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atmosphärische Brechung. Wissenschaftliches Kinderlabor

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atmosphärische Brechung bezeichnet die Abweichung von Lichtstrahlen von einer geraden Linie, wenn sie die Atmosphäre durchqueren, aufgrund von Änderungen der Luftdichte mit der Höhe. Die Brechung der Atmosphäre in der Nähe der Erdoberfläche erzeugt Fata Morgana und kann dazu führen, dass entfernte Objekte flackern, zittern oder über oder unter ihrer wahren Position erscheinen. Darüber hinaus kann die Form von Objekten verzerrt sein – sie können abgeflacht oder gestreckt erscheinen. Begriff "Brechung" Gleiches gilt für die Schallbrechung.

atmosphärische Brechung ist der Grund dafür, dass astronomische Objekte etwas höher über den Horizont ragen, als sie tatsächlich sind. Die Brechung betrifft nicht nur Lichtstrahlen, sondern die gesamte elektromagnetische Strahlung, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß. Beispielsweise ist Blau im sichtbaren Licht anfälliger für Brechungen als Rot. Dies kann dazu führen, dass in hochauflösenden Bildern astronomische Objekte in einem Spektrum erscheinen.

Wann immer es möglich ist, planen Astronomen ihre Beobachtungen dann, wenn der Himmelskörper den oberen Kulminationspunkt passiert, wenn er am höchsten über dem Horizont steht. Außerdem werden Seeleute bei der Bestimmung der Koordinaten des Schiffes niemals eine Leuchte verwenden, deren Höhe weniger als 20° über dem Horizont liegt. Lässt sich die Beobachtung eines Sterns in Horizontnähe nicht vermeiden, kann das Teleskop mit Steuersystemen ausgestattet werden, um die durch die Lichtbrechung in der Atmosphäre verursachte Verschiebung auszugleichen. Wenn auch die Dispersion ein Problem darstellt (bei Verwendung einer Breitbandkamera für hochauflösende Beobachtungen), kann die Korrektur der atmosphärischen Brechung verwendet werden (unter Verwendung eines Paares rotierender Glasprismen). Da der Grad der atmosphärischen Brechung jedoch von der Temperatur und dem Druck sowie der Luftfeuchtigkeit (der Menge an Wasserdampf, die besonders wichtig bei Beobachtungen im mittleren Infrarotbereich des Spektrums ist) abhängt, ist der Aufwand für eine erfolgreiche Kompensation erforderlich kann unerschwinglich sein.

atmosphärische Brechung stört die Beobachtungen am meisten, wenn es nicht homogen ist, beispielsweise wenn es Turbulenzen in der Luft gibt. Dadurch funkeln die Sterne und verzerren die sichtbare Form der Sonne bei Sonnenuntergang und Sonnenaufgang.

Atmosphärische Brechungswerte

atmosphärische Brechung gleich Null im Zenit, weniger als 1' (eine Bogenminute) bei einer scheinbaren Höhe von 45° über dem Horizont und einen Wert von 5,3' bei 10° Höhe erreichen; Die Brechung nimmt mit abnehmender Höhe schnell zu und erreicht 9,9' bei 5° Höhe, 18,4' bei 2° Höhe und 35,4' am Horizont (1976 Allen, 125); Alle Werte wurden bei 10 °C und einem Atmosphärendruck von 101,3 kPa ermittelt.

Am Horizont ist der Betrag der atmosphärischen Brechung etwas größer als der scheinbare Durchmesser der Sonne. Wenn daher die gesamte Sonnenscheibe direkt über dem Horizont sichtbar ist, ist sie nur aufgrund der Lichtbrechung sichtbar, denn wenn es keine Atmosphäre gäbe, wäre kein einziger Teil der Sonnenscheibe sichtbar.

Gemäß der anerkannten Konvention wird der Zeitpunkt von Sonnenaufgang und Sonnenuntergang dem Zeitpunkt zugeschrieben, zu dem der obere Rand der Sonne über dem Horizont erscheint oder verschwindet; Der Standardwert für die wahre Höhe der Sonne beträgt -50'...-34' für die Brechung und -16' für den halben Durchmesser der Sonne (die Höhe eines Himmelskörpers wird normalerweise für die Mitte seiner Scheibe angegeben). Im Fall des Mondes sind zusätzliche Korrekturen erforderlich, um die horizontale Parallaxe des Mondes und seinen scheinbaren halben Durchmesser zu berücksichtigen, der mit der Entfernung des Erde-Mond-Systems variiert.

Tägliche Wetteränderungen beeinflussen die genaue Zeit des Sonnenauf- und -untergangs von Sonne und Mond (siehe Artikel „Brechung am Horizont“). Aus diesem Grund macht es keinen Sinn, die Zeit des scheinbaren Sonnenuntergangs und Sonnenaufgangs mit einer Genauigkeit von mehr als anzugeben eine Bogenminute (dies wird ausführlicher in Astronomical Algorithms, Jean Meeus, 1991, S. 103 beschrieben). Genauere Berechnungen können bei der Bestimmung täglicher Schwankungen der Sonnenauf- und -untergangszeiten mithilfe von Standard-Brechungswerten hilfreich sein, da davon auszugehen ist, dass tatsächliche Änderungen aufgrund unvorhersehbarer Änderungen der Brechung abweichen können.

Aufgrund der Tatsache, dass atmosphärische Brechung Ist am Horizont 34 Fuß und bei 29° über dem Horizont nur 0,5 Bogenminuten entfernt, scheint er bei Sonnenuntergang oder Sonnenaufgang um etwa 5 Fuß abgeflacht zu sein (was etwa 1/6 seines scheinbaren Durchmessers entspricht).

Berechnung der atmosphärischen Brechung

Eine genaue Berechnung der Brechung erfordert eine numerische Integration mit dieser Methode, die in der Arbeit von Auer und Standish beschrieben wird Astronomische Brechung: Berechnung für alle Zenitwinkel, 2000. Bennett (1982) leitete in seinem Artikel „Berechnung der astronomischen Refraktion für Marinenavigationsanwendungen“ eine einfache empirische Formel zur Bestimmung der Brechungsgröße als Funktion der scheinbaren Höhe von Leuchten mithilfe des Algorithmus ab von Garfinkel (1967) als Referenz, If h_a - Dies ist die scheinbare Höhe des Leuchtkörpers in Grad, dann die Brechung R in Bogenminuten wird gleich sein

Die Genauigkeit der Formel beträgt bis zu 0,07 Fuß für Höhen von 0° bis -90° (Meeus 1991, 102). Smardson (1986) entwickelte eine Formel zur Bestimmung der Brechung relativ zur wahren Höhe der Sterne; Wenn h ist die wahre Höhe des Sterns in Grad, dann die Brechung R in Bogenminuten ist

Die Formel stimmt bis auf 0.1' mit der Bennett-Formel überein. Beide Formeln gelten bei einem Atmosphärendruck von 101,0 kPa und einer Temperatur von 10 °C; für unterschiedliche Drücke Р und Temperatur Т Das Ergebnis der nach diesen Formeln durchgeführten Brechungsberechnung sollte mit multipliziert werden

(nach Meeus, 1991, 103). Die Brechung nimmt bei jedem Druckanstieg um 1 kPa um etwa 0,9 % zu und bei jedem Druckabfall um 1 kPa um etwa 0,9 % ab. Ebenso nimmt die Brechung bei jedem Temperaturabfall um 1 °C um etwa 3 % zu und bei jedem Temperaturanstieg um 1 °C um etwa 3 % ab.

Darstellung der Brechungsgröße über der Höhe (Bennett, 1982)

Zufällige atmosphärische Effekte durch Brechung

Atmosphärische Turbulenzen erhöhen oder verringern die scheinbare Helligkeit von Sternen, wodurch sie innerhalb von Millisekunden heller oder schwächer werden. Die langsamen Anteile dieser Schwingungen sind für uns als Flimmern sichtbar.

Darüber hinaus verursachen Turbulenzen kleine zufällige Bewegungen im sichtbaren Bild des Sterns und führen auch zu schnellen Veränderungen in seiner Struktur. Diese Effekte sind mit bloßem Auge nicht sichtbar, aber selbst mit einem kleinen Teleskop leicht zu erkennen.

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