предположим, что луч прошел точку перигея на высоте h над поверхностью Земли. По условию задачи, атмосфера имеет постоянный химический состав и температуру T (273 K). Тогда концентрация молекул изменяется с высотой по закону Больцмана:
Здесь — молярная масса атмосферного воздуха, g — ускорение свободного падения, — универсальная газовая постоянная. Величина (называемая высотой однородного столба атмосферы) равна 8.0 км. Концентрация частиц на нулевом уровне обозначена как . Если подняться на высоту h и принять данный слой атмосферы за нулевой уровень, то для вышележащих слоев будет выполняться та же формула, только с другой константой , умноженной на . Распространение
луча с высотой перигея h аналогично распространению луча, касающегося поверхности Земли при плотности атмосферы, умноженной на фактор . Преломляющие свойства в атмосфере пропорциональны концентрации частиц. В итоге, угол поворота данного луча после выхода из атмосферы составит
Отсюда мы получаем высоту перигея луча, идущего от нижнего края Луны к искусственному спутнику Земли:
Учитывая определение величины r как половины угла преломления луча от нижнего края Луны, получаем значение высоты точки P: 24 км.
Изобразим геометрию распространения лучей от Луны и Земли к спутнику на рисунке. Пусть спутник располагается в точке . Свет от краев Луны и Земли приходит в эту точку по полупрямым и . Угловое расстояние между лимбом Земли и искаженным краем диска Луны (угол между полупрямыми) обозначим как . Его также можно определить по фотографии, оно составляет 8.5'.
Как видно из рисунка, найденная выше высота точки есть сумма величин и . Для первой из этих величин, видимой со спутника высоты точки или длины отрезка , справедливо соотношение
где L — расстояние от спутника до лимба Земли. В этой формуле учтена малость угла и угла преломления лучей. Второе слагаемое — высота точки , , появляется вследствие того, что изображение лимба Земли также искажено атмосферной рефракцией — фактически мы видим на лимбе точку . Покажем, что величина мала и фактически не влияет на ответ задания. Соединим центр Земли (точку ) прямыми линиями с точками перигея двух лучей ( и , сплошные линии), а также проведем из точки перпендикуляры на полупрямые и (пунктирные линии). Эти перпендикуляры пересекаются с полупрямыми в точках и . По свойству углов со взаимно-перпендикулярными сторонами угол равен . Так как лучи симметричны относительно прямых и , то углы и равны половинам соответствующих углов преломления, то есть равны r и . Из этого следует соотношение углов:
Траектория луча от точки до точки – изогнутая линия, что несколько уменьшает высоту . Для того, чтобы оценить величину сверху, представим, что траектория луча — прямая линия. Тогда треугольник — прямоугольный, в котором нам известен угол . Верхний предел на высоту точки равен:
или примерно 0.5 км. Здесь R — радиус Земли, а угол берется в радианной мере. Мы видим, что высота существенно меньше высоты h, и далее мы можем пользоваться простым соотношением:
Из этого мы получаем значение L:
и далее, значение высоты спутника над поверхностью Земли: