Когда мы говорим о состоянии атмосферы, чаще всего вспоминаем концентрации загрязняющих веществ, превышения ПДК или объёмы выбросов. Но есть ещё один показатель, который напрямую отражает, насколько «чистым» или «замутнённым» является воздух, — оптическая плотность атмосферы и связанная с ней прозрачность.
Эти параметры редко обсуждаются вне научных и профессиональных кругов, хотя именно они определяют видимость, радиационный баланс, климатические процессы и даже эффективность работы транспорта и связи. Разберёмся, что за ними стоит и почему сегодня они приобретают всё большее значение.
Атмосфера как оптическая система
Атмосфера Земли — это не просто смесь газов. С точки зрения физики она представляет собой сложную оптическую среду, которая отражает, поглощает, рассеивает и пропускает электромагнитное излучение. Именно благодаря этим свойствам мы видим дневной свет, голубое небо, закаты, туманы и другие атмосферные явления.
Но та же самая система может работать и в обратную сторону:
при росте концентрации аэрозолей, водяного пара и загрязняющих веществ атмосфера начинает терять прозрачность, а проходящее через неё излучение ослабляется.
Оптическая плотность
Оптическая плотность атмосферы — это показатель, который описывает, какая часть светового потока поглощается и рассеивается при прохождении через воздушную толщу.
Физически она определяется как логарифм отношения интенсивности падающего излучения к интенсивности прошедшего. Проще говоря: чем выше оптическая плотность, тем меньше солнечной энергии доходит до поверхности Земли.
Важно понимать несколько принципиальных моментов:
- оптическая плотность зависит от длины волны излучения — атмосфера по-разному ведёт себя в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах;
- наибольший вклад в рост оптической плотности вносят аэрозоли и водяной пар;
- показатель чувствителен к антропогенному воздействию и быстро реагирует на изменения в составе атмосферы.
Именно поэтому оптическая плотность используется как косвенный индикатор загрязнения воздуха.
Прозрачность атмосферы: обратная сторона того же процесса
Если оптическая плотность показывает степень ослабления света, то прозрачность атмосферы описывает её способность пропускать электромагнитное излучение.
Прозрачность зависит от:
- массы воздуха, через которую проходит луч;
- содержания водяного пара;
- концентрации пыли, дыма, тумана и облаков;
- времени суток и сезона года (из-за изменения угла падения солнечных лучей).
Для оценки используется коэффициент прозрачности — отношение потока прямой солнечной радиации у поверхности Земли к потоку на верхней границе атмосферы при стандартных условиях. Чем ниже этот коэффициент, тем сильнее атмосфера «замутнена».
Интегральная оптическая плотность: как измеряют общее замутнение
В практике мониторинга широко применяется показатель интегральной оптической плотности атмосферы (ОПА). Он характеризует общее ослабление прямой солнечной радиации в диапазоне длин волн от 0,3 до 4 мкм при стандартной высоте Солнца.
ОПА тесно связана с коэффициентом интегральной прозрачности и отражает:
- суммарное влияние аэрозолей;
- содержание водяного пара;
- общее состояние атмосферной среды.
Фактически этот параметр позволяет количественно оценить, насколько «загрязнённым» выглядит воздух с точки зрения оптики, а не только химии.
Что показывают наблюдения в России
Мониторинг оптической плотности и прозрачности атмосферы в России ведётся на сети региональных фоновых станций, расположенных в различных климатических и географических зонах — от Арктики до Северного Кавказа и Байкала.
Данные за 2024 год показывают существенные региональные различия:
Самый высокий уровень оптического замутнения был зафиксирован на станции Воейково в Ленинградской области. Максимальные значения ОПА наблюдались весной и в начале лета.
Второе место по загрязнённости заняла станция Памятное в Курганской области — здесь сыграли роль степное расположение и засушливые условия.
Наиболее чистая атмосфера сохранялась на высокогорной станции Шаджатмаз на Северном Кавказе, а также на станции Хужир на острове Ольхон и в районе Туруханска.
За исключением отдельных зон, общий уровень оптического замутнения в 2024 году не превышал значений, характерных для умеренно загрязнённой атмосферы, однако влияние крупных городов остаётся отчётливо заметным.
Роль промышленности и сжигания топлива
Исследования показывают, что сжигание ископаемого топлива существенно влияет на прозрачность атмосферы. По оценкам учёных, в ряде регионов оно снижает прозрачность:
- на 20–46 % в видимом диапазоне;
- почти полностью — в дальнем инфракрасном.
Это означает не только ухудшение видимости, но и изменение радиационного баланса, перераспределение тепла и усиление климатических эффектов.
Оптические свойства атмосферы имеют прямое прикладное значение:
Транспорт и безопасность
Туман, дымка, смог и пыльные бури резко снижают дальность видимости и создают риски для авиации, автомобильного и морского транспорта.
Климат и погода
Аэрозольное поглощение и рассеяние света влияют на температуру приземного слоя и атмосферную циркуляцию.
Связь и наблюдения
От прозрачности атмосферы зависит работа оптических систем связи, а также возможность астрономических наблюдений.
Сельское хозяйство и строительство
Световой и тепловой режимы определяют условия роста растений и эксплуатацию инженерных сооружений.
Чем выше оптическая плотность — тем меньше энергии, света и тепла достигает поверхности Земли. А значит, меняется климат, ухудшается видимость, растёт нагрузка на экосистемы и человека.
Понимание и мониторинг этих параметров — важный шаг к более точной оценке воздействия промышленности и городов на атмосферу и к принятию решений, основанных не на формальных показателях, а на реальном состоянии окружающей среды.