К вопросу о коэффициенте земного преломления (атмосферной рефракции)

Экспериментально обнаружено и измерено, постоянно действующее (в приземных слоях атмосферы), систематическое отклонение светового луча "вниз", к центру Земли на величину около 11",5 (угловых секунд), не связанное с рефракцией. Эксперимент проводился в осенне-зимний период, включая моменты зимнего солнцестояния и перигелия. Приводятся экспериментальные и теоретические данные в пользу наблюдаемого эффекта. Уточнена степень влияния некоторых факторов на отклонения луча света, достигающие в размахе 60". Приведен график отклонений за 109 суток, через 6 часов.

На практике, при измерении вертикальных углов (например, в геодезии) всегда вводится поправка "за рефракцию", вычисляемая по коэффициенту рефракции – k, входящему в объединенную поправку "за кривизну Земли и рефракцию". Считается, что этот коэффициент величина достаточно постоянная с небольшими (редко до 30%) отклонениями (от 0.1 до 0.2), практически не зависящими от метеоусловий. В настоящее время принято считать, что средний коэффициент рефракции равен примерно 0.14, в восемнадцатом, девятнадцатом веках k считался равным 0.16 [1]. Уменьшение влияния случайных отклонений коэффициента рефракции от среднего предполагается только выбором (якобы лучшего) времени суток, определением метеорологических факторов и количеством суток измерений, причем, измерения, превышающие некий допуск, отбраковываются и производятся дополнительные измерения.

Автором было замечено, что при измерениях зенитных расстояний для передачи высот на средних, часто используемых расстояниях (2 – 5 км), поправка за коэффициент рефракции может быть представлена в угловой мере: около -7".5 (угловых секунд). В 1980 г. был проведен опыт по обнаружению (относительных), не рефракционных отклонений светового луча от плоскости, близкой к горизонтальной. Эксперимент продолжался в течение трех суток без перерыва с отсчетами через 30 минут. На расстоянии 1,6 м были обнаружены случайные отклонения луча света, не зависящие от рефракции, с размахом по амплитуде, в течение суток, более 10", а за трое суток – более 20". [2]

Анализ всех предварительных исследований отклонения луча света показал, необходимость создания принципиально нового оборудования и более трудоемкой методики обнаружения и измерения "абсолютных" отклонений, от горизонтальной плоскости. В частности, оказалось необходимым производить измерения в течение длительного периода (более трех месяцев) с использованием статистической обработки полученных результатов. Следует учесть, что эмпирически известные в геодезии вариации коэффициента рефракции от 0.1 до 0.2 определяют пределы значений среднего ожидаемого отклонения луча света от –5" до –10", а с учетом длиннопериодических сизигийных и квадратурных вариаций - от 0" до –25".

В апреле-мае 2003 г. был выполнен предварительный эксперимент [3, 4], но несовершенство аппаратуры, недостатки в методике измерений и малый период измерений не позволили получить достаточно верифицированные результаты. В связи с чем, была запланирована осенне-зимняя серия измерений, и по результатам первого месяца наблюдений (23 сентября – 27 октября) составлен график и опубликована статья. [2]

Описание лаборатории, оборудования, методики измерений и погрешностей определения отклонений светового луча показаны в работе [2].

Измерения осуществлялись через каждые шесть часов по Киевскому времени (+ 2 часа к Всемирному времени) непрерывно в течение 109 суток, одним исполнителем – автором данной работы. Дополнительно, ко времени суток кратному 6-ти часам, добавлялось 46 минут – поправка “истинного полдня”. Таким образом, измерения производились, например в 12:46, 18:46 и т.д.

Суммарная погрешность одного независимого определения отклонения светового луча ± 1",2 (угловых секунды). [2]

Рис.1. Зависимость отклонений луча от даты измерений

(с величиной отклонений светового луча в среднем от -5" до -20") с 24.10.03 по 13.12.03;

- и очередная серия также не идентифицированных пока (возможно экзотических) аномальных

"Абсолютный" нуль показаний АГОНа, в периоды "спокойного" фона, статистически определяется (без учета длиннопериодического приливного влияния и фликкер-шума) средней величиной отклонения около - 11", 5, что впоследствии может быть использовано при градации существующих "абсолютных" гравиметров. Необходимо добавить, что в весенне-летний период теоретически возможно среднее отклонение порядка минус 5 – 10 угловых секунд.

Можно достаточно уверенно констатировать, что кроме знакопеременных идентифицированных и случайных отклонений луча света обнаружено и, постоянно действующее (систематическое) отклонение луча вдоль отвесной линии, по направлению к центру Земли на величину от –5" до –20", в данном случае - 11"5 ±1".2 (угловых секунд). Природа этого эффекта до конца не выяснена, однако гипотетически можно предположить, что причиной отклонения луча света является вторая космическая скорость (11.2 км/с), которая, при сложении со скоростью света (по Галилею), соответствует отклонению света на угол - 7".7, что практически совпадает с эмпирическим значением k (- 7".5) и близко к результату настоящего, осеннее-зимнего эксперимента.

Следует отметить, что качественное совпадение графиков, определяющих вариации гравитационного потенциала, полученных другими специалистами по показаниям гравитационных датчиков (крутильных весов), с представленным графиком, позволяет предположить гравитационное происхождение отклонения луча света. Кроме того, по результатам предварительной обработки, обнаружена адекватная взаимосвязь между аппроксимирующей кривой измеренных отклонений светового луча и второй гармоникой фаз Луны (коэффициент корреляции 0,62).

В результате проведенного эксперимента (и других, начиная с 1980 г.) установлено влияние на отклонения луча света не менее четырех факторов: постоянное, систематическое отклонение вниз (около 8"), неизвестное влияние (связанное с сейсмологией, в 2 - 3 раза превышающее “обычный” фон), влияние фаз Луны (от -2" до -25") и космологический фликкер-шум (с амплитудой до 10" и периодом от нескольких минут). Указанные отклонения показывают, что величина “коэффициента рефракции” в реальных измерениях может варьироваться от “обратной” (с другим знаком) до величины более 0,5, что не может быть объяснено только метеорологическими факторами.

Таким образом, можно предположить, что используемый в геодезии коэффициент рефракции k, на малых расстояниях (до 5 км) представляет собой характеристику гравитационного влияния на луч света, а не реальную атмосферную рефракцию, влияние которой необходимо учитывать, как дополнение, только на больших расстояниях и при экстремальных метеорологических условиях. Следует добавить, что на расстоянии 1,6 м обнаружены адекватные отклонения луча света также и в горизонтальной плоскости, что указывает на неправомерность понятия “боковая рефракция”.

Практическое использование устройства (АГОН) и способа измерений нерефракционных отклонений луча света (путем введения поправок) позволит значительно сократить время измерения зенитных расстояний в реальных (полевых) условиях. Для чего необходимо создать глобальную сеть пунктов (до десяти стационарных станций, оборудованных АГОНами). На основании показаний которых, можно будет достаточно корректно вводить поправки в измеряемые зенитные расстояния. Можно добавить, что такая глобальная сеть (в первую очередь) необходима для прогнозирования катастрофических событий, включая землетрясения (пока с магнитудой от 6) и другие, достаточно неожиданные аномальные проявления.

Автор чрезвычайно признателен Астафьеву Н.Г. и Никитину А.Г. за материальное и техническое содействие в проведении эксперимента, Гнедому С.А. и Щербине Л.А. за помощь в рецензировании и подготовке графических материалов.

1. Богуславский Н.А. Курс геодезии // С.- Петербург, Типография Ю.Н. Эрлих,

2. Никитин Г.Г. Абсолютный гравиметр оптический – АГОН "Геодезия и Картография" //

3. Никитин Г.Г. Эксперимент по измерению отклонения луча света Тезисы докладов, 2-я Харьковская конференция "Гравитация, космология и релятивистская астрофизика" // 23 – 27 июня 2003 г.

4. Nikitin G.G. Experiment on measurement of deviation of a light beam directed to the Earth center "Spacetime & Substance"// v. 4, No. 4 (2003).

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.