Почему, измеряя высоту небесного тела над горизонтом, мы находим её большей, чем она есть в действительности?

Этот феномен связан с явлением атмосферной рефракции, которое возникает при прохождении света через атмосферу Земли.

Атмосфера нашей планеты не является однородной средой; она состоит из слоев с различной плотностью, температурой и давлением. Каждый слой атмосферы имеет свою оптическую плотность, что приводит к изменению скорости распространения света в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Когда свет от небесного тела (например, звезды или планеты) проходит через атмосферу, он испытывает неоднократное преломление, то есть изменение направления, в соответствии с законами оптики.

Причина атмосферной рефракции заключается в том, что световые лучи, пересекающие атмосферу под углом, преломляются из−за изменения показателя преломления воздуха. Показатель преломления воздуха уменьшается с увеличением высоты над поверхностью Земли. Свет, проходя через атмосферу, постепенно искривляется, и это искривление приводит к тому, что небесное тело визуально кажется расположенным выше, чем его истинное положение.

Чтобы лучше понять механизм, можно обратиться к следующему объяснению:
1. Световые лучи от небесного тела проходят через последовательные слои атмосферы, каждый из которых имеет различный показатель преломления.
2. По закону преломления (закон Снеллиуса), при переходе света из одной среды в другую с разным показателем преломления, угол между лучом и перпендикуляром к границе среды изменяется.
3. В случае атмосферы это изменение происходит плавно, поскольку показатели преломления изменяются постепенно. Световые лучи искривляются по кривой траектории, направленной внутрь атмосферы.
4. Глаз наблюдателя воспринимает направление света, пришедшего к нему, как прямую линию. Следовательно, небесное тело визуально перемещается в направлении, противоположном искривлению луча.

Наибольшее влияние атмосферная рефракция оказывает на световые лучи, проходящие близко к горизонту. При наблюдении объектов, находящихся высоко над горизонтом, эффект рефракции не так заметен, поскольку свет проходит через меньший объем атмосферы. Однако для объектов, расположенных низко над горизонтом, световые лучи проходят через более плотные слои атмосферы, и их искривление становится значительным. В результате высота небесного тела над горизонтом кажется большей, чем она есть в действительности.

Атмосферная рефракция также зависит от погодных условий, таких как температура, давление и влажность. Всё это может изменить показатель преломления атмосферы, влияя на степень искривления световых лучей.

Важно отметить, что атмосферная рефракция имеет практическое значение в астрономии, навигации и геодезии. Учёные и инженеры учитывают этот эффект при расчётах и наблюдениях, чтобы определить фактическое положение небесных объектов.