可視性

気象学では、視程とは物体または光をはっきりと見分けることができる距離の尺度です。視程は周囲の空気の透明度によって決まり、周囲の光のレベルや時間帯に関係なく変化しません。視程は、国に応じてメートルまたは法定マイルで地表気象観測およびMETARコード内で報告されます。視程は、道路、鉄道、航行、航空など、あらゆる形態の交通に影響します。

幾何学的な視野範囲は地球の曲率によって制限され、目の高さと観察対象物の高さに依存します。測地学では、測地視程を計算する際に大気の屈折を考慮する必要があります。

ICAO附属書3国際航空航行気象サービス ^[1]には以下の定義と注記が含まれている。

a) 地面近くにある適切な大きさの黒い物体を明るい背景で観察した場合に見え、認識できる最大距離。

b) 1,000カンデラの光を、暗い背景に対して視認および識別できる最大距離。

注意: 2 つの距離は、与えられた消光係数の空気中では異なる値を持ち、後者の b) は背景照明によって変化します。前者の a) は気象光学距離 (MOR) によって表されます。

付属書3 ^[1]では、滑走路視程距離（RVR）を次のように定義しています。

滑走路の中心線上にある航空機のパイロットが滑走路表面のマーキング、または滑走路を示す灯火や滑走路の中心線を識別する灯火を視認できる範囲。

北極や山岳地帯の極めてきれいな空気の中では、山や高い尾根などの大きな目印がある場所では、視界は最大 240 km (150 マイル) になります。しかし、大気汚染や高湿度によって視界が多少低下することがよくあります。さまざまな気象観測所がこれを霞(乾燥) または靄(湿潤) として報告しています。 霧や煙によって視界がほぼゼロになり、運転が極めて危険になります。砂漠地帯やその付近の砂嵐、または森林火災でも、同じことが起こる可能性があります。大雨(雷雨などによる) は視界不良を引き起こすだけでなく、ハイドロプレーニング現象によって急ブレーキをかけることができなくなります。 吹雪や地上吹雪 (吹雪) も、部分的には視界不良によって定義されます。

視認性を定義するために、完全に白い背景に対して完全に黒い物体が見られる場合を調べる。黒い物体からxの距離における視覚コントラストC _V (x)は、背景と物体の光の強度の相対的な差として定義される。

${\displaystyle C_{\text{V}}(x)={\frac {F_{\text{B}}(x)-F(x)}{F_{\text{B}}(x)}}}$

ここで、F _B (x) とF (x) は、それぞれ背景と物体の強度です。物体は完全に黒であると想定されるため、物体に入射する光はすべて吸収されるはずです。したがって、x =0 (物体) のとき、F (0) = 0、C _V (0) = 1 となります。

物体と観察者の間では、F (x) は、観察者の視線に散乱される追加の光と、ガスや粒子による光の吸収の影響を受けます。特定のビームの外側の粒子によって散乱された光は、最終的にターゲットの放射照度に寄与する可能性があります。これは多重散乱と呼ばれる現象です。吸収された光とは異なり、散乱光はシステムから失われません。むしろ、方向を変えて他の方向に寄与することができます。散乱光は、特定の方向に移動する元のビームからのみ失われます。x での放射照度への多重散乱の寄与は、個々の粒子の散乱係数、粒子の数の濃度、およびビームの深さによって変更されます。強度の変化dF は、距離dxにわたるこれらの効果の結果です。dxは浮遊するガスと粒子の量の尺度であるため、減少するFの割合は距離dxに比例すると想定されます。Fの減少率は

${\displaystyle dF=-b_{\text{ext}}{F}dx}$

ここで、b _{ext は}減衰係数です。背景光が観測者の視線に散乱すると、距離dxにわたってF が増加する可能性があります。この増加はb' F _B ( x ) dxと定義されます。ここで、b'は定数です。全体的な強度の変化は次のように表されます。

${\displaystyle dF(x)=\left[b'F_{\text{B}}(x)-b_{\text{ext}}F(x)\right]dx}$

F _{B は}背景強度を表すため、定義によりxとは独立しています。したがって、

${\displaystyle dF_{\text{B}}(x)=0=\left[b'F_{\text{B}}(x)-b_{\text{ext}}F_{\text{B}}(x)\right]dx}$

この式から、 b'はb _extに等しくなければならないことは明らかである。したがって、視覚コントラストC _V ( x )は、ビール・ランベルトの法則に従う。

${\displaystyle {\frac {dC_{\text{V}}(x)}{dx}}=-b_{\text{ext}}C_{\text{V}}(x)}$

つまり、コントラストは物体からの距離に応じて指数関数的に減少します。

${\displaystyle C_{\text{V}}(x)=\exp(-b_{\text{ext}}x)}$

実験室での実験により、一般的な日光の条件では、0.018 ～ 0.03 のコントラスト比が認識可能であることが判明しました。通常、視覚範囲を計算するには、2% のコントラスト比 ( C _V = 0.02) が使用されます。この値を上記の式に代入し、xについて解くと、次の視覚範囲式 (Koschmieder 式) が得られます。

${\displaystyle x_{\text{V}}={\frac {3.912}{b_{\text{ext}}}}}}$

ここで、 x _Vは長さの単位です。海面では、レイリー大気の消衰係数は、波長520 nmで約 13.2 × 10 ⁻⁶ m ⁻¹です。つまり、最もきれいな大気でも、視程は約 296 km に制限されます。

視認性の知覚は、いくつかの物理的および視覚的要因に依存します。現実的な定義では、人間の視覚システム（HVS）が空間周波数に非常に敏感であるという事実を考慮し、フーリエ変換とHVSのコントラスト感度関数を使用して視認性を評価する必要があります。^[2]

霧の国際的な定義は、視程が 1 km (3,300 フィート) 未満、ミストは視程が 1 km (0.62 マイル) から 2 km (1.2 マイル)、ヘイズは2 km (1.2 マイル) から 5 km (3.1 マイル) である。霧とミストは一般に主に水滴で構成されていると考えられており、ヘイズと煙はより小さな粒子サイズである可能性がある。これは、約 10 μm の波長の遠赤外線で動作するサーマル イメージャー(TI/ FLIR )などのセンサーに影響を及ぼし、粒子サイズが波長よりも小さいためヘイズや一部の煙をよりよく透過できる。そのため、IR 放射は粒子によって大幅に偏向または吸収されない。^[要出典]

霧が発生すると、時折、氷雨や雪が降ることがあります。これは通常、気温が 0 °C (32 °F) 未満のときに発生します。これらの状況は氷の形成により危険で、特に 1,000 ヤード未満の状況では視界が悪いため、致命的となる可能性があります。視界の悪さと氷の形成が組み合わさると、道路上で事故が発生する可能性があります。これらの寒冷気象現象は、主に低層の層雲によって引き起こされます。

視界が 100 メートル (330 フィート) 未満の場合は、通常、ゼロと報告されます。このような状況では、道路が閉鎖されるか、自動警告灯や標識が作動してドライバーに警告することがあります。これらは、特に交通事故や 複数の車両が絡む玉突き事故の後、視界が繰り返し悪くなる特定のエリアに設置されています。

さらに、米国立気象局の濃霧注意報など、政府の気象機関から低視程に関する注意報が頻繁に発令される。これらは通常、霧が晴れるか他の状況が改善するまで 運転を避けるよう運転者に勧告する。空港への移動も低視程によって遅れることが多く、最低進入視程のために長時間待たされることがあり、低視程では地上で航空機を安全に移動させることが困難になることもある。^{[3] [4]}

視界の低下は、おそらく大気汚染の最も明白な症状です。視界の低下は、大気中の粒子やガスによる光の吸収と散乱によって引き起こされます。ガスや粒子による電磁放射の吸収は、大気の変色の原因となることもありますが、通常は視界の低下にそれほど大きく影響することはありません。

粒子による散乱は、視程をはるかに容易に損ないます。観察者と遠くの物体との間の粒子による著しい散乱によって視程は低下します。粒子は、観察者の視線を通して太陽や空の残りの部分からの光を散乱させ、物体と背景の空との間のコントラストを低下させます。視程を低下させるのに最も効果的な粒子 (単位エアロゾル質量あたり) の直径は、0.1～1.0 μm の範囲です。空気分子が視程に与える影響は、短距離ではわずかですが、30 km を超える距離では考慮する必要があります。

気象光学距離 (MOR) は、キロメートル単位の視程の測定値です。MOR は、白熱灯からのコリメートされたビームの光束を元の値の 5% に減らすために必要な大気中の経路の長さです。視程 (MOR) を直接または間接的に測定できる分析アプローチはほとんどありません。MOR を計算できる新しい機器の 1 つが、光減衰分析装置 (OEA) です。これは、周囲のガス サンプルを含む光キャビティ内で注入されたレーザー光の減衰時間 (リングダウン時間定数とも呼ばれます) を直接測定することにより、実際に光減衰係数 (β) を計算します。OEA は、キャビティ増強吸収分光法(CEAS)技術です。簡単に言うと、高フィネス光キャビティに注入されたレーザー光は、キャビティを流れる周囲のガス サンプル種による減衰が主な原因で、完全に減衰または「リングダウン」するまで、合計経路長が数キロメートルにわたって、2 つの対向するミラー間で共鳴しながら繰り返し「跳ね返り」ます。非エアロゾル種による光減衰を考慮に入れた後、エアロゾルによる光減衰は OEA 組み込みアルゴリズムによって簡単に導き出されます。そのために、1) 高反射ミラーからの漏れと 2) ガスサンプル中に存在する非エアロゾル種による吸収によって減衰した光量は、エアロゾルフィルターを介して同じ分析ガスサンプルをキャビティに流し込み、エアロゾルのないガスによる光減衰を測定することによって自動的に考慮されます。OEA の動作原理の詳細については、こちらをご覧ください。上記の MOR 決定プロセスは高速 (1 Hz) で、現場での無人 OEA 操作のために完全に自動化されています。

地理的視程は、観測地点の高度とその周囲の地形によって決まります。平面と水面は視界を最大限に広げますが、植生、建物、山々は地理的障害物となり、地理的視程を制限します。空が晴れていて気象視程が高い場合、地球の曲率により測地視程の最大値が制限されます。高所の観測点から海面までの視程は、視線と地球の半径が直角三角形の 2 辺を形成するため、ピタゴラスの定理を使用して計算できます。高所の高さに地球の半径を加えたものが斜辺を形成します。目と物体の両方が基準面より上に上がっている場合、2 つの直角三角形が存在します。地球または水面に接する接線は、2 つの直角三角形の 2 つの短い辺で構成され、これらを足して幾何学的な視程範囲を計算します。

測地学では、大気の屈折が常に計算に考慮され、視野の範囲が広がるため、地平線の後ろにある物体も見ることができます。

• ヘイズ係数
• 干渉視認性