Насколько сильно температура влияет на время восхода солнца?

Пожалуйста, простите меня, если это глупый вопрос, или если я неправильно понимаю основы физики. Пожалуйста, не стесняйтесь исправлять меня.

Насколько я понимаю, если бы у Земли не было атмосферы, то временем восхода солнца была бы точка, когда солнечные лучи подходили к вашему положению по касательной. Например, представьте, что Земля — это идеальная сфера, вы стоите на вершине, а (видимое) движение Солнца происходит по часовой стрелке следующим образом (масштабы совершенно неверны, но, надеюсь, концепция верна)...

Нет атмосферы

Теперь предположим для простоты, что атмосфера Земли имеет постоянную судьбу и начинается на определенной высоте над поверхностью планеты, тогда (если я правильно понимаю) солнечные лучи будут преломляться при входе в атмосферу, а это означает, что вы увидите солнце чуть раньше (преувеличенно)...

С атмосферой

Очевидно, это очень упрощенно, не в последнюю очередь потому, что атмосфера представляет собой газ и, следовательно, имеет переменную плотность, предположительно становясь тем менее плотной, чем выше вы поднимаетесь. Я предполагаю, что изменение плотности означало бы, что лучи изгибаются, а не резко поворачивают, как показано выше.

Мой вопрос заключается в том, насколько сильно температура воздуха влияет на величину дифракции, которая, в свою очередь, влияет на время, в которое вы увидите восход солнца? Мне кажется, что если бы на Земле было холодно, то воздух был бы более плотным, что привело бы к большей степени преломления и, следовательно, к более раннему восходу солнца. Напротив, более высокая температура будет означать более низкую плотность, меньшее преломление и более поздний восход солнца.

Кто-нибудь может дать мне некоторые оценки того, какую разницу вы ожидаете увидеть между теплым летним днем ​​и холодным зимним днем, предполагая нормальные параметры для «холодного» и «теплого» для нашей планеты?

Немного, НО, атмосферная рефракция на самом деле является очень важным источником измерений температуры для ежедневного прогноза погоды! См. Затенение GPS-радио . Из изменений во времени, которое требуется сигналу GPS, чтобы достичь приемника в постоянном (известном) месте, мы можем измерить температуру атмосферы; Делая это снова и снова, пока спутник не сядет, мы можем измерить весь температурный профиль. Однако это работает с микроволновым излучением, а не с видимым. Я не знаю, чтобы видимое преломление (в отличие от поглощения) использовалось для дистанционного зондирования.

Ответы (1)

Самой большой причиной рефракции является изменение плотности атмосферы с высотой, а не изменения, вызванные погодными условиями на поверхности.

Существуют формулы для расчета этого эффекта при стандартных значениях температуры и давления на уровне земли. Видимое изменение положения солнца в этих условиях примерно равно видимому диаметру солнца.

Разница во времени , которую это вызывает, зависит от угла, под которым солнце поднимается над горизонтом, который зависит от того, где вы находитесь на земле и какое сейчас время года. Если солнце восходит вертикально, разница во времени составляет около 2 минут, но если оно восходит под небольшим углом к ​​горизонту, то может быть гораздо больше.

Изменения температуры и давления воздуха также имеют эффект, который легко наблюдать (по известному положению звезд, а не только наблюдая за солнцем), но его трудно предсказать с пользой. Как следствие этого, не очень полезно предсказывать время восхода и захода солнца с большей точностью, чем ближайшая минута.

См. https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_refraction .

Изменения в вертикальном распределении потенциальной температуры повлияют на вертикальное изменение плотности и повлияют на время восхода... но на миллисекунды или микросекунды, я не знаю.
«Видимое изменение положения солнца в таких условиях примерно равно видимому диаметру солнца». Вау, это очень много!
@alephzero Вау, какой отличный ответ! Большое спасибо. Что касается вашего первого предложения, означает ли это, что изменение плотности воздуха по мере продвижения от поверхности Земли вверх не сильно зависит от температуры на земле? Я предположил (вполне возможно, ошибочно), что когда солнечные лучи проходят через атмосферу, нагревая поверхность, они также будут нагревать воздух, понижая плотность выше. Похоже, что это может быть не так.