الانكسار الجوي

الانكسار الجوي هو انحراف الضوء أو الموجات الكهرومغناطيسية الأخرى عن مسارها المستقيم أثناء مرورها عبر الغلاف الجوي، نتيجة لتغير كثافة الهواء تبعًا للارتفاع . ^{[ 1 ]} ويعود هذا الانكسار إلى انخفاض سرعة الضوء في الهواء ( زيادة معامل الانكسار ) مع ازدياد الكثافة. يُنتج الانكسار الجوي بالقرب من سطح الأرض ظاهرة السراب . كما يمكن لهذا الانكسار أن يُظهر صور الأجسام البعيدة مرفوعة أو منخفضة ، أو ممدودة أو قصيرة، دون أن يُسبب السراب. وقد يُؤدي الهواء المضطرب إلى جعل الأجسام البعيدة تبدو متلألئة أو لامعة . وينطبق المصطلح أيضًا على انكسار الصوت . ويُؤخذ الانكسار الجوي في الاعتبار عند قياس مواقع الأجرام السماوية والأرضية.

يتسبب الانكسار الفلكي أو السماوي في ظهور الأجرام السماوية أعلى من ارتفاعها الحقيقي فوق الأفق. أما الانكسار الأرضي، فيتسبب عادةً في ظهور الأجرام الأرضية أعلى من ارتفاعها الحقيقي، إلا أنه في فترة ما بعد الظهر، عندما يسخن الهواء القريب من سطح الأرض، قد تنحني الأشعة إلى أعلى، مما يجعل الأجرام تبدو أدنى من ارتفاعها الحقيقي.

لا يؤثر الانكسار على أشعة الضوء المرئي فحسب، بل على جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية ، وإن بدرجات متفاوتة. فعلى سبيل المثال، في الطيف المرئي ، يتأثر اللون الأزرق أكثر من اللون الأحمر. وقد يتسبب هذا في ظهور الأجرام السماوية متناثرة في طيف الضوء في الصور عالية الدقة.

كلما أمكن، يُرتب علماء الفلك مواعيد رصدهم حول أوقات ذروة الأجرام السماوية، عندما تكون في أعلى نقطة لها في السماء. وبالمثل، لا يُصوّر البحارة نجمًا يقع على ارتفاع أقل من 20 درجة فوق الأفق. إذا تعذر تجنب رصد الأجرام القريبة من الأفق، فمن الممكن تجهيز التلسكوب البصري بأنظمة تحكم لتعويض الانزياح الناتج عن الانكسار. وإذا كان التشتت يُمثل مشكلة أيضًا (في حالة عمليات الرصد عالية الدقة واسعة النطاق)، فيمكن استخدام مُصححات الانكسار الجوي (المصنوعة من أزواج من الموشورات الزجاجية الدوارة ).

بما أن مقدار الانكسار الجوي يعتمد على تدرج درجة الحرارة ، ودرجة الحرارة نفسها ، والضغط ، والرطوبة (كمية بخار الماء ، التي تكتسب أهمية خاصة عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة )، فإن الجهد المطلوب لإجراء تعويض ناجح قد يكون باهظًا. في المقابل، غالبًا ما يُجري المساحون عمليات الرصد في فترة ما بعد الظهر، عندما يكون مقدار الانكسار في أدنى مستوياته.

يزداد انكسار الضوء في الغلاف الجوي حدةً عند وجود تدرجات حرارية قوية، ولا يكون الانكسار منتظمًا عندما يكون الغلاف الجوي غير متجانس، كما هو الحال عند حدوث اضطراب في الهواء. وهذا يُسبب ظروف رؤية غير مثالية ، مثل وميض النجوم وتشوهات مختلفة في الشكل الظاهري للشمس قبيل غروب الشمس أو بعد شروقها بقليل .

يتناول الانكسار الفلكي الموقع الزاوي للأجرام السماوية، ومظهرها كمصدر نقطي، ومن خلال الانكسار التفاضلي، شكل الأجرام الممتدة مثل الشمس والقمر. ^{[ 3 ]}

يكون الانكسار الجوي للضوء القادم من نجم ما صفراً في سمت الرأس ، وأقل من دقيقة قوسية واحدة عند ارتفاع ظاهري 45 درجة ، ولا يزال 5.3 دقيقة قوسية فقط عند ارتفاع 10 درجات؛ ويزداد بسرعة مع انخفاض الارتفاع، ليصل إلى 9.9 دقيقة قوسية عند ارتفاع 5 درجات، و18.4 دقيقة قوسية عند ارتفاع درجتين، و35.4 دقيقة قوسية عند الأفق ؛ جميع القيم عند 10 درجات مئوية و1013.25 هكتوباسكال في الجزء المرئي من الطيف.

عند الأفق، يكون الانكسار أكبر قليلاً من القطر الظاهري للشمس، لذا عندما يبدو الجزء السفلي من قرص الشمس وكأنه يلامس الأفق، يكون ارتفاع الشمس الحقيقي سالبًا. لو اختفى الغلاف الجوي فجأة في هذه اللحظة، لما أمكن رؤية الشمس، لأنها ستكون تحت الأفق تمامًا. اصطلاحًا، يُشير شروق الشمس وغروبها إلى الوقت الذي يظهر فيه الطرف العلوي للشمس على الأفق أو يختفي عنه ، والقيمة القياسية لارتفاع الشمس الحقيقي هي -50 دقيقة قوسية : -34 دقيقة قوسية للانكسار و -16 دقيقة قوسية لنصف قطر الشمس . يُعطى ارتفاع أي جرم سماوي عادةً من مركز قرصه. في حالة القمر ، يلزم إجراء تصحيحات إضافية لاختلاف المنظر الأفقي للقمر ونصف قطره الظاهري؛ وكلاهما يتغير بتغير المسافة بين الأرض والقمر.

يُعدّ الانكسار بالقرب من الأفق شديد التباين، ويعود ذلك أساسًا إلى تباين تدرج درجة الحرارة قرب سطح الأرض، والحساسية الهندسية للأشعة شبه الأفقية لهذا التباين. ففي وقت مبكر من عام 1830، وجد فريدريك بيسل أنه حتى بعد تطبيق جميع التصحيحات لدرجة الحرارة والضغط (وليس لتدرج درجة الحرارة) عند الراصد، فإن القياسات الدقيقة للانكسار تختلف بمقدار ±0.19 دقيقة قوسية عند درجتين فوق الأفق، وبمقدار ±0.50 دقيقة قوسية عند نصف درجة فوق الأفق. ^{[ 4 ]} عند الأفق وتحته، لوحظت قيم انكسار أعلى بكثير من القيمة الاسمية البالغة 35.4 دقيقة قوسية في نطاق واسع من المناخات. قاس جورج قسطنطين بوريس انكسارًا يصل إلى 4 درجات للنجوم على الأفق في مرصد أثينا ^{[ 5 ]} ، وخلال رحلته المشؤومة على متن سفينة إندورانس ، سجل السير إرنست شاكلتون انكسارًا قدره 2°37 دقيقة قوسية : ^{[ 6 ]}

فاجأتنا الشمس، التي كانت قد ظهرت للمرة الأخيرة قبل سبعة أيام، برفع أكثر من نصف قرصها فوق الأفق في الثامن من مايو. وتحول وهجٌ على الأفق الشمالي إلى الشمس في تمام الساعة الحادية عشرة صباحًا من ذلك اليوم. وبعد ربع ساعة، اختفى هذا الزائر الغريب، ليعود ويشرق مجددًا في الساعة 11:40 صباحًا، ثم يغرب في الساعة الواحدة ظهرًا، ثم يشرق مرة أخرى في الساعة 1:10 ظهرًا، ويغرب ببطء في الساعة 1:20 ظهرًا. وقد نتجت هذه الظواهر الغريبة عن انكسار بلغ 2° 37′ في الساعة 1:20 ظهرًا. وكانت درجة الحرارة 15° تحت الصفر فهرنهايت، وقد حسبنا أن الانكسار كان أعلى من المعدل الطبيعي بمقدار درجتين.

تؤثر التغيرات اليومية في الطقس على أوقات شروق الشمس وغروبها بدقة ^{[ 7 ]،} وكذلك على أوقات شروق القمر وغروبه، ولذلك فإنه من غير المجدي عمومًا تحديد أوقات الشروق والغروب بدقة تتجاوز الدقيقة الأولى. ^{[ 8 ]} يمكن أن تكون الحسابات الأكثر دقة مفيدة لتحديد التغيرات اليومية في أوقات الشروق والغروب التي قد تحدث باستخدام القيمة القياسية للانكسار ^{[ ملاحظة 1 ]} ، إذا ما أُخذ في الاعتبار أن التغيرات الفعلية قد تختلف بسبب التقلبات غير المتوقعة في الانكسار.

لأن الانكسار الجوي يبلغ 34 دقيقة اسميًا على الأفق، ولكنه 29 دقيقة فقط عند 0.5 درجة فوقه، فإن الشمس عند غروبها أو شروقها تبدو مسطحة بحوالي 5 دقائق (حوالي 1/6 من قطرها الظاهري).

حساب الانكسار

ميّز يونغ ^{[ 5 ] [ 10 ]} عدة مناطق يمكن فيها تطبيق طرق مختلفة لحساب الانكسار الفلكي. في الجزء العلوي من السماء، عند مسافة سمتية أقل من 70 درجة (أو ارتفاع يزيد عن 20 درجة)، تكفي معادلات انكسار بسيطة مختلفة تعتمد على معامل الانكسار (وبالتالي على درجة الحرارة والضغط والرطوبة) عند الراصد. بين 20 درجة و5 درجات من الأفق، يصبح تدرج درجة الحرارة هو العامل المهيمن، ويتطلب الأمر التكامل العددي، باستخدام طريقة مثل طريقة أوير وستانديش ^{[ 11 ]} ، مع توظيف تدرج درجة حرارة الغلاف الجوي القياسي والظروف المقاسة عند الراصد. بالقرب من الأفق، يلزم استخدام قياسات فعلية للتغيرات في تدرج درجة الحرارة المحلي مع الارتفاع في التكامل العددي. أسفل الأفق الفلكي، يكون الانكسار متغيراً للغاية بحيث لا يمكن سوى إجراء تقديرات تقريبية للانكسار الفلكي. فعلى سبيل المثال، قد يختلف وقت شروق الشمس أو غروبها المرصود بعدة دقائق من يوم لآخر. وكما يشير التقويم البحري ، "قد تختلف القيم الفعلية للانكسار على ارتفاعات منخفضة، في ظل ظروف جوية قاسية، اختلافًا كبيرًا عن متوسط ​​القيم المستخدمة في الجداول". ^{[ 12 ]}

طُوِّرت العديد من الصيغ المختلفة لحساب الانكسار الفلكي؛ وهي متسقة إلى حد معقول، إذ تختلف فيما بينها ببضع دقائق قوسية عند الأفق، وتزداد اتساقًا كلما اقتربت من سمت الرأس. لم تتضمن الصيغ الأبسط سوى درجة الحرارة والضغط عند الراصد، وقوى ظل تمام الارتفاع الظاهري للجرم السماوي ، وفي الصيغ الأكثر تعقيدًا، ارتفاع غلاف جوي متجانس افتراضي. ^{[ 13 ] [ 14 ]} أبسط صيغة لهذه المعادلة، والتي اعتبرها سمارت دقيقة فقط في حدود 45 درجة من سمت الرأس، هي: ^{[ 15 ] [ 16 ]}

${\displaystyle R=(n_{0}-1)\cot h_{\mathrm {a} }\,,}$

حيث R هو الانكسار بالراديان ، و n ₀ هو معامل الانكسار عند الراصد (والذي يعتمد على درجة الحرارة والضغط والرطوبة)، و h _a هي زاوية الارتفاع الظاهرية للجسم الفلكي.

تم تطوير تقريب بسيط مبكر لهذا الشكل، والذي تضمن بشكل مباشر درجة الحرارة والضغط عند المراقب، بواسطة جورج كومستوك : ^{[ 17 ]}

${\displaystyle R={\frac {21.5b}{273+t}}\cot h_{\mathrm {a} }\,,}$

حيث R هو الانكسار بالثواني القوسية، وb هو الضغط الجوي بملليمترات الزئبق ، و t هي درجة الحرارة بالدرجة المئوية . وقد اعتبر كومستوك أن هذه الصيغة تعطي نتائج ضمن ثانية قوسية واحدة من قيم بيسل للانكسار من 15 درجة فوق الأفق إلى سمت الرأس. ^{[ 17 ]}

يتضمن التوسع الإضافي من حيث القوة الثالثة لظل تمام الارتفاع الظاهري H ₀ ، ارتفاع الغلاف الجوي المتجانس ، بالإضافة إلى الظروف المعتادة عند الراصد: ^{[ 16 ]}

${\displaystyle R=(n_{0}-1)(1-H_{0})\cot h_{\mathrm {a} }-(n_{0}-1)[H_{0}-{\frac {1}{2}}(n_{0}-1)]\cot ^{3}h_{\mathrm {a} }.}$

تُستخدم نسخة من هذه الصيغة في معايير الاتحاد الفلكي الدولي لعلم الفلك الأساسي ؛ وقد أشارت مقارنة خوارزمية الاتحاد الفلكي الدولي مع إجراءات تتبع الأشعة الأكثر دقة إلى وجود توافق في حدود 60 ملي ثانية قوسية على ارتفاعات تزيد عن 15 درجة. ^{[ 18 ]}

قام بينيت ^{[ 19 ]} بتطوير صيغة تجريبية بسيطة أخرى لحساب الانكسار من الارتفاع الظاهري والتي تعطي الانكسار R بالدقائق القوسية:

${\displaystyle R=\cot \left(h_{\mathrm {a} }+{\frac {7.31}{h_{\mathrm {a} }+4.4}}\right)\,.}$

تُستخدم هذه الصيغة في برنامج قياسات المتجهات الفلكية التابع للمرصد البحري الأمريكي ^{[ 20 ]} ، ويُذكر أنها تتوافق مع خوارزمية غارفينكل ^{[ 21 ]} الأكثر تعقيدًا في حدود 0.07 دقيقة قوسية على امتداد النطاق الكامل من سمت الرأس إلى الأفق. ^{[ 8 ] [ 19 ]} وقد طوّر سايموندسون ^{[ 22 ]} صيغة عكسية لتحديد الانكسار من الارتفاع الحقيقي ؛ فإذا كان h هو الارتفاع الحقيقي بالدرجات، فإن الانكسار R بالدقائق القوسية يُعطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle R=1.02\cot \left(h+{\frac {10.3}{h+5.11}}\right)\,;}$

تتطابق الصيغة مع صيغة بينيت في حدود 0.1 دقيقة قوسية. تفترض صيغتا بينيت وسيموندسون ضغطًا جويًا قدره 101.0  كيلو باسكال ودرجة حرارة 10  درجات مئوية؛ ولضغوط مختلفة (P) ودرجات حرارة مختلفة (T) ، يُضرب الانكسار المحسوب من هاتين الصيغتين في ^{[ 8 ].}

${\displaystyle {\frac {P}{101}}\,{\frac {283}{273+T}}}$

يزداد الانكسار بنسبة 1% تقريبًا لكل  زيادة قدرها 0.9 كيلو باسكال في الضغط، وينخفض ​​بنسبة 1% تقريبًا لكل  انخفاض قدره 0.9 كيلو باسكال في الضغط. وبالمثل، يزداد الانكسار بنسبة 1% تقريبًا لكل  انخفاض قدره 3 درجات مئوية في درجة الحرارة، وينخفض ​​بنسبة 1% تقريبًا لكل  زيادة قدرها 3 درجات مئوية في درجة الحرارة.

تأثيرات الانكسار العشوائي

يؤدي اضطراب الغلاف الجوي للأرض إلى تشتيت ضوء النجوم، مما يجعلها تبدو أكثر سطوعًا وأقل سطوعًا على نطاق زمني بالمللي ثانية . وتظهر أبطأ مكونات هذه التقلبات على شكل وميض (يسمى أيضًا التلألؤ ).

تُسبب الاضطرابات الجوية أيضًا حركات صغيرة متقطعة لصورة النجم، وتُحدث تشوهات سريعة في بنيتها. هذه التأثيرات غير مرئية بالعين المجردة ، ولكن يمكن رؤيتها بسهولة حتى في التلسكوبات الصغيرة. وهي تُؤثر سلبًا على ظروف الرؤية الفلكية . تستخدم بعض التلسكوبات أنظمة بصرية تكيفية للحد من هذا التأثير.

يُعنى الانكسار الأرضي ، الذي يُسمى أحيانًا الانكسار الجيوديسي ، بالموقع الزاوي الظاهري والمسافة المقاسة للأجرام الأرضية. وهو ذو أهمية خاصة لإنتاج خرائط ومسح دقيقين . ^{[ 23 ] [ 24 ]} ولأن خط الرؤية في الانكسار الأرضي يمر بالقرب من سطح الأرض، فإن مقدار الانكسار يعتمد بشكل أساسي على تدرج درجة الحرارة بالقرب من سطح الأرض، والذي يختلف اختلافًا كبيرًا باختلاف أوقات اليوم، وفصول السنة، وطبيعة التضاريس، وحالة الطقس، وعوامل أخرى. ^{[ 25 ]}

كتقريب شائع، يُعتبر الانكسار الأرضي انحناءً ثابتًا لشعاع الضوء أو خط الرؤية، حيث يمكن اعتبار الشعاع وكأنه يرسم مسارًا دائريًا. يُعد معامل الانكسار مقياسًا شائعًا للانكسار. مع ذلك، توجد تعريفان مختلفان لهذا المعامل. الأول هو نسبة نصف قطر الأرض إلى نصف قطر خط الرؤية، ^{[ 26 ]} أما الثاني فهو نسبة الزاوية التي يُقابلها خط الرؤية عند مركز الأرض إلى زاوية الانكسار المقاسة عند الراصد. ^{[ 27 ]} ولأن التعريف الثاني يقيس انحناء الشعاع عند أحد طرفي خط الرؤية فقط، فإن قيمته تساوي نصف قيمة التعريف الأول.

يرتبط معامل الانكسار ارتباطًا مباشرًا بتدرج درجة الحرارة الرأسي المحلي ودرجة حرارة الغلاف الجوي وضغطه. ويُعطى الشكل الأكبر لمعامل الانكسار k ، الذي يقيس نسبة نصف قطر الأرض إلى نصف قطر خط الرؤية، بالمعادلة التالية: ^{[ 26 ]}

${\displaystyle k=503{\frac {P}{T^{2}}}\left(0.0343+{\frac {dT}{dh}}\right),}$

حيث تُقاس درجة الحرارة T بالكلفن ، والضغط P بالمليبار ، والارتفاع h بالأمتار. وتزداد زاوية الانكسار مع معامل الانكسار ومع طول خط النظر.

على الرغم من أن الخط المستقيم من عينك إلى جبل بعيد قد يُحجب بتلة أقرب، إلا أن الشعاع قد ينحني بدرجة كافية لجعل القمة البعيدة مرئية. إحدى الطرق الملائمة لتحليل تأثير الانكسار على الرؤية هي النظر في زيادة نصف القطر الفعال للأرض ( R _{_eff)} ، كما هو موضح في ^{[ 10 ].}

${\displaystyle R_{\text{eff}}={\frac {R}{1-k}},}$

حيث R هو نصف قطر الأرض و k هو معامل الانكسار. وفقًا لهذا النموذج، يمكن اعتبار الشعاع خطًا مستقيمًا على أرض ذات نصف قطر أكبر.

يمكن حساب انحناء الشعاع المنكسر بالثواني القوسية لكل متر باستخدام العلاقة ^{[ 28 ].}

${\displaystyle {\frac {1}{\sigma }}=16.3{\frac {P}{T^{2}}}\left(0.0342+{\frac {dT}{dh}}\right)\cos \beta }$

حيث 1/σ هو انحناء الشعاع بالثواني القوسية لكل متر، و P هو الضغط بالمليبار، وT هي درجة الحرارة بالكلفن، وβ هي زاوية الشعاع مع الأفق. بضرب نصف الانحناء في طول مسار الشعاع نحصل على زاوية الانكسار عند الراصد. بالنسبة لخط رؤية قريب من الأفق، فإن cos β لا يختلف كثيرًا عن الواحد ويمكن إهماله. وهذا ينتج عنه

${\displaystyle \Omega =8.15{\frac {LP}{T^{2}}}\left(0.0342+{\frac {dT}{dh}}\right),}$

حيث L هو طول خط الرؤية بالأمتار و Ω هو الانكسار عند الراصد مقاسًا بالثواني القوسية.

يتمثل أحد التقريبات البسيطة في اعتبار أن الارتفاع الظاهري للجبل عند عينيك (بالدرجات) سيتجاوز ارتفاعه الحقيقي بمقدار المسافة بالكيلومترات مقسومة على 1500. ويفترض هذا خط رؤية أفقيًا إلى حد ما وكثافة هواء عادية؛ إذا كان الجبل مرتفعًا جدًا (وبالتالي يكون جزء كبير من خط الرؤية في هواء أقل كثافة) فقم بالقسمة على 1600 بدلاً من ذلك.

• لين، فالديمار هـ؛ فان دير ورف، سيبرين (2005). "انكسار الضوء في الغلاف الجوي: تاريخ". البصريات التطبيقية . 44 (27): 5624-5636 . رمز Bibcode : 2005ApOpt..44.5624L . doi : 10.1364/AO.44.005624 . ISSN 0003-6935 . PMID 16201423 .  
• فيليبينكو، أ. ف. (1982). "أهمية الانكسار التفاضلي الجوي في قياس الطيف الضوئي" . منشورات الجمعية الفلكية للمحيط الهادئ ، 94 : 715-721 . رمز Bibcode : 1982PASP...94..715F . doi : 10.1086/131052 .
• هوتين، مارتن (1969)، "انكسار الغلاف الجوي" ، الجيوديسيا الرياضية ، دراسة من إعداد إدارة خدمات العلوم البيئية، المجلد  2، واشنطن العاصمة: وزارة التجارة الأمريكية، إدارة خدمات العلوم البيئية، رمز Bibcode : 1969mage.book.....H
• ننر، بريت د. فوكس، نيفيل؛ Borredon، Laurent (2003)، “نموذج تحليلي للانكسار البصري في طبقة التروبوسفير”، J. Opt. شركة نفط الجنوب. أكون. ، 20 (5): 867–875 ، بيب كود : 2003JOSAA..20..867N ، دوى : 10.1364/JOSAA.20.000867 ، PMID 12747434 ، S2CID 21222910  
• توماس، مايكل إي.؛ جوزيف، ريتشارد آي. (1996)، "الانكسار الفلكي" (ملف PDF) ، ملخص جونز هوبكنز APL التقني ، 17 (3): 279-284 ، رمز Bibcode : 1996JHATD..17..279T
• وانغ، يو (20 مارس 1998)، بيلي، بيير واي؛ بريكنريدج، جيمس بي (محررون)، "تلسكوب فضائي عالي الدقة للغاية يستخدم الغلاف الجوي للأرض كعدسة موضوعية"، تلسكوبات وأجهزة الفضاء V ، 3356 ، مختبر الدفع النفاث : 665، Bibcode : 1998SPIE.3356..665W ، doi : 10.1117/12.324434 ، hdl : 2014/19082 ، S2CID 120030054 
• كيبينغ، ديفيد (18 يوليو 2019)، "التيراسكوب: حول إمكانية استخدام الأرض كعدسة جوية"، منشورات الجمعية الفلكية للمحيط الهادئ ، 131 (1005)، جامعة كولومبيا : 114503، arXiv : 1908.00490 ، Bibcode : 2019PASP..131k4503K ، doi : 10.1088/1538-3873/ab33c0 ، S2CID 199064594 

• يونغ، أندرو ت.، ببليوغرافيا مشروحة عن السراب، والومضات الخضراء، وانكسار الغلاف الجوي، إلخ. ، تم الاطلاع عليها في 3 مايو 2016
• يونغ، أندرو ت.، الانكسار الفلكي ، تم الاطلاع عليه في 3 مايو 2016