大気回折

大気の回折は主に次のような形で現れます。

• 光学大気回折
• 電波の 回折とは、地球の電離層からの無線 周波数またはより低い周波数の散乱であり、その結果、より長距離の無線放送が可能になります。
• 音波の 回折とは、音が幾何学的物体の端を回るときに音波が曲がることです。これにより、音源が固体によって遮られている場合でも音が聞こえるという効果が生じます。音波は固体の周りでかなり曲がります。

ただし、物体の直径が音響波長より大きい場合、物体の後ろに「音の影」が投影され、音が聞こえなくなります。(注: 材質によっては、物体を通して音が伝わる場合があります)。

ほぼ均一の大きさの水滴やエアロゾルの液滴、または氷の結晶でできた薄い雲を光が通過する場合、粒子の端で光が回折して光の回折または屈折が起こります。光の屈折の度合いは、光の波長 (色) と粒子の大きさによって異なります。その結果、太陽、月、惑星、またはその他の天体から発せられているように見えるリングのパターンが生じます。このパターンで最も特徴的な部分は、中央のほぼ白い円盤です。これは大気のエアリー ディスクに似ていますが、実際にはエアリー ディスクではありません。主に屈折によって生じる虹やハローとは異なります。

左の写真は、エアロゾルのベールによって生じた、昇る太陽の周りの回折リングを示しています。太陽が十分に高く昇り、地球の表面にパターンが見えなくなると、この効果は劇的に消えました。この現象はコロナ効果と呼ばれることもありますが、太陽コロナと混同しないでください。

右側は、露出オーバーの満月を1/10 秒で 撮影したものです。薄い蒸気雲を通して月が見えます。雲は、明るい円盤を囲む赤いリングで輝いています。露出時間を長くすると、外側の赤いリングの向こう側に、より淡い色が見えるでしょう。

大気回折または光の屈折の別の形態は、主に対流圏の中間層に閉じ込められた微粒子の塵の細かい層を光が通過するときに発生します。この効果は、塵の物質は不透明であるのに対し、水は光を通過させるため、水による大気回折とは異なります。これにより、光が塵粒子の色に染まります。この色合いは、地理的な場所に応じて、赤から黄色までさまざまです。もう 1 つの主な違いは、塵による回折は、明確なハローを作成するのではなく、拡大鏡として機能することです。これは、不透明物質が水のレンズ特性を共有しないために発生します。その効果は、物体が視覚的に大きく見える一方で、塵によって像が歪むため不明瞭になることです。この効果は、大気中の塵の量と種類によって大きく異なります。

電離層は、地球の大気の大部分の上空にある部分的に電離した ガスの層です。これらのガスは、太陽から発生する宇宙線によって電離されます。電波が地球から約 80 キロメートル上空から始まるこの領域に到達すると、上記の可視光現象と同様に回折が発生します。^[1]この場合、電磁エネルギーの一部は大きな弧を描いて曲げられ、非常に遠い地点（放送源から数百キロメートル程度）で地球の表面に戻ることがあります。さらに注目すべきは、この電波エネルギーの一部が地球の表面で跳ね返り、1 回目よりもさらに遠い距離で 2 度目に電離層に到達することです。その結果、高出力の送信機は、電離層からの複数の「スキップ」を使用して、1000 キロメートル以上を効果的に放送できます。また、大気の状態が良好な場合には、良好な「スキップ」が発生し、低出力の送信機でも地球の反対側まで聞こえます。これは、法律で 65 ワット以下の送信機に制限されている「初心者」のアマチュア無線家「ハム」によく発生します。コンティキ号探検隊は、太平洋の真ん中から 6 ワットの送信機を使用して定期的に通信しました。詳細については、Wikipediaの「コンティキ号探検隊」の項目の「通信」の部分を参照してください。

この電波伝播の異例の変種が研究され、理論的には、地球上の発生源から電離層に高出力の球状音波が生成された場合、電離層の跳ね返りが大幅に誇張される可能性があることが示されました。^[2]

地球の表面近くを伝わる音波の場合、音波は壁や建物などの幾何学的な端を通過するときに回折または屈折します。この現象は、非常に重要な実用的な効果、つまり「角を曲がったところ」でも音が聞こえるという効果をもたらします。関係する周波数のため、かなりの量の音エネルギー (約 10 パーセント) が、実際にはこの音の「影の領域」に伝わります。可視光も同様の効果を示しますが、その波長ははるかに短いため、角を曲がったところで伝わる光エネルギーはごくわずかです。

防音壁の設計を扱う音響学の有用な分野では、この音響回折現象を定量的に詳細に調べて、高速道路に隣接する防音壁または防音堤の最適な高さと配置を計算します。

この現象は、航空機騒音の音響レベルを計算する際にも当然のこととして存在し、地形の特徴を正確に把握するのに役立ちます。この方法で、変化する地形上の結果を忠実に描写する音響レベル等高線、つまり等高線図を作成できます。

• 大気の屈折
• 防音壁

• 説明と画像ギャラリー - 大気光学、Les Cowley 著