Niestandardowa refrakcja - zdjęcia, analiza , rozważania.

PawełKłak · 5 Września 2023

Słowem wstępu.

"Refrakcja atmosferyczna powoduje zwiększenie zasięgu widoczności i umożliwia obserwację obiektów, które przy jej braku byłyby schowane za horyzontem. Im jest silniejsza, tym odległe obiekty coraz bardziej wystają nad horyzontem. Jej znaczenie w dalekich obserwacjach dotyczy przede wszystkim widoczności obiektów z odległości bliskich maksymalnym – dzięki zwiększonej refrakcji możliwe są obserwacje z miejsc położonych dalej niż w warunkach standardowych." https://dalekiehoryzonty.pl/refrakcja-atmosferyczna/

Wartość refrakcji uznawana za standardową w polskim klimacie to 0,13-0,14. Jaki jest niestandardowy? Lokalnie współczynnik może przekroczyć wartość 1 - zjawisko superrefrakcji. W takim przypadku teoretycznie możliwe było zobaczenie wszystkiego dowolnie daleko na Ziemi , co wystawało powyżej warstwy w której superrefrakcja występuje. Oczywiście o ile pozwoliłaby na to warunki widzialnościowe takie jak przejrzystość powietrza, zapylenie oraz stężenie aerozoli. Przy ekstremalnych obserwacjach Tatr z Polski z dystansu ponad 200 km- odnotowano uśredniony współczynnik dla całej linii widzenia o wartości ok. 0,22.

Wybrane obserwacje z Polski przy których zaobserwowano zwiększoną refrakcję.

232 km- G. Kamieńsk - Tatry - uśredniony współczynnik refrakcji atmosferycznej wymagany do ujrzenia pojedynczych wierzchołków Tatr wynosi minimum 0,19. Podczas obserwacji wyniósł ok. 0,225 co umożliwiło ujrzenie kilku szczytów.

https://dalekiewidoki.pl/2023/01/tatry-z-g-kamienskiej.html

233 km - Potok Wielki - Tatry - uśredniony współczynnik refrakcji atmosferycznej wymagany do obserwacji Tatr to minimum 0,16. Podczas obserwacji wyniósł ok. 0,22.

https://dalekiewidoki.pl/2022/01/tatry-z-woj-lubelskiego-potok-wielki.html

212 km - G.Chełmo - Tatry i Babia Góra 166 km - uśredniony współczynnik refrakcji atmosferycznej wymagany do obserwacji Babiej Góry to minimum 0,16. Podczas obserwacji wyniósł 0,17. Pozwoliło to na dostrzeżenie Babiej Góry oraz kilku wierzchołków Tatr, które w normalnych warunkach powinnny być schowane za horyzont.

Inaczej sprawa wygląda z obserwacjami nocnymi związanymi z działaniem inwersji radiacyjnej.

Niejako "otworzyły nam się oczy" po analizie zdjęć Warszawy z Kalenic k. Łodzi.

Dzięki dokładnej analizie zdjęć opublikowanych przez Adriana Karczewskiego i Dawida Kajzera a następnie Jacka Pudło, dowiedzieliśmy się, że widok z wiaduktu nad A2 w Kalenicach 7 września 2021 był niecodzienny. Na zdjęciach z tego dnia widnieją światła kilkunastu wieżowców, które w standardowych warunkach powinny być schowane za horyzont tj. być niewidoczne dla obserwatora. Łukasz Wawrzyszko w wykonanej przez niego analizie oszacował wartość uśrednionego współczynnika refrakcji na 0,5 ! Wartość olbrzymia, bo przypomnijmy , że standardowy współczynnik wynosi ok. 0,13 (dla porównania Tatry z G. Kamieńskiej wymagały współczynnika "tylko" 0,225).

Dlaczego napisałem "otworzyły nam się oczy"? Bo Kalenice były furtką do kolejnych obserwacji tj. Warszawy z G. Świętokrzyskich - 157 km - https://dalekiewidoki.pl/2023/05/warszawa-z-gor-swietokrzyskich-cz2.html

Tutaj uśredniona wartość wsp. refrakcji dla widocznej części Marriotta leżącego tuż nad horyzontem to 0,442.

Zmieniająca się refrakcja atmosferyczna w czasie powoduje pojawianie się i zanikanie warszawskich wieżowców nad horyzontem. Zdjęcia Pawła Kłaka ze Świętego Krzyża – 28 maj 2023 r. zmontowane w GIF.

Gdy wydawało się , że 0,5 to już maks nastąpiła kolejna obserwacja Warszawy z Kalenic. i to jaka! Uśr. wsp. refra. 0,81 ! Tu zaczyna się skrócona relacja ( a pełną znajdziecie https://dalekiewidoki.pl/2023/08/warszawa-z-kalenic.html)

Czy ta obserwacja otworzy kolejna furtkę do innych obserwacji takich jak Warszawa z G.Kamieńskiej?

Kalenice to miejscowość położona w województwie łódzkim, w powiecie łowickim. Miejscowość leży przy autostradzie A2, a dokładnie w połowie odcinka Łódź Północ – Skierniewice. Z wiaduktu nad autostradą oraz w punkcie przy lesie przy dobrych warunkach pogodowych można dostrzec Warszawę.

26 czerwca 2023r. wybrałem się do Kalenic by naocznie sprawdzić potencjał obserwacyjny wspomnianego miejsca pod lasem. Warunki pogodowe były bardzo dynamiczne, zbliżał się front, zaczęło silnie wiać a także spadły pierwsze krople deszczu. Trzeba było się spieszyć.

Już na pierwszym zdjęciu na ogniskowej 500mm pokazał się komin w Pruszkowie oraz warszawskie Varso i Pałac Kultury i Nauki.

Kilka minut później zmieniająca się refrakcja pokazała swoje piękno. Pojawiło się znacznie więcej obiektów Warszawy.

Na horyzoncie ukazało się kilkanaście wieżowców Śródmieścia i Woli: Warsaw Trade Tower, Warsaw Spire, Spektrum Tower, Łucka City, Generation Park, Mennica Legacy Tower, Skysawa, Unit, Skyliner, Rondo 1, The Warsaw Hub, Złota 44, Pałac Kultury i Nauki, Varso Tower, Centrum LIM (Marriott), Chałubińskiego 8.

Pojawiły się także obiekty dużo niższe , których chyba nikt się nie spodziewał – centrum handlowe Blue City , słup wyciągu narciarskiego na G. Szczęśliwickiej, Szpital Banacha w dzielnicy Ochota. Poniżej horyzontu pojawiło się też niebieski obiekt, który po analizie okazał się budynkiem firmy Chefs Culinar w podwarszawskim Wiskitkach oddalonym od obserwatora o 40,2 km.

Kilkanaście minut później niebieskie światło zaczęło zanikać a obiekty położone dalej „rosnąć”. Tak oto zza horyzontu wyłoniła się iglica Stadionu Narodowego oddalona o 86,8 km.

Jak widać na zdjęciu mocne światło pobliskiej ulicznej latarni przeszkadzało w osiągnięciu dobrej jakości zdjęcia. Udałem się, więc kilkadziesiąt kroków w prawo by „przesunąć” Warszawę w kadrze. Widząc, że refrakcja rośnie a czasu jest mało bo wiatr robi się jeszcze silniejszy i zaczyna padać zmniejszyłem ogniskową na 164 mm by móc złapać jak najwięcej obiektów – niestety kosztem jakości detali obserwowanych obiektów.

Kadr w prawo od centrum Warszawy przyniósł kolejne zdobycze – biurowce na Służewcu – Marynarska Business Park (obecnie Diuna) oraz Marynarska Point I, a także bloki mieszkalne dzielnicy Mokotów : Puławska 125, al. Niepodległości 13, Cieszyńska 5, Aleja Wilanowska 366, al. Niepodległości 9/11, Puławska 186 a także trzy kominy Elektrociepłowni Siekierki. Jeszcze bardziej w prawo odnajdziemy wieżę kontroli lotniska Chopina w Warszawie , a także Narodowy Instytut Onkologii na Ursynowie.

Wyliczenie współczynnika refrakcji.

Na zdjęciu widać światła wieży kontroli (TWR) lotniska Chopina w Warszawie minimalnie wystające nad horyzontem. Znając ich wysokość (153 m n.p.m.), wysokość miejsca obserwacji (166 m n.p.m.) oraz wysokość drzew, nad którymi je widać, można oszacować, jak duża była refrakcja atmosferyczna. Lokalizację drzew i ich wysokość odczytujemy z modelu NMPT w Geoportalu, korzystając z profilu terenu na heywhatsthat.com (opis metody) – wynosi ona ok. 130-140 m n.p.m dla drzew Puszczy Bolimowskiej w okolicy Żyradowa i punktu 52,062318 20,396667. Dla obliczeń przyjmijmy wartość 135 m.n.p.m.

Na profilu terenu w heywhatsthat.com linia widzenia przechodzi w lokalizacji tych drzew na wysokości ok. 135 m n.p.m., gdy współczynnik refrakcji wynosi ok. 0,81. Podobne wartości wynikają także z analizy widoczności innych budynków.

Sprawdźmy teraz Marynarska Business Park. Tutaj posłużymy się kalkulatorem refrakcji

Współczynnik refrakcji wymagany do obserwacji budynku Marynarska Business Park wynosi ok. 0,80.

Uśredniony współczynnik refrakcji nie oddaje oczywiście w pełni dynamiki refrakcji na całej linii widzenia. Refrakcja jest zmienna w czasie na różnej wysokości. Niewątpliwie na pewnym dystansie obserwacji współczynnik tej przekroczył wartość 1. Refrakcji nie można jednak „zamknąć” w jednej wartości dla całej linii widzenia. Uśredniony współczynnik refrakcji natomiast daje pewien pogląd na trudność obserwacji oraz siłę z jaką musi zadziałać refrakcja by obiekt mógł „wynurzyć się” zza horyzontu i być widocznym.

Mieliśmy do czynienia z refrakcją radiacyjną. Światło przemierzając drogę w niejednorodnej atmosferze ugięło się silnie w skutek „zanurzenia się” w przygruntowej warstwie inwersyjnej. . We wspomnianej warstwie zapewne doszło do zjawiska superrefrakcji – współczynnik refrakcji mógł mieć w niej wartość powyżej 1. W takim przypadku teoretycznie możliwe było zobaczenie wszystkiego dowolnie daleko na Ziemi , co wystawało powyżej tej warstwy. Oczywiście o ile pozwoliłaby na to warunki widzialnościowe takie jak przejrzystość powietrza, zapylenie oraz stężenie aerozoli.

Efektem silnego załamania była deformacja obrazu wieżowców tj. spłaszczenie obiektów oraz dynamiczne zmiany ich rozmiarów w czasie. Światła wieżowców położone na różnych wysokościach nad poziomem morza na kilku zdjęciach wyglądają jakby „leżały” na jednym poziomie. Gwałtowne zmiany temperatury i częściowo ciśnienia atmosferycznego związane ze zbliżającym się frontem oraz związane z tym dynamiczne zmiany grubości warstwy inwersyjnej oraz jej „falowanie” doprowadziły do bardzo intensywnych zmian obrazu obserwowanych obiektów oraz ich rozmiarów kątowych w stosunkowo krótkim czasie.

Co istotne inwersję radiacyjną i zwiększoną refrakcję wymaganą do tego typu obserwacji potwierdzają oficjalne dane dostępne ze stacji z pobliskiego Legionowo o godzinie 2:00 27 czerwca 2023 , czyli 3h po obserwacji. Dane pochodzą z balonu meteorologicznego wykorzystywanego do sondowania atmosfery .

Wykres współczynnika refrakcji opracowany na podstawie danych z Legionowa. Linia ma charakter schodkowy ze względu na małą liczbę punktów pomiarowych – przedstawia średnie wartości współczynnika pomiędzy punktami. W rzeczywistości współczynnik refrakcji zmienia się płynnie, pomiędzy 105 a 183 m n.p.m. był współczynnik był największy.

Inwersja temperatury w Legionowie wystąpiła w zakresie wysokości 96 – 245 m n.p.m. czyli maksymalnie ok.160 m nad ziemią i uśredniona wartość nie przekroczyłą 0,5.

Odstęp 3 godzinny to dosyć duży okres czasu i to tłumaczy różnicę wartości refrakcji wyliczonej dla obiektów widocznych z Kalenic z tą wyliczoną dla Legionowa . Warstwa inwersyjna mogła zmienić się nawet w ciągu kilku minut , co zresztą było widoczne na zdjęciach. Nie da się określić dokładnego rozkładu tego współczynnika na linii obserwacji, gdyż nie są to dane z linii Warszawa – Kalenice. To co możemy wyciągnąć istotnego z danych z Legionowa to nie siła i wartość ale sam fakt pojawienia się inwersji w okolicy.

Edytowane 6 Września 2023 przez PawełKłak

Behlur_Olderys · 5 Września 2023

Ostrożnie z takimi ilustracjami!

PawełKłak · 6 Września 2023

13 godzin temu, Behlur_Olderys napisał(a):

Ostrożnie z takimi ilustracjami!

rzeczywiście trzeba uważać na taki sposób prezentowani linii widzenia, bo "płaskoziemcy" zinterpretują to po swojemu:)

Ta funkcja w tym programie ma poprawić czytelność, powierzchnia Ziemi jest wyprostowana, a jej krzywizna jest precyzyjnie oddana przez zakrzywienie linii widzenia. Zmienia się jedynie układ odniesienia, przebieg linii względem terenu pozostaje taki sam.

Edytowane 6 Września 2023 przez PawełKłak

Krzysztof z Bagien · 7 Września 2023

W dniu 5.09.2023 o 21:00, Behlur_Olderys napisał(a):

Ostrożnie z takimi ilustracjami!

PawełKłak · 20 Maja

Napisałem program do generowania widoków na podstawie wskazanych parametrów atmosfery oraz analizy danych widzialnościowych.

Na pierwszy rzut poszła analiza potencjału obserwacyjnego polskiego wybrzeża a dokładnie obserwacji masztu Ro i latarni Dueodde na duńskiej wyspie Bornholm oraz masztu Hörby w Szwecji odległego o ponad 230 km.

Miejsca obserwacji to wieża Kukinka oraz wieża w Koszalinie.

Na początek program pobrał nocne dane radiosondażowe atmosfery- z wypuszczanego co noc z Łeby balonu- z serwisu weather.uwyo.edu. Dane zostały pobrane dla każdego dnia od 2020 do 2024 r.

Kolejny skrypt pobrał dane widzialnościowe z serwisu ogimet dla stacji meteo w Koszalinie z wieczoru o zachodzie słońca.

Mając dane widzialnościowe oraz refrakcyjne dla każdego dnia pora na model terenu. Kolejny skrypt dodał obiekty (wspomiane maszty ) do modelu terenu.

W ten sposób powstało kilkaset plików konfiguracyjnych , które zostały podane jako parametr do generatora widoku autorstwa \"Fizyk od czapy\" https://github.com/fizyk20/atm-raytracer/tree/master. .

Po otrzymaniu plików z widokiem , kolejny skrypt przeanalizował wystąpienie na zdjęciu szukanego obiektu.

Zostało to wrzucone w arkusz kalkulacyjny. Dodatkowo podobne czynności wykonałem dla obserwacji Warszawy ( Varso i MArriotta ) z Łysej Góry.

Wszystkie te dane zostały następnie wrzucone w arkusz który tu przedstawiam.

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1jqQ5biZUGoroYZIVOdDcWQxSeLkKIk5DazEqtWyLLYE/edit?usp=sharing

Jakie informacje możemy z niego wyciągnąć?

Na przykład, takie, że w nocy nad polskim wybrzeżem kilkukrotnie w ciągu ostatnich 4 lat wystąpiły warunki termiczne w atmosferze (inwersja) oraz widzialnościowe, które umożliwiły obserwacje Bornholmu oraz Szwecji.

Teoretycznie i statystycznie warunki do obserwacji Bornholmu występują podobnie rzadko jak do obserwacji warszawskiego Varso z Łysej Góry , a trudność obserwacji Marriotta z gołoborza porównywalna jest do uchwyceniu masztu w Szwecji z wieży w Kukince.

Dlaczego o tym piszę? Bo od teorii można przejśc do praktyki.

Jeszcze nie dawno powątpiewano w możliwość obserwacji Warszawy z tak daleka, a jak wiemy ostatecznie takie fotografie udało się zrobić. Pora więc na polskie wybrzeże.