Оптические явления в атмосфере проект. Атлантическая дорога в Норвегии. Мираж сверхдальнего видения

Издавна миражи, мерцающие фигуры в воздушной среде настораживали и ужасали людей. В наши дни ученые раскрыли многие тайны природы, в том числе и оптических явлений. Их не удивляют природные загадки, суть которых давно изучена. В средней школе сегодня проходят оптические явления на физике в 8 классе, так что понять их природу может любой ученик.

Основные понятия

Ученые древности считали, что человеческий глаз видит благодаря ощупыванию предметов тончайшими щупальцами. Оптика в то время была учением о зрении.

В средневековье оптика изучала свет и его суть.

Сегодня оптика - это часть физики, изучающая распространение света по разнообразным средам и его взаимодействие с другими веществами. Все вопросы, касающиеся зрения, изучает физиологическая оптика.

Оптические явления же - это проявления разноплановых действий, совершаемых лучами света. Их изучает атмосферная оптика.

Необычные процессы в атмосфере

Планету Земля окружает газовая оболочка, называемая атмосферой. Ее толщина составляет сотни километров. Ближе к Земле атмосфера более плотная, по направлению вверх разрежается. Физические свойства атмосферной оболочки постоянно меняются, слои смешиваются. Изменяют температурные показатели. Плотность, степень прозрачности сдвигаются.

От Солнца и прочих небесных светил по направлению к Земле идут световые лучи. Они проходят через атмосферу Земли, которая для них служит специфической оптической системой, меняющей свои характеристики. отражаются, рассеиваются, проходят через атмосферу, освещают землю. При определенных условиях путь лучей изгибается, поэтому возникают разнообразные феномены. Наиболее оригинальными оптическими явлениями физики считают:

• закат солнечного светила;
• появление радуги;
• северное сияние;
• мираж;
• гало.

Рассмотрим их подробнее.

Гало вокруг Солнца

Само слово «гало» по-гречески означает «круг». Какое оптическое явление лежит в его основе?

Гало - это процесс светопреломления и отражения лучей, возникающий в облачных кристаллах высоко в атмосфере. Выглядит явление как светящиеся лучи около Солнца, ограниченные темным интервалом. Обычно гало образуются перед циклонами и могут быть их предвестниками.

Водные капли замерзают в воздухе и принимают правильную призменную форму с шестью сторонами. Все знакомы с сосульками, появляющимися в нижних атмосферных слоях. Наверху такие ледяные иголочки свободно опускаются в вертикальном направлении. Кристаллические льдинки кружатся, спускаются на землю, при этом они имеют параллельное расположение по отношению к земле. Человек направляет зрение через кристаллы, которые выступают в роли линз и преломляют свет.

Другие призмы получаются плоскими или выглядят как звезды с шестью лучами. Лучи света, попадая на кристаллы, могут не подвергнуться преломлению или испытать ряд других процессов. Редко случается, чтобы все процессы были хорошо видны, обычно та или иная часть явления проявляется отчетливее, а другие представлены слабо.

Малое гало - это окружность вокруг солнца с радиусом примерно в 22 градуса. Цвет круга - красноватый изнутри, далее перетекает в желтый, белый и смешивается с голубым небом. Внутренняя область круга темная. Он образуется в результате светопреломления в иглах изо льда, летающих в воздухе. Лучи в призмах отклоняются под углом 22 градуса, поэтому те из них, которые прошли через кристаллы, наблюдателю показываются отклоненными на 22 градуса. Поэтому представляется темным.

Красный цвет преломляется меньше, показывается наименее отклоненным от солнца. Далее следует желтый. Прочие лучи перемешиваются и предстают взгляду белыми.

Бывает гало с углом в 46 градусов, оно располагается вокруг гало в 22 градуса. Его внутренняя область также красноватая, потому что свет претерпевает преломление в ледяных иголках, повернутых к солнцу на 90 градусов.

Известно и 90-градусное гало, оно слабо светится, почти не имеет цвета или окрашено красным с внешней стороны. Ученые данную разновидность пока не изучили в полной мере.

Гало вокруг Луны и прочие виды

Это оптическое явление часто видно, если на небе легкие облака и множество миниатюрных кристаллических льдинок. Каждый такой кристалл является своеобразной призмой. В основном их форма - вытянутые шестигранники. Свет входит в переднюю кристаллическую область и, выходя в противоположную часть, преломляется на 22 градуса.

В зимнее время около уличных фонарей в холодном воздухе можно разглядеть гало. Оно появляется из-за света фонаря.

Вокруг Солнца гало может сформироваться и в морозном заснеженном воздухе. Снежинки витают в воздухе, свет проходит сквозь облака. В вечернем закате этот свет становится красным. В прошлые века суеверные люди приходили в ужас от подобных явлений.

Гало может выглядеть как круг радужного цвета вокруг Солнца. Оно появляется, если в атмосфере много кристаллов с шестью гранями, но они не отражают, а преломляют лучи солнца. Большая часть лучей при этом рассеивается, не добираясь до нашего взгляда. Остальные лучи достигают человеческих глаз, и мы замечаем радужную окружность вокруг Солнца. Его радиус - примерно 22 градуса или 46 градусов.

Ложное Солнце

Ученые отметили, что окружность гало всегда более яркая по боковым сторонам. Это объясняется тем, что здесь встречаются вертикальное и горизонтальное гало. В местах их пересечения могут появиться ложные солнца. Особенно часто это бывает, когда Солнце находится недалеко от горизонта, в это время часть вертикального круга мы уже не видим.

Ложное солнце - это тоже оптическое явление, разновидность гало. Появляется оно из-за ледяных кристаллов с шестью гранями, имеющих форму, напоминающую гвозди. Такие кристаллы витают в атмосфере в вертикальном направлении, свет преломляется в их боковых гранях.

Может образоваться и третье «солнце», если над истинным солнцем виднеется только поверхностная часть круга гало. Оно может быть отрезком дуги или светящимся пятном непонятной формы. Порой ложные солнца настолько яркие, что их не отличишь от настоящего Солнца.

Радуга

Это виде неполного круга с разными цветами.

Религии древности считали от неба к земле. Аристотель полагал, что радуга появляется из-за отражения капель солнечного света. Какое оптическое явление еще способно так радовать человека, как это делает радуга?

В XVII веке Декарт изучил природу радуги. Позднее Ньютон проводил эксперименты со светом и дополнил теорию Декарта, но не смог понять формирования нескольких радуг, отсутствия в них отдельных цветовых оттенков.

Полная теория радуги был представлена в XIX веке астрономом из Англии Д. Эри. Именно ему удалось раскрыть все процессы радуги. Разработанная им теория принимается и в наши дни.

Радуга появляется тогда, когда свет солнца попадает на завесу дождевой воды в области неба, обратной от Солнца. Центр радуги размещается в точке с обратной стороны Солнца, то есть она не видна глазу человека. Дуга радуги - это часть круга вокруг этой центральной точки.

Цвета в радуге размещаются в определенном порядке. Он постоянен. Красный - по верхнему краю, фиолетовый - по нижнему. Между ними цвета идут в строгой расстановке. В радуге имеются не все существующие цвета. Преобладание зеленого цвета говорит о переходе к благоприятной погоде.

Полярное сияние

Это свечение в верхних магнитных слоях атмосферы из-за взаимовлияния атомов и элементов солнечного ветра. Обычно сияния обладают зеленым или синим оттенками с вкраплениями розового и красного. Они могут иметь форму ленты или пятна. Их всплески часто сопровождают шумные звуки.

Мираж

Простые миражные обманы знакомы любому человеку. Например, при езде по нагретому асфальту мираж представляется как Это ни у кого не вызывает удивления. Какое оптическое явление объясняет появление миражей? Остановимся на этом вопросе поподробнее.

Мираж - это оптическое физическое явление в атмосфере, в результате которого глаз видит предметы, скрытые от взгляда в обычных условиях. Это объясняется преломлением светового луча при протекании сквозь воздушные слои. Объекты, находящиеся на значительном удалении, при этом могут подняться или опуститься относительно своего истинного местоположения, а могут искажаться и приобретать причудливые очертания.

Брокенский призрак

Это явление, при котором на закате или восходе солнечного светила тень человека, находящегося на возвышении, приобретает непостижимые масштабы, поскольку попадает на облака, находящиеся поблизости. Это объясняется отражением и преломлением световых лучей водными каплями в туманных условиях. Феномен назвали по имени одной из высот германских гор Гарц.

Огни святого Эльма

Это светящиеся кисти голубой или фиолетовой окраски на мачтах морских суден. Огни могут появляться на горных возвышенностях, на зданиях внушительной высоты. Это явление возникает благодаря электроразрядам на концах проводников из-за того, что возрастает электрическая напряжённость.

Таковы рассматриваемые на уроках 8 класса оптические явления. Поговорим об устройствах оптики.

Конструкции в оптике

Оптическими приборами считаются устройства, преобразующие световое излучение. Обычно эти приборы работают в видимом свете.

Все оптические устройства можно подразделить на два вида:

1. Приборы, в которых изображение получается на экране. Это фотоаппараты, киноаппараты, проекционные аппараты.
2. Устройства, взаимодействующие с глазом человека, но не образующие изображений на экране. Это лупа, микроскоп, телескопы. Эти приборы считаются визуальными.

Фотоаппарат - это оптико-механическое устройство, применяемое для получения изображений предмета на фотопленке. Конструкция фотоаппарата включает в себя камеру и линзы, образующие объектив. Объектив создает перевернутое уменьшенное изображение объекта, фиксируемое на пленке. Это происходит благодаря действию света.

Изображение сначала невидимо, но, благодаря проявляющему раствору, становится видимым. Это изображение называют негативом, в нем светлые места выглядят темными, и наоборот. С негатива делают позитив на светочувствительной бумаге. С помощью фотоувеличителя изображение увеличивают.

Лупа - это линза или система линз, предназначенная для увеличения предметов в процессе их рассматривания. Лупу располагают рядом с глазом, подбирают расстояние, с которого предмет видится четко. Применение лупы основано на увеличении угла зрения, под которым рассматривается предмет.

Чтобы получить большее угловое увеличение, используют микроскоп. В этом устройстве увеличение предметов происходит благодаря оптической системе, состоящей из объектива и окуляра. Сначала угол зрения увеличивается объективом, далее - окуляром.

Итак, мы рассмотрели основные оптические явления и приборы, их разновидности и особенности.

В древности миражи, полярные сияния, таинственные светящиеся огни и шаровые молнии пугали суеверных людей. Сегодня ученым удалось раскрыть тайны этих загадочных явлений, понять природу их возникновения.

Явления, связанные с отражением солнечного света

Все много раз видели, как после дождя или недалеко от бурного водного потока на небе появляется цветной мост - радуга. Радуга обязана своими красками солнечным лучам и капелькам влаги, взвешенным в воздухе. Когда свет попадает на каплю воды, он как бы распадается на различные цвета. В большинстве случаев капля отражает свет только один раз, но иногда свет отражается от капли дважды. Тогда па небе вспыхивают две радуги.

Многие путешественники в пустынях становились свидетелями другого атмосферного явления миража. Посреди пустыни появлялся оазис с пальмами, караван или корабль, движущиеся по небу. Это происходит, когда раскалённый над поверхностью воздух поднимается вверх. Его плотность с высотой начинает возрастать. Тогда изображение дальнего объекта может быть видно выше его реального положения.

В морозную погоду вокруг Солнца и Лупы появляются ярко выраженные кольца гало. Они образуются, когда свет отражается в кристаллах льда, находящихся довольно высоко в атмосфере, например в перистых облаках. С внутренней стороны гало может иметь яркую окраску и красноватый оттенок. Кристаллы льда иногда столь причудливо отражают солнечный свет, что на небе появляются другие иллюзии: два солнца, вертикальные столбы света или солнечные дуги. Вокруг Солнца и Луны иногда образуются ореолы - венцы. Венцы выглядят как несколько вложенных друг в друга колец. Они возникают в высококучевых и высокослоистых облаках. Цветной венец может появиться вокруг тени, отбрасываемой, например, самолётом на нижележащие облака.

Явления связанные с электричеством

В верхние слои часто попадают мельчайшие частички из космоса. Из-за их столкновения с частичками газов и пыли возникает полярное сияние - свечение неба со всполохами в полярных широтах Северного и Южного полушарий. Формы и цвета полярного сияния разнообразны. Продолжительность его может составлять от десятков минут до нескольких суток.

Перемещающиеся в кучево-дождевых облаках капли и ледяные кристаллы накапливают электрические заряды. От этого между облаками или между облаком и землёй возникает гигантская искра - молния, которая сопровождается громом. Скопление электричества в атмосфере иногда образует светящийся шар диаметром в десятки сантиметров это шаровая молния. Она перемещается вместе с движением воздуха и может взорваться при соприкосновении с отдельными предметами, особенно металлическими. Проникнув в дом, шаровая молния быстро движется по помещению, оставляя после себя выжженные места. Шаровая молния может вызвать серьёзные ожоги и гибель людей. Точного объяснения природы этого явления пока не существует.

Другое явление, связанное с электрическим свечением атмосферы, - огни святого Эльма. Ото свечение может наблюдаться в грозовую погоду на высоких шпилях башен, а также вокруг корабельных мачт. Оно пугало суеверных моряков, которые считали его дурным знаком.

Лицей Петру Мовилэ

Курсовая работа по физике на тему:

Оптические атмосферные явления

Работа ученицы 11А класса

Болюбаш Ирины

Кишинёв 2006 -

План:

1. Введение

а) Что такое оптика?

б) Виды оптики

2. Земная атмосфера, как оптическая система

3. Солнечный закат

а) Цветовое изменение неба

б) Солнечные лучи

в) Неповторимость солнечных закатов

4. Радуга

а) Образование радуги

б) Разнообразие радуг

5. Полярные сияния

а) Виды полярных сияний

б) Солнечный ветер, как причина возникновения полярных сияний

6. Гало

а) Свет и лёд

б) Кристаллики-призмы

7. Мираж

а) Объяснение нижнего («озерного») миража

б) Верхние миражи

в) Двойные и тройные миражи

г) Мираж сверхдальнего видения

д) Легенда альпийских гор

е) Парад суеверий

8. Некоторые загадки оптических явлений

Введение

Что такое оптика?

Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки о зрении превратилась в науку о свете. Этому способствовало изобретение линз и камеры-обскуры. В современное время оптика - это раздел физики, в котором исследуется испускание света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением, устройство и функционирование глаза, то они выделились в специальное научное направление, называемое физиологической оптикой.

Понятие "оптика", в совремённой науке, имеет многогранное значение. Это и атмосферная оптика, и молекулярная оптика, и электронная оптика, и нейтронная оптика, и нелинейная оптика, и голография, и радиооптика, и пикосекундная оптика, и адаптивная оптика, и многие другие явления и методы научных исследований, тесно связанные с оптическими явлениями.

Большинство из перечисленных видов оптики, как физическое явление, доступны нашему наблюдению только при использовании специальных технических устройств. Это могут быть лазерные установки, излучатели рентгеновских лучей, радиотелескопы, плазменные генераторы и многие другое. Но наиболее доступным и, вместе с тем, наиболее красочным оптическими явлениями являются атмосферные. Огромные по своим масштабам, они суть – порождение взаимодействия света и атмосферы земли.

Земная атмосфера, как оптическая система

Наша планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем атмосферой. Обладая наибольшей плотностью у земной поверхности и постепенно разрежаясь с поднятием вверх, она достигает толщины более сотни километров. И это не застывшая газовая среда с однородными физическими данными. Наоборот, атмосфера земли находится в постоянном движении. Под воздействием различных факторов, её слои перемешиваются, меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются на большие расстояния с различной скоростью.

Для лучей света, идущих от солнца или других небесных светил, земная атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оказываясь на их пути, она и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные явления. Наиболее необычные красочные из них это солнечный закат, радуга, северное сияние, мираж, солнечное и лунное гало.

Солнечный закат

Самым простым и доступным для наблюдения атмосферным явлением является закат нашего небесного светила – Солнца. Необычайно красочный, он никогда не повторяется. А картина неба и изменение её в процессе заката столь ярка, что вызывает восхищение у каждого человека.

Приближаясь к горизонту, Солнце не только теряет яркость, но и начинает постепенно менять свой цвет - в его спектре во все возрастающей степени подавляется коротковолновая часть (красные цвета). Одновременно начинает окрашиваться и небо. В окрестности Солнца оно приобретает желтоватые и оранжевые тона, а над противосолнечной частью горизонта появляется бледная полоса со слабо выраженной гаммой цветов.

К моменту захода Солнца, уже принявшего темно-красный цвет, вдоль солнечного горизонта вытягивается яркая полоса зари, окраска которой изменяется снизу вверх от оранжево-желтой до зеленовато голубой. Над ней раскидывается округлое яркое почти неокрашенное сияние. В то же время у противоположного горизонта начинает медленно подниматься синевато-серый тусклый сегмент тени Земли, окаймленный розовым поясом ( "Пояс Венеры").

По мере того как Солнце опускается глубже под горизонт, возникает быстро расплывающееся розовое пятно - так называемый "пурпурный свет" , достигающий наибольшего развития при глубине Солнца под горизонтом около 4-5 o . Облака и вершины гор заливают алые и пурпурные тона, а если облака или высокие горы находятся за горизонтом, то их тени протягиваются около солнечной стороны неба и становятся насыщеннее. У самого горизонта небо густо краснеет, а по ярко окрашенному небу от горизонта к горизонту тянутся светлые лучи в виде отчетливых радиальных полос ( "Лучи Будды"). Тем временем тень Земли быстро надвигается на небо, ее очертания становятся расплывчатыми, а розовое окаймление еле заметным. Постепенно пурпурный свет затухает, облака темнеют, их силуэты отчетливо выступают на фоне блекнущего неба и только у горизонта, там где скрылось Солнце, сохраняется яркий разноцветный сегмент зари. Но и он постепенно сокращается и бледнеет и к началу астрономических сумерек превращается в зеленовато-белесую узкую полосу. Наконец, исчезает и она - наступает ночь.

Описанную картину следует рассматривать лишь как типичную для ясной погоды. В действительности характер течения заката подвержен широким вариациям. При повышенной замутненности воздуха цвета зари обычно бывают блеклыми, особенно у горизонта, где вместо красных и оранжевых тонов иногда появляется только слабая бурая окраска. Нередко одновременные заревые явления развиваются по-разному в различных участках неба. Каждый закат обладает неповторимой индивидуальностью, и это следует рассматривать как одну из наиболее характерных их черт.

Крайняя индивидуальность течения заката и многообразие сопровождающих его оптических явлений зависит от различных оптических характеристик атмосферы - в первую очередь ее коэффициентов ослабления и рассеяния, которые по-разному проявляется в зависимости от зенитного расстояния Солнца, направления наблюдения и высоты наблюдателя.

Радуга

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды.

Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя – на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу и противосолнечной линией составляет 41º - 42º

В момент восхода солнца противосолнечная точка находится на линии горизонта, и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности.

Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около 52º и обратным расположением цветов.

Основная радуга образуется за счёт отражения света в каплях воды. А побочная радуга образуется в результате двукратного отражения света внутри каждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чем те, которые дают основную радугу, и цвета в побочной радуге располагаются в обратной последовательности.

Ход лучей в капле воды: а - при одном отражении, б - при двух отражениях

При высоте Солнца 41º главная радуга перестает быть видимой и над горизонтом выступает лишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца более 52º не видна и побочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах в околополуденные часы это явление природы никогда не наблюдается.

У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяющимися цветами, малые – дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли.

Подготовила ученица 11 «Б» класса

Лукьяненко Анастасия

Оптические явления в атмосфере

Миражи

Существует три класса миражей. Первый класс это нижние миражи. При таком виде миража, нижняя часть пустыни, т.е. небольшая полоска песка оптически превращается в некий водоём. Это можно увидеть, если находится на уровень выше этой полосы. Такие миражи самые распространённые. Второй вид миражей – верхние миражи. Это более редкое явление, к тому же менее живописные. Верхние миражи появляются на больших расстояниях и на большой высоте над уровнем горизонта. Третий класс миражей не поддаётся никакому объяснению, и уже многие годы учёные ломают голову над разгадкой этой тайны.

В чём же причина появления таких удивительных явлений? Это происходит благодаря удивительным играм света и воздуха. Вот как это понимать. Когда температура воздуха довольно высока, и она выше у поверхности земли, нежели в более высоких слоях, создаются благоприятные условия для возникновения миражей. Плотность воздуха уменьшается при повышении его температуры, и напротив. А, как известно, чем плотнее воздух, тем лучше он преломляет свет. Лучи, падающие с неба, имеют синий спектр, и часть из них преломляется, а другая достигает человеческого зрения и формирует общую картину видимого неба. Та часть лучей, которая преломилась, достигает земли впереди человека, и, преломляясь о её поверхность, также попадают в поле зрения человека. Эти лучи мы видим в голубом спектре, именно поэтому создаётся впечатление, что впереди нас синий водоём. Усиливает такое впечатление колеблющийся впереди нас нагретый воздух.

Если мираж возникает над поверхностью моря, то всё происходит с точностью до наоборот. Внизу, над гладью воды температура воздуха ниже, а с высотой – более высокая. При таком стечении обстоятельств возникают верхние миражи, при которых мы наблюдаем изображение того или иного предмета в небе.

Радуга.

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще очень мало знали об окружающем их мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, сто радуга – это улыбка богини Ириды. Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1-2 км., иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м. на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды. У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой.

Паргелии.

"Паргелий" в переводе с греческого – "ложное солнце". Это одна из форм гало на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца, расположенных на той же высоте над горизонтом, что и настоящее Солнце. Миллионы кристаллов льда с вертикальной поверхностью, отражающие Солнце, и образуют это красивейшее явление.

Паргелии можно наблюдать в тихую погоду при низком положении Солнца, когда значительное количество призм располагается в воздухе так, что их главные оси вертикальны, и призмы медленно опускаются как маленькие парашютики. В этом случае наиболее яркий преломленный свет поступает в глаз под углом 220 с граней, расположенных вертикально, и создает вертикальные столбы по обе стороны от Солнца по горизонту. Эти столбы могут быть в некоторых местах особо яркими, создавая впечатление ложного Солнца.

Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние. Невозможно передать словами красоту полярных сияний, переливающихся, мерцающих, пламенеющих на фоне темного ночного неба в полярных широтах.

В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярное сияние видно из космоса. И не просто видно, а видно гораздо лучше, чем с поверхности Земли, так как в космосе наблюдать полярное сияние не мешает ни солнце, ни облака, ни искажающее влияние нижних плотных слоёв атмосферы. По словам космонавтом, с орбиты МКС полярные сияния выглядят как огромные зелёные постоянно движущиеся амёбы.

Полярное сияние может длиться сутками. А может и всего несколько десятков минут.

Полярное сияние можно наблюдать не только на Земле. Считается, это атмосферы других планет (например, Венеры) также имеют возможность порождать полярные сияния. Природа полярных сияний на Юпитере и Сатурне по последним научным данным сходна с природой их земных собратьев.

1. Оптические явления в атмосфере были первыми оптическими эффектами, которые наблюдались человеком. С осмысления природы этих явлений и природы зрения человека начиналось становление проблемы света.

Общее число оптических явлений в атмосфере очень велико. Здесь будут рассмотрены лишь наиболее известные явления – миражи, радуга, гало, венцы, мерцания звёзд, голубой цвет неба и алый цвет зари . Образование этих эффектов связано с такими свойствами света как преломление на границах раздела сред, интерференция и дифракция.

2. Атмосферная рефракция – это искривление световых лучей при прохождении через атмосферу планеты . В зависимости от источников лучей различают астрономическую и земную рефракцию. В первом случае лучи идут от небесных тел (звёзд, планет), во втором случае – от земных объектов. В результате атмосферной рефракции наблюдатель видит объект не там, где он находится, или не той формы, какую он имеет.

3. Астрономическая рефракция была известна уже во времена Птолемея (2 в. н.э.). В 1604 г. И. Кеплер предположил, что земная атмосфера имеет независимую от высоты плотность и определённую толщину h (рис.199). Луч 1, идущий от звёзды S прямо к наблюдателю A по прямой, не попадёт в его глаз. Преломившись на границе вакуума и атмосферы, он попадёт в точку В .

В глаз наблюдателя попадёт луч 2, который при отсутствии преломления в атмосфере должен был бы пройти мимо. В результате преломления (рефракции) наблюдатель будет видеть звезду не в направлении S , а на продолжении преломлённого в атмосфере луча, то есть в направлении S 1 .

Угол γ , на который отклоняется к зениту Z видимое положение звезды S 1 по сравнению с истинным положением S , называют углом рефракции . Во времена Кеплера углы рефракции были уже известны по результатам астрономических наблюдений некоторых звёзд. Поэтому данную схему Кеплер использовал для оценки толщины атмосферы h . По его вычислениям получилось h » 4 км. Если считать по массе атмосферы, то это примерно в два раза меньше истинного.

В действительности плотность атмосферы Земли уменьшается с высотой. Поэтому нижние слои воздуха оптически плотнее, чем верхние. Лучи света, идущие наклонно к Земле, преломляются не в одной точке границы вакуума и атмосферы, как в схеме Кеплера, а искривляются постепенно на всём протяжении пути. Это подобно тому, как проходит луч света через стопу прозрачных пластинок, показатель преломления которых тем больше, чем ниже расположена пластинка. Однако суммарный эффект рефракции проявляется так же, как и в схеме Кеплера. Отметим два явления, обусловленные астрономической рефракцией.

а. Видимые положения небесных объектов смещаются к зениту на угол рефракции γ . Чем ниже к горизонту находится звезда, тем заметнее приподнимается её видимое положение на небосклоне по сравнению с истинным (рис.200). Поэтому картина звёздного неба, наблюдаемая с Земли, несколько деформирована к центру. Не смещается только точка S , находящаяся в зените. Благодаря атмосферной рефракции могут наблюдаться звёзды, находящиеся несколько ниже линии геометрического горизонта.

Значения угла рефракции γ быстро убывают с ростом угла β высоты светила над горизонтом. При β = 0 γ = 35" . Это максимальный угол рефракции. При β = 5º γ = 10" , при β = 15º γ = 3" , при β = 30º γ = 1" . Для светил, высота которых β > 30º, рефракционное смещение γ < 1" .

б. Солнце освещает больше половины поверхности земного шара . Лучи 1 - 1, которые должны были бы в отсутствие атмосферы касаться Земли в точках диаметрального сечения DD , благодаря атмосфере касаются её несколько раньше (рис.201).

Поверхности Земли касаются лучи 2 - 2, которые без атмосферы прошли бы мимо. В результате линия терминатора ВВ , отделяющая свет от тени, смещается в область ночного полушария. Поэтому площадь дневной поверхности на Земле больше площади ночной.

4. Земная рефракция . Если явления астрономической рефракции обусловлены глобальным преломляющим эффектом атмосферы , то явления земной рефракции обусловлены локальными изменениями атмосферы , связанными обычно с температурными аномалиями. Наиболее замечательными проявлениями земной рефракции являются миражи .

а. Верхний мираж (от фр. mirage ). Наблюдается обычно в арктических районах с прозрачным воздухом и с низкой температурой поверхности Земли. Сильное выстывание поверхности здесь обусловлено не только низким положением солнца над горизонтом, но и тем, что поверхность, покрытая снегом или льдом, отражает большую часть радиации в космос. В результате в приземном слое с приближением к поверхности Земли очень быстро понижается температура и увеличивается оптическая плотность воздуха.

Искривление лучей в сторону Земли оказывается иногда столь значительным, что наблюдаются предметы, находящиеся далеко за линией геометрического горизонта. Луч 2 на рис.202, который в обычной атмосфере ушёл бы в её верхние слои, в данном случае искривляется к Земле и попадает в глаз наблюдателя.

По-видимому, именно такой мираж представляет собой легендарные “Летучие голландцы” - призраки кораблей, находящихся в действительности на расстоянии в сотни и даже тысячи километров. Удивительно в верхних миражах то, что не наблюдается заметного уменьшения видимых размеров тел.

Например, в 1898 г. экипаж бременского судна “Матадор” наблюдал судно-призрак, видимые размеры которого соответствовали расстоянию 3-5 миль. В действительности, как позднее выяснилось, это судно находилось в это время на расстоянии около тысячи миль. (1 морская миля равна 1852 м). Приземный воздух не только искривляет световые лучи, но и фокусирует их как сложная оптическая система.

В обычных условиях температура воздуха с увеличением высоты падает. Обратный ход температуры, когда с увеличением высоты температура растёт, называют инверсией температуры . Температурные инверсии могут возникать не только в арктических зонах, но и в других, более низких по широте местах. Поэтому верхние миражи могут возникать всюду, где воздух достаточно чист и где возникают температурные инверсии. Например, миражи дальнего видения наблюдаются иногда на побережье Средиземного моря. Инверсия температуры создаётся здесь горячим воздухом из Сахары.

б. Нижний мираж возникает при обратном ходе температуры и наблюдается обычно в пустынях в жаркое время. К полудню, когда солнце высоко, песчаный грунт пустыни, состоящий из частиц твёрдых минералов, разогревается до 50 и более градусов. В то же время на высоте нескольких десятков метров воздух остаётся сравнительно холодным. Поэтому коэффициент преломления выше расположенных слоёв воздуха оказывается заметно больше по сравнению с воздухом возле земли. Это также приводит к искривлению лучей, но в обратную сторону (рис.203).

Лучи света, идущие от низко расположенных над горизонтом частей неба, находящихся напротив наблюдателя, постоянно искривляются кверху и попадают в глаз наблюдателя в направлении снизу вверх. В результате на их продолжении на поверхности земли наблюдатель видит отражение неба, напоминающее водную гладь. Это так называемый “озёрный” мираж.

Эффект ещё более усиливается, когда в направлении наблюдения находятся скалы, возвышенности, деревья, постройки. В этом случае они видны как острова посреди обширного озера. Причём виден не только предмет, но и его отражение. По характеру искривления лучей приземный слой воздуха действует как зеркало водной поверхности.

5. Радуга . Это красочное оптическое явление, наблюдающееся во время дождя, освещённого солнцем и представляющее собой систему концентрических цветных дуг .

Первую теорию радуги разработал Декарт в 1637 г. К этому времени были известны следующие опытные факты, относящиеся к радуге:

а. Центр радуги О находится на прямой, соединяющей Солнце с глазом наблюдателя (рис.204).

б. Вокруг линии симметрии Глаз - Солнце располагается цветная дуга с угловым радиусом около 42°. Цвета располагаются, считая от центра, в порядке: голубой (г), зелёный (з), красный (к) (группа линий 1). Это главная радуга . Внутри главной радуги имеются слабые разноцветные дуги красноватого и зеленоватого оттенков.

в. Вторая система дуг с угловым радиусом около 51° называется вторичной радугой. Её цвета значительно бледнее и идут в обратном порядке, считая от центра, красный, зелёный, голубой (группа линий 2) .

г. Главная радуга появляется лишь тогда, когда солнце находится над горизонтом под углом не более 42°.

Как установил Декарт, основной причиной образования главной и вторичной радуги является преломление и отражение световых лучей в каплях дождя. Рассмотрим основные положения его теории.

6. Преломление и отражение монохроматического луча в капле . Пусть монохроматический луч интенсивностью I 0 падает на сферическую каплю радиуса R на расстоянии y от оси в плоскости диаметрального сечения (рис.205). В точке падения A часть луча отражается, а основная часть интенсивностью I 1 проходит внутрь капли. В точке B большая часть луча проходит в воздух (на рис.205 вышедший в В луч не показан), а меньшая часть отражается и падает в точку С . Вышедший в точке С луч интенсивностью I 3 участвует в образовании главной радуги и слабых вторичных полос внутри главной радуги.

Найдём угол θ , под которым выходит луч I 3 по отношению к падающему лучу I 0 . Заметим, что все углы между лучом и нормалью внутри капли одинаковы и равны углу преломления β . (Треугольники ОАВ и ОВС равнобедренные). Сколько бы луч не “кружился” внутри капли, все углы падения и отражения одинаковы и равны углу преломления β . По этой причине любой луч, выходящий из капли в точках В , С и т.д., выходит под одним и тем же углом, равным углу падения α .

Чтобы найти угол θ отклонения луча I 3 от первоначального, надо просуммировать углы отклонения в точках А , В и С : q = (α – β) + (π – 2β) + (α - β) = π + 2α – 4β . (25.1)

Удобнее измерять острый угол φ = π – q = 4β – 2α . (25.2)

Выполнив расчёт для нескольких сот лучей, Декарт нашёл, что угол φ с ростом y , то есть по мере удаления луча I 0 от оси капли, сначала растёт по абсолютной величине, при y /R ≈ 0,85 принимает максимальное значение, а затем начинает убывать.

Сейчас это предельное значение угла φ можно найти, исследовав функцию φ на экстремум по у . Так как sinα = yçR , а sinβ = yçR ·n , то α = arcsin(yçR ), β = arcsin(yçRn ). Тогда

, . (25.3)

Разнеся члены в разные части равенства и возведя в квадрат, получаем:

, Þ (25.4)

Для жёлтой D -линии натрия λ = 589,3 нм показатель преломления воды n = 1,333. Расстояние точки А вхождения этого луча от оси y = 0,861R . Предельный угол для этого луча равен

Интересно, что точка В первого отражения луча в капле также максимально удалена от оси капли. Исследовав на экстре-мум угол d = p – α – ε = p – α – (p – 2β ) = 2β – α по величине у , получаем то же условие, у = 0,861R и d = 42,08°/2 = 21,04°.

На рис.206 показана зависимость угла φ , под которым из капли выходит луч после первого отражения (формула 25.2), от положения точки А входа луча в каплю. Все лучи отражаются внутри конуса с углом при вершине ≈ 42º.

Очень важно для образования радуги то, что лучи, вошедшие в каплю в цилиндрическом слое толщиной уçR от 0,81 до 0,90 , выходят после отражения в тонкой стенке конуса в угловых пределах от 41,48º до 42,08º. Снаружи стенка конуса гладкая (есть экстремум угла φ ), изнутри – рыхлая. Угловая толщина стенки ≈ 20 угловых минут. Для проходящих лучей капля ведёт себя как линза с фокусным расстоянием f = 1,5R . Входят в каплю лучи по всей поверхности первого полушария, отражаются назад расходящимся пучком в пространстве конуса с осевым углом ≈ 42º, а проходят через окно с угловым радиусом ≈ 21º (рис.207).

7. Интенсивность вышедших из капли лучей . Здесь будем говорить лишь о лучах, вышедших из капли после 1-го отражения (рис.205). Если луч, падающий на каплю под углом α , имеет интенсивность I 0 , то прошедший в каплю луч имеет интенсивность I 1 = I 0 (1 – ρ ), где ρ – коэффициент отражения по интенсивности.

Для неполяризованного света коэффициент отражения ρ можно вычислить по формуле Френеля (17.20). Поскольку в формулу входят квадраты функций от разности и суммы углов α и β , то коэффициент отражения не зависит от того, в каплю входит луч, или из капли. Поскольку углы α и β в точках А , В , С одинаковы, то и коэффициент ρ во всех точках А , В , С один и тот же. Отсюда, интенсивности лучей I 1 = I 0 (1 – ρ ), I 2 = I 1 ρ = I 0 ρ (1 – ρ ), I 3 = I 2 (1 – ρ ) = I 0 ρ (1 – ρ ) 2 .

В таблице 25.1 приведены значения углов φ , коэффициента ρ и отношения интенсивности I 3 çI 0 , вычисленные при разных расстояниях уçR входа луча для жёлтой линии натрия λ = 589,3 нм. Как видно из таблицы, при у ≤ 0,8R в луч I 3 попадает меньше 4 % энергии от падающего на каплю луча. И лишь начиная с у = 0,8R и более вплоть до у = R интенсивность вышедшего луча I 3 увеличивается в несколько раз.

Таблица 25.1
y /R	α ,º	β ,º	φ ,º	ρ	I 3 /I 0
0	0	0	0	0,020	0,019
0,30	17,38	12,94	16,99	0,020	0,019
0,50	29,87	21,89	27,82	0,021	0,020
0,60	36,65	26,62	33,17	0,023	0,022
0,65	40,36	29,01	35,34	0,025	0,024
0,70	44,17	31,52	37,73	0,027	0,025
0,75	48,34	34,09	39,67	0,031	0,029
0,80	52,84	36,71	41,15	0,039	0,036
0,85	57,91	39,39	42,08	0,052	0,046
0,90	63,84	42,24	41,27	0,074	0,063
0,95	71,42	45,20	37,96	0,125	0,095
1,00	89,49	48,34	18,00	0,50	0,125

Итак, лучи, выходящие из капли под предельным углом φ , имеют значительно большую по сравнению с другими лучами интенсивность по двум причинам. Во-первых, за счёт сильного углового сжатия пучка лучей в тонкой стенке конуса, а во-вторых, за счёт меньших потерь в капле. Лишь интенсивность этих лучей достаточна для того, чтобы вызвать в глазу ощущение блеска капли.

8. Образование главной радуги . При падении на каплю света вследствие дисперсии луч расщепляется. В результате стенка конуса яркого отражения расслаивается по цветам (рис.208). Фиолетовые лучи (l = 396,8 нм) выходят под углом j = 40°36", красные (l = 656,3 нм) – под углом j = 42°22". В этом угловом интервале Dφ = 1°46" заключён весь спектр выходящих из капли лучей. Фиолетовые лучи образуют внутренний конус, красные – внешний. Если освещённые солнцем дождевые капли видит наблюдатель, то те из них, лучи конуса которых попадают в глаз, видятся наиболее яркими. В итоге все капли, находящиеся по отношению к солнечно-му лучу, проходящему через глаз наблюдателя, под углом красного конуса, видятся красными, под углом зелёного -зелёными (рис.209).

9. Образование вторичной радуги происходит благодаря лучам, выходящим из капли после второго отражения (рис.210). Интенсивность лучей после второго отражения примерно на порядок меньше по сравнению с лучами после первого отражения и имеет примерно такой же ход с изменением уçR .

Лучи, выходящие из капли после второго отражения образуют конус с углом при вершине ≈ 51º. Если у первичного конуса гладкая сторона снаружи, то у вторичного изнутри. Между этими конусами практически нет лучей. Чем крупнее капли дождя, тем ярче радуга. С уменьшением размеров капель радуга бледнеет. При переходе дождя в морось с R ≈ 20 – 30 мкм радуга вырождается в белесоватую дугу с практически неразличимыми цветами.

10. Гало (от греч. halōs - кольцо) – оптическое явление, представляющее собой обычно радужные круги вокруг диска Солнца или Луны с угловым радиусом 22º и 46º. Эти круги образуются в результате преломления света находящимися в перистых облаках ледяными кристаллами, имеющими форму шестигранных правильных призм.

Снежинки, падающие на землю, очень разнообразны по форме. Однако кристаллики, образующиеся в результате конденсации паров в верхних слоях атмосферы, имеют, в основном, форму шестигранных призм. Из всех возможных вариантов прохождения луча через шестигранную призму наиболее важны три (рис.211).

В случае (а) луч проходит через противоположные парал-лельные грани призмы, не расщепляясь и не отклоняясь.

В случае (б) луч проходит через грани призмы, образующие между собой угол 60º, и преломляется как в спектральной призме. Интенсивность луча, выходящего под углом наименьшего отклонения 22º, максимальна. В третьем случае (в) луч проходит через боковую грань и основание призмы. Преломляющий угол 90º, угол наименьшего отклонения 46º. В обоих последних случаях белые лучи расщепляются, голубые лучи отклоняются больше, красные – меньше. Случаи (б) и (в) обуславливают появление колец, наблюдающихся в проходящих лучах и имеющих угловые размеры 22º и 46º (рис.212).

Обычно наружное кольцо (46º) ярче внутреннего и оба они имеют красноватый оттенок. Это объясняется не только интенсивным рассеиванием голубых лучей в облаке, но и тем, что дисперсия голубых лучей в призме больше, чем красных. Поэтому голубые лучи выходят из кристаллов сильно расходящимся пучком, из-за чего их интенсивность уменьшается. А красные лучи выходят узким пучком, имеющим значительно большую интенсивность. При благоприятных условиях, когда удаётся различать цвета, внутренняя часть колец красная, внешняя – голубая.

10. Венцы – светлые туманные кольца вокруг диска светила. Их угловой радиус много меньше радиуса гало и не превышает 5º. Венцы возникают вследствие дифракционного рассеяния лучей на образующих облако или туман водяных каплях.

Если радиус капли R , то первый дифракционный минимум в параллельных лучах наблюдается под углом j = 0,61∙lçR (см. формулу 15.3). Здесь l - длина волны света. Дифракционные картины отдельных капель в параллельных лучах совпадают, в результате интенсивность светлых колец усиливается.

По диаметру венцов можно определять размер капель в облаке. Чем крупнее капли (больше R ), тем меньше угловой размер кольца. Самые большие кольца наблюдаются от самых мелких капель. На расстояниях несколько километров дифракционные кольца ещё заметны, когда размер капель не менее 5 мкм. В этом случае j max = 0,61lçR ≈ 5 ¸ 6°.

Окраска светлых колец венцов проявляется очень слабо. Когда она заметна, то наружный край колец имеет красноватый цвет. То есть распределение цветов в венцах обратно распределению цветов в кольцах гало. Помимо угловых размеров это также позволяет различать венцы и гало между собой. Если в атмосфере присутствуют капли широкого спектра размеров, то кольца венцов, налагаясь друг на друга, образуют общее светлое сияние вокруг диска светила. Это сияние называют ореолом .

11. Голубой цвет неба и алый цвет зари . Когда Солнце находится выше горизонта, безоблачное небо видится голубым. Дело в том, что из лучей солнечного спектра в соответствии с законом Рэлея I расс ~ 1/l 4 наиболее интенсивно рассеиваются короткие синие, голубые и фиолетовые лучи.

Если Солнце находится низко над горизонтом, то его диск воспринимается багрово-красным по этой же причине. Благодаря интенсивному рассеянию коротковолнового света до наблюдателя доходят, в основном, слабо рассеивающиеся красные лучи. Рассеяние лучей от восходящего или заходящего Солнца особенно велико ещё потому, что лучи проходят большое расстояние вблизи поверхности Земли, где концентрация рассеивающих частиц особенно велика.

Утренняя или вечерняя заря – окрашивание близкой к Солнцу части неба в розовый цвет – объясняется дифракционным рассеянием света на кристалликах льда в верхних слоях атмосферы и геометрическим отражением света от кристаллов.

12. Мерцание звёзд – это быстрые изменения блеска и цвета звёзд, особенно заметные вблизи горизонта. Мерцание звёзд обусловлено преломлением лучей в быстро пробегающих струях воздуха, которые из-за разной плотности имеют разный показатель преломления. В результате слой атмосферы, через который проходит луч, ведёт себя как линза с переменным фокусным расстоянием. Она может быть как собирающей, так и рассеивающей. В первом случае свет концентрируется, блеск звезды усиливается, во втором – свет рассеивается. Такая перемена знака регистрируется до сотни раз в секунду.

Вследствие дисперсии луч разлагается на лучи разных цветов, которые идут по разным путям и могут расходиться тем больше, чем ниже звезда к горизонту. Расстояние между фиолетовыми и красными лучами от одной звезды может достигать у поверхности Земли 10 метров. В результате наблюдатель видит непрерывное изменение блеска и цвета звезды.