Что такое атмосферное оптическое явление. Представление об оптике. Как все происходит
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования.
"Казанский национальный исследовательский технологический университет"
На тему: Оптические явления в атмосфере
Выполнил работу: Зиннатов Рустам Рамилович
Проверил: Сальманов Роберт Салихович
1. Явления, связанные с преломлением света
2. Явления, связанные с дисперсией света
3. Явления, связанные с интерференцией света
Заключение
1. Явления, связанные с преломлением света
В неоднородной среде свет распространяется непрямолинейно. Если мы представим себе среду, в которой показатель преломления изменяется снизу вверх, и мысленно разобьем ее на тонкие горизонтальные слои, то, рассматривая условия преломления света при переходе от слоя к слою, заметим, что в такой среде луч света должен постепенно изменять свое направления.
Такое искривление световой луч претерпевает в атмосфере, в которой по тем или иным причинам, главным образом благодаря неравномерному нагреванию ее, показатель преломления воздуха изменяется с высотой.
Воздух обычно нагревается от почвы, поглощающей энергию солнечных лучей. Поэтому температура воздуха понижается с высотой. Известно также, что с высотой понижается и плотность воздуха. Установлено, что с увеличением высоты, показатель преломления уменьшается, поэтому лучи, идущие сквозь атмосферу искривляются, пригибаясь к Земле. Это явление получило название нормальной атмосферной рефракции. Вследствие рефракции небесные светила кажутся нам несколько "приподнятыми" (выше своей истинной высоты) над горизонтом.
Миражи делят на три класса.
К первому классу относят наиболее распространенные и простые по своему происхождению, так называемые озерные (или нижние) миражи, вызывающие столько надежд и разочарований у путников пустынь.
Объяснение этого явления простое. Нижние слои воздуха, разогретые от почвы, не успели еще подняться вверх; их показатель преломления света меньше, чем верхних. Поэтому лучи света, исходящие от предметов, изгибаясь в воздухе, попадают в глаз снизу.
Чтобы увидеть мираж, нет надобности ехать в Африку. Его можно наблюдать и в жаркий тихий летний день и у нас над разогретой поверхностью асфальтового шоссе.
Миражи второго класса называют верхними или миражами дальнего видения.
Они появляются в том случае, если верхние слои атмосферы окажутся по каким-либо причинам, например, при попадании туда нагретого воздуха, особенно разреженными. Тогда лучи, исходящие от земных предметов, искривляются сильнее и достигают земной поверхности, идя под большим углом к горизонту. Глаз же наблюдателя проецирует их в том направлении, по которому они входят в него.
Видимо в том, что большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря, повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей.
Верхние миражи наблюдаются и в северных странах, когда дуют теплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние - охлажденными из-за наличия больших масс тающих льдов и снегов.
Миражи третьего класса - сверхдальнего видения - трудно объяснить. Однако, высказывались предположения об образовании в атмосфере гигантских воздушных линз, о создании вторичного миража, то есть миража от миража. Возможно, что здесь играет роль ионосфера, отражающая не только радиоволны, но и световые волны.
2. Явления, связанные с дисперсией света
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 Ра 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.
Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают радугу более узкую, 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.
Впервые теория радуги была дана в 1637 году Р. Декартом. Он объяснил радугу как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.
Образование цветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложной природы белого света и его дисперсии в среде. Дифракционная теория радуги разработана Эри и Пертнером.
3. Явления, связанные с интерференцией света
Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В атмосфере присутствуют небольшие кристаллы воды, и когда их грани образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, того, кто наблюдает эффект, и кристаллы, на небе становится виден характерный белый ореол, окружающий Солнце. Так грани отражают лучи света с отклонением на 22°, образуя гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием "бриллиантовая пыль".
Наиболее известным примером большого гало является знаменитое, часто повторяющееся "Брокенское видение". Например, человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет. Свое название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, на которой, из-за частых туманов, можно регулярно наблюдать этот эффект.
Паргелии.
"Паргелий" в переводе с греческого - "ложное солнце". Это одна из форм гало (см. пункт 6): 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. преломление дисперсия интерференция свет
Полярные сияния наблюдают в двух основных формах - в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает несколько сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно отчетливо и резко очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний - постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.
Различают четыре типа полярных сияний:
1. Однородная дуга - светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;
2.Лучистая дуга - лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;
3.Лучистая полоса - с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;
4.При повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров (до сотни километров), нижний край ленты сияет розовым светом. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура являе6тся основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.
Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленого свечения всей полярной шапки. Такие сияния называются шквалами.
Заключение
Когда-то миражи "Летучий голландец" и "Фата Моргана" наводили ужас на моряков. В ночь на 27 марта 1898 года, среди Тихого океана экипаж судна "Матадор" был напуган видением, когда в штиль в полночь увидел в 2милях (3,2 км) судно, которое боролось с сильным штормом. Все эти события на самом деле происходили на расстоянии 1700км.
Сегодня все, кто знает законы физики, а точнее ее раздела оптика, могут объяснить все эти загадочные явления.
В своей работе я не описала все оптические явления природы. Их очень много. Мы любуемся голубым цветом неба, румяной зарей, пылающим закатом - эти явления объясняются поглощением и рассеянием солнечного света. Работая с дополнительной литературой, я убедилась, что на вопросы, которые возникают при наблюдениях за окружающим нас миром, можно всегда найти ответы. Правда, надо знать, основы естественных наук.
ВЫВОД: Оптические явления в природе объясняются преломлением или отражением света, либо волновыми свойствами света- дисперсией, интерференцией, дифракцией, поляризацией, либо квантовыми свойствами света. Мир загадочен, но познаваем
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Явления, связанные с преломлением, дисперсией и интерференцией света. Миражи дальнего видения. Дифракционная теория радуги. Образование гало. Эффект "бриллиантовая пыль". Явление "Брокенское видение". Наблюдение на небе паргелии, венцы, полярное сияние.
презентация , добавлен 14.01.2014
Что такое оптика? Ее виды и роль в развитии современной физики. Явления, связанные с отражением света. Зависимость коэффициента отражения от угла падения света. Защитные стёкла. Явления, связанные с преломлением света. Радуга, мираж, полярные сияния.
реферат , добавлен 01.06.2010
Представления об оптике, земная атмосфера как оптическая система. Оптические явления и их объяснение: цвет неба, гало, ложные солнца, светящийся столб, венцы, радуга, призраки Броккена, огни святого Эльма, блуждающие огоньки, миражи, полярные сияния.
реферат , добавлен 15.11.2009
Виды оптики. Земная атмосфера, как оптическая система. Солнечный закат. Цветовое изменение неба. Образование радуги, разнообразие радуг. Полярные сияния. Солнечный ветер, как причина возникновения полярных сияний. Мираж. Загадки оптических явлений.
курсовая работа , добавлен 17.01.2007
Изучение зеркальных оптических и атмосферных явлений. Полное внутреннее отражение света. Наблюдение на поверхности Земли происхождение миражей, радуги и полярного сияния. Исследование явлений, возникающих в результате квантовой и волновой природой света.
реферат , добавлен 11.06.2014
Земная атмосфера как оптическая система. Науки, занимающиеся изучением световых явлений в атмосфере. Цвет неба, паргелий (ложные солнца). Световой (солнечный) столб. Окологоризонтальная дуга или огненная радуга. Рассеянное свечение ночного неба.
презентация , добавлен 15.06.2014
Определение оптики. Квантовые свойства света и связанные с ними дифракционные явления. Законы распространения световой энергии. Классические законы излучения, распространения и взаимодействия световых волн с веществом. Явления преломления и поглощения.
презентация , добавлен 02.10.2014
Определение и сущность явления. Причины возникновения, классификация и разновидности миражей, их прогнозирование. Двойные и тройные миражи. Распространение и масштабы проявления. История открытия и наблюдений. Миражи сверхдальнего видения, фата-моргана.
реферат , добавлен 17.04.2013
Электродинамические явления в моделях климата: электрические заряды и электростатическое поле, механизмы их генерации и перераспределения в конвективном облаке. Возникновение грозовых разрядов как источника оксидов азота в атмосфере и пожароопасности.
курсовая работа , добавлен 07.08.2013
Мираж - оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко различными по плотности слоями воздуха. Классификация миражей на нижние, видимые под объектом, верхние и боковые. Возникновение и описание фата-моргана (искаженного изображения).
Электрические и оптические явления в атмосфере. Атмосферные явления. Электрические и оптические явления в атмосфере удивительные, а иногда опасные атмосферные явления.
Электрические явления в атмосфере.
3. Электрические явления это проявление атмосферного электричества (гроза, зарница, полярное сияние).
Гроза – сильные электрические разряды, происходящие в атмосфере. Сопровождается порывистым ветром, ливнем, вспышками яркого света (молнией) и резкими звуковыми эффектами (громом). Раскаты грома слышны на расстоянии до двадцати километров. Причиной являются кучево-дождевые облака. Электрические разряды могут возникать межу облаками, внутри самих облаков, между облаками и поверхностью земли. Гроза бывает фронтальной при движении холодного или теплого фронта воздушных масс или внутримассовой. Внутримассовая гроза образуется при местном прогревании воздуха. Гроза является очень опасным природным явлением для человека. По количеству унесенных человеческих жизней гроза находится на втором месте после наводнений. Любопытные ученые определили, что одновременно на Земле происходит полторы тысячи гроз. Каждую секунду возникает сорок шесть молний! Только на полюсах и в полярных районах не бывает грозы.
Зарница
это световое явление, при котором на короткое время освещаются молнией облака или горизонт. Сама молния не наблюдается. Причиной является далеко проходящая гроза (на расстоянии более двадцати километров). Гром при зарнице не слышен.
Полярное сияние
– разноцветное свечение ночного неба в высоких широтах. Причиной является значительное колебание магнитного поля Земли. При этом выделяется большое количество энергии. Длительность такого явления может составлять от нескольких минут до нескольких суток.
Оптические явления в атмосфере.
4. Оптические явления это результат дифракции (преломления) света от Солнца или Луны (мираж, радуга, гало).
Мираж это появление мнимого изображения действительно существующего предмета. Обычно мнимые предметы появляются в перевернутом виде или сильно искажены. Причиной является искривление лучей света из-за оптической неоднородности воздуха. Неоднородность атмосферы появляется при неравномерном нагреве воздуха на различной высоте.
Радуга
– большая разноцветная дуга на фоне дождевых облаков. У радуги внешняя часть красного цвета, а внутренняя – фиолетовая. Нередко с наружной стороны радуги появляется вторичная радуга, у которой обратное чередование цветов. Причиной возникновения является преломление и отражение лучей света в капельках водяного пара. Радугу можно наблюдать только в том случае, если солнце расположено низко над горизонтом.
Гало
– светлые красноватые дуги, круги, пятна, появляющиеся вокруг Солнца или Луны. Причиной возникновения является преломление и отражение лучей света от кристаллов льда в перисто-слоистых облаках.
5. Неклассифицированные атмосферные явления это все явления, которые трудно отнести к какому-нибудь другому виду (шквал, смерч, вихрь, мгла).
Шквал
это неожиданное и резкое усиление ветра в течение одной или двух минут. Ветер достигает скорости более 10 метров в секунду. Причиной является движение восходящих и нисходящих масс воздуха. Шквалу сопутствуют гроза, ливень и кучево-дождевые облака.
Вихрь
— это вращательное и поступательное движение больших масс воздуха. Диаметр вихря может достигать нескольких тысяч километров. Атмосферные вихри: циклон, тайфун.
Смерч
или торнадо – очень сильный вихрь, представляющий собой гигантскую воронку или столб из облака. Диаметр такого столба над водой может быть до 100 метров, а над землей до километра. Высота смерча достигает 10 километров.
Внутри воронки или столба, при вращении воздуха, образуется зона разреженного воздуха. Скорость движения воздуха в воронке пока не определена. Просто нет такого смельчака, рискнувшего попасть с приборами в воронку. Смерч втягивает в себя воду, песок, пыль, другие предметы и переносит их на значительные расстояния. Срок жизни смерча составляет от нескольких минут до полутора часов. Образуется в жару и исходит из кучево-дождевого облака. Люди пока полностью не определили механизм возникновения смерчей.
В школе изучает тему «Оптические явления в атмосфере» 6 класс. Однако она представляет интерес не только для пытливого детского ума. в атмосфере, с одной стороны, объединяют радугу, изменение цвета неба во время рассветов и закатов, не раз виденные всеми. С другой - в их число входят таинственные миражи, ложные Луны и Солнца, впечатляющие гало, в прошлом наводившие ужас на людей. Механизм образования некоторых из них до конца остается непонятным и сегодня, однако общий принцип, по которому «живут» оптические явления в природе, современная физика хорошо изучила.
Воздушная оболочка
Атмосфера Земли представляет собой оболочку, состоящую из смеси газов и простирающуюся примерно на 100 км над уровнем моря. Плотность воздушного слоя меняется по мере удаления от земли: наибольшее ее значение у поверхности планеты, с высотой оно уменьшается. Атмосферу нельзя назвать статичным формированием. Слои газовой оболочки постоянно двигаются, перемешиваются. Меняются их характеристики: температура, плотность, скорость перемещения, прозрачность. Все эти нюансы оказывают влияние на солнечные лучи, устремляющиеся к поверхности планеты.
Оптическая система
Процессы, происходящие в атмосфере, а также ее состав способствуют поглощению, преломлению и отражению световых лучей. Часть их достигает цели — земной поверхности, другая рассеивается или же перенаправляется обратно в космическое пространство. В результате искривления и распада части лучей на спектр и так далее образуются разнообразные оптические явления в атмосфере.
Атмосферная оптика
Во времена, когда наука только зарождалась, люди объясняли оптические явления исходя из сложившихся представлений об устройстве Вселенной. Радуга соединяла человеческий мир с божественным, появление на небе двух ложных Солнц свидетельствовало о приближающихся катастрофах. Сегодня большинство феноменов, пугавших наших далеких предков, получило научное объяснение. Изучением подобных феноменов занимается атмосферная оптика. Оптические явления в атмосфере эта наука описывает, основываясь на законах физики. Она способна объяснить, днем, а во время захода и рассвета меняет цвет, как образуется радуга и откуда берутся миражи. Многочисленные исследования и эксперименты сегодня позволяют понять такие оптические явления в природе, как появление светящихся крестов, Фата-моргана, радужные гало.
Синее небо
Цвет неба настолько привычен, что мы редко задумываемся, почему он такой. Тем не менее физикам ответ хорошо известен. Ньютон доказал, что при определенных условиях раскладывается на спектр. При прохождении атмосферы его часть, соответствующая синему цвету, рассеивается лучше. Красный участок характеризуется большей длинной волны и уступает фиолетовому по степени рассеивания в 16 раз.
При этом небо мы видим не фиолетовым, а голубым. Причина этого кроется в особенностях устройства сетчатки и соотношении участков спектра в солнечном свете. Наши глаза более чувствительны к синему, а фиолетовый участок в спектре светила менее интенсивный, чем синий.
Алый закат
Когда люди разобрались, оптические явления перестали быть для них свидетельством или предзнаменованием грозных событий. Однако научный подход не мешает получать от красочных закатов и нежных рассветов. Яркие красные и оранжевые цвета вместе с розовым и голубым постепенно уступают ночной темноте или утреннему свету. Невозможно наблюдать два одинаковых рассвета или заката. А причина этого кроется во все той же подвижности атмосферных слоев и смене погодных условий.
Во время закатов и рассветов солнечные лучи преодолевают более длинный путь до поверхности, чем днем. В результате рассеянный фиолетовый, синий и зеленый уходят в стороны, а прямой свет окрашивается в красный и оранжевый. Свою лепту в картину заката и рассвета вносят облака, пыль или частички льда, взвешенные в воздухе. Свет преломляется, проходя через них, и окрашивает небо в самые разные оттенки. На противоположном от Солнца участке горизонта нередко можно наблюдать так называемый Пояс Венеры — розовую полосу, разделяющую ночное темное небо и голубое дневное. Красивое оптическое явление, названное в честь римской богини любви, видно перед рассветом и после заката.
Радужный мост
Пожалуй, никакие другие световые явления в атмосфере не вызывают в памяти столько мифологических сюжетов и сказочных образов, сколько связаны с радугой. Дуга или окружность, состоящая из семи цветов, каждому известна с детства. Красивое атмосферное явление, возникающее во время дождя, когда солнечные лучи проходят сквозь капли, завораживает даже тех, кто досконально изучил его природу.
А физика радуги сегодня ни для кого не секрет. Солнечный свет, преломляясь каплями дождя или тумана, расщепляется. В результате наблюдатель видит семь цветов спектра, от красного до фиолетового. Границы между ними определить невозможно. Цвета плавно переходят друг в друга через несколько оттенков.
При наблюдении радуги солнце всегда располагается за спиной человека. Центр улыбки Ириды (так называли радугу древние греки) располагается на линии, проходящей через наблюдателя и дневное светило. Обычно радуга предстает в виде полуокружности. Ее размер и форма зависят от положения Солнца и точки, в которой находится наблюдатель. Чем выше светило над горизонтом, тем ниже опускается окружность возможного появления радуги. Когда Солнце преодолевает отметку в 42º над горизонтом, наблюдатель на поверхности Земли не может увидеть радугу. Чем выше над уровнем моря располагается человек, желающий полюбоваться улыбкой Ириды, тем вероятнее, что он увидит не дугу, но окружность.
Двойная, узкая и широкая радуга
Нередко вместе с основной можно увидеть так называемую побочную радугу. Если первая образуется в результате однократного отражения света, то вторая является результатом двойного. Кроме того, основная радуга отличается определенным порядком цветов: красный располагается на внешней стороне, а фиолетовый — на внутренней, которая ближе к поверхности Земли. Побочный же «мостик» представляет собой обратный по последовательности спектр: фиолетовый оказывается вверху. Происходит так потому, что при двойном отражении из капли дождя лучи выходят под другими углами.
Радуги различаются по интенсивности цвета и ширине. Самые яркие и довольно узкие появляются после летней грозы. Большие капли, характерные для такого дождя, рождают хорошо заметную радугу с отчетливо различимыми цветами. Малые капли дают более расплывчатую и менее заметную радугу.
Оптические явления в атмосфере: полярное сияние
Одно из самых красивых атмосферных оптических явлений — полярное сияние. Оно характерно для всех планет, обладающих магнитосферой. На Земле полярные сияния наблюдаются в высоких широтах обоих полушарий, в зонах, окружающих магнитные полюса планеты. Чаще всего можно видеть зеленоватое или сине-зеленое свечение, иногда дополненное по краям всполохами красного и розового. Интенсивное полярное сияние по форме напоминает ленты или складки ткани, при затухании превращающиеся в пятна. Полосы высотой в несколько сотен километров хорошо выделяются по нижнему краю на фоне темного неба. Верхняя граница полярного сияния теряется в вышине.
Эти красивые оптические явления в атмосфере еще хранят свои тайны от людей: до конца не изучен механизм возникновения некоторых видов свечения, причина возникающего во время резких всполохов треска. Однако общая картина формирования полярных сияний сегодня известна. Небо над северным и южным полюсами украшается зеленовато-розовым свечением, когда заряженные частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами верхних слоев земной атмосферы. Последние в результате взаимодействия получают дополнительную энергию и испускают ее в виде света.
Гало
Солнце и Луна нередко предстают перед нами окруженные свечением, напоминающим нимб. Это гало — хорошо заметное кольцо вокруг источника света. В атмосфере чаще всего оно образуется благодаря мельчайшим частичкам льда, составляющим высоко над Землей. В зависимости от формы и размеров кристаллов меняются характеристики явления. Часто гало приобретает вид радужного круга в результате разложения светового луча на спектр.
Интересная разновидность явления носит название паргелий. В результате преломления света в кристаллах льда на уровне Солнца образуется два светлых пятна, напоминающих дневное светило. В исторических хрониках можно встретить описания этого феномена. В прошлом оно часто считалось предвестником грозных событий.
Мираж
Миражи — это тоже оптические явления в атмосфере. Они возникают в результате преломления света на границе между значительно различающимися по плотности слоями воздуха. В литературе описано множество случаев, когда путник в пустыне видел оазисы или даже города и замки, которых быть поблизости не могло. Чаще всего это «нижние» миражи. Они возникают над ровной поверхностью (пустыня, асфальт) и представляют собой отраженное изображение неба, кажущееся наблюдателю водоемом.
Так называемые верхние миражи встречаются реже. Они образуются над холодной поверхностью. Верхние миражи бывают прямыми и перевернутыми, иногда совмещают оба положения. Самым известным представителем этих оптических феноменов является Фата-моргана. Это сложный мираж, совмещающий сразу несколько типов отражений. Перед наблюдателем предстают реально существующие объекты, многократно отраженные и перемешенные.
Атмосферное электричество
Электрические и оптические явления в атмосфере нередко упоминаются вместе, хотя причины их возникновения различны. Поляризация облаков и образование молний связаны с процессами, протекающими в тропосфере и ионосфере. Гигантские искровые разряды формируются обычно во время грозы. Молнии возникают внутри облаков, могут ударять в землю. Они являются угрозой для жизни людей, и это одна из причин научного интереса к подобным явлениям. Некоторые свойства молний до сих пор остаются загадкой для исследователей. Сегодня неизвестна причина возникновения шаровых молний. Как и в случае с некоторыми аспектами теории полярных сияний и миражей, электрические феномены продолжают интриговать ученых.
Оптические явления в атмосфере, кратко описанные в статье, с каждым днем становятся все более понятными для физиков. При этом они, как и молнии, не перестают восхищать людей своей красотой, таинственностью и порой грандиозностью.
Оптические явления в атмосфере
Атмосфера - это сложная смесь газов. В процессе рассеяния света участвуют молекулы, атомы газов, продукты конденсации и сублимации водяного пара, разнообразные твердые частички, взвешенные в воздухе. В результате атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оптические явления в атмосфере возникают в результате отражения,
преломления и дисперсии (белый свет разлагается на спектр),
атмосфера рассеяние гало рефракция
дифракции (отклонение световой волны от прямолинейного направления при прохождении через малые отверстия или при огибании малых препятствий) и интерференции (наложение) волн
Голубой цвет неба научно объяснен теорией Рэлея на основе закона молекулярного рассеяния. Он гласит: «интенсивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвёртой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу». Так как длина волны фиолетовых лучей в два раза меньше чем красных, они рассеиваются в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра войдут в состав рассеянного света в количестве, обратно пропорциональном четвёртой степени длины волны каждого из них. Смесь всех рассеянных лучей даёт голубой цвет.
Молекулярное Рэлеевское рассеяние - это частный случай аэрозольного рассеивания. Если размер частиц превышает 1/10 длины падающей волны, то оно переходит в аэрозольное рассеяние Ми (белёсое, красноватое небо). В полдень от Солнца доходят преимущественно длинноволновые лучи - красные, оранжевые, жёлтые лучи. При опускании Солнца к горизонту лучам приходится проходить в атмосфере больший путь. Потери коротковолновых лучей становятся заметными. И цвет Солнца при заходе становится оранжевым или красным.
Золотистый, оранжевый или красноватый оттенок неба над горизонтом получил название зари . Окраска небосвода зависит от примесей аэрозолей в воздухе. Золотистые оттенки свидетельствуют о небольшом количестве аэрозолей в воздухе, рассеивающих солнечный свет. Наличие водяного пара увеличивает рассеяние красных лучей в атмосфере.
Сумеречные лучи - это явление обусловлено контрастом между светом Солнца, рассеянным водяным паром в воздухе и тенью, бросаемой облаками, находящимися за горизонтом или невысоко над горизонтом.
Радуга и гало - явления, связанные с преломлением и отражением световых лучей в каплях и кристаллах облаков.
Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу обычно на расстоянии 1-2 км от наблюдателя. Иногда её можно наблюдать на расстоянии нескольких метров на фоне водяных капель. Центр радуги находится на одной прямой с глазом наблюдателя и с центром солнечного диска. Преломляясь в капле, луч разлагается на основные цвета. Внутренний цвет радуги фиолетовый, наружный красный. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от количества, размеров и деформации капель дождя. Крупные капли создают более узкую и яркую радугу, малые - дугу расплывчатую, блеклую и даже белую.
Образование главной радуги (с угловым радиусом около 42°) объясняется двойным преломлением и однократным внутренним отражением солнечных лучей, которым они подвергаются в водяных каплях.
Часто появляется вторая, менее яркая радуга, с угловым радиусом около 52° с обратным расположением цветов. Эта радуга образуется в результате двукратного преломления и отражения луча в капле. Гораздо реже с внутренней стороны первой радуги наблюдаются слабо окрашенные вторичные дуги
Многообразные формы гало можно разделить на две основные группы:
Гало, слегка окрашенные в радужные цвета. Это круги, касательные дуги к ним, световые пятна (ложные солнца);
Гало, не имеющие окраски - белые. Это - горизонтальный круг, столбы и кресты.
Явление первой группы получаются в результате преломления лучей в ледяных кристаллах, а явление второй группы - в результате отражения от их граней. Эти кристаллы находятся между наблюдателем и источником света летом в виде перистых облаков, а зимой, также в виде ледяной пыли, дымки или тумана. Разнообразие гало зависит от формы ледяных кристалликов, их ориентировки, движения, высоты Солнца над горизонтом.
Наиболее часто наблюдается гало радиусом в 22°, внутренняя часть которого красноватая, наружная - синеватая, небо внутри кольца, кажется темнее. Гало с радиусом в 46° - это более редкое явление. Вследствие большого размера это гало чрезвычайно редко наблюдается как полный круг, обычно видна только его часть. Радужный цвет гало возникает при разложении в ледяной призме белый световой луча.
Еще более редко наблюдаются сложные формы гало, когда оно состоит из нескольких кругов, касательных и косых дуг и ложных солнц или лун. Чаще наблюдаются верхние касательные-дуги к гало в 22 и 46 °. Они обращены выпуклостью к солнцу, бывают ярко окрашены, причем красный цвет обращен к Солнцу. Появляются, когда в облаке находятся кристаллики с различным расположением граней и преломляющих ребер.
Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Этот круг - результат отражения солнечных лучей от боковых граней шестигранных кристалликов льда, плавающих в воздухе в вертикальном положении.
Паргелии , или ложные солнца, - это ярко светящиеся пятна*, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического* круга с гало, имеющими угловые радиусы 22°, 46° и 90°. Иногда виден антелий (противосолнце) - яркое пятно, расположенное на кольце паргелия точно напротив Солнца. Предполагается, что причиной возникновения этого явления служит двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении.
Околозенитная дуга - это дуга в 90° или меньше с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она имеет яркие цвета, внешняя сторона дуги окрашена в красный цвет.
Солнечный столб явление очень частое, напоминающее меч . Возникает в результате отражения световых лучей от горизонтальных граней, ледяных пластинок, плавающих в воздухе. Крест. Это явление получается в результате пересечения столбов с белым горизонтальным кругом.
3) Венцы, глории, брокенские призраки, нимбы, иризация облаков возникают в результате дифракции и интерференции солнечных лучей.
Венцы светлые слегка окрашенные кольца внутренняя сторона которых голубая, внешняя - красная. Они окружают Солнце или Луну, которые просвечивают сквозь тонкие водяные облака. Венец может быть один, примыкающий к светилу (ореол), или несколько «дополнительных колец», разделенных промежутками. Венцы образуются крайними касательными лучами, падающими на поверхность сферической частицы (капельки облака или тумана, росы, песчинки). Причина появления венцов - дифракция света при прохождении его между капельками и кристаллами облака. Проходя через маленькие отверстия, луч света огибает края капельки и при этом разлагается на цветные лучи, которые по-разному отклоняются при искривлении луча у края отверстия. Размеры венца зависят от величины капель и кристаллов: чем больше капли (кристаллы), тем меньше венец, и наоборот. Если в облаке происходит укрупнение облачных элементов, радиус венца постепенно сокращается, при уменьшении размеров облачных элементов (испарение) - увеличивается.
При прохождении лучей внутрь частицы и некоторых углах (касательных) основная масса лучей почти полностью отражается и направляется назад, почти параллельно падающим лучам. Эти лучи создают дифракционную картину в обратном направлении. Поэтому глорию называют также «антивенец» или «антикорона». Брокенскии призрак образуется в пересечённой местности, когда солнце находится за спиной наблюдателя вокруг тени человека, падающей на вертикальную стену тумана. Ранним утром, как только встаёт солнце, на лугу, обильно покрытым росой, может появиться нимб , он образуется вокруг тени головы человека.
Иногда днем, отдельные части облаков перисто-кучевых или высококучевых облаков светятся цветами радуги, причем цвета эти переливаются подобно перламутру. Особенно интенсивна окраска у тонких краев облаков. Иризация облаков . Игра цветов получается потому, что облако движется и меняет свою плотность.
Оптические явления, наблюдаемые в атмосфере, тесно связаны с процессами, происходящими в ней, поэтому венцы и гало являются одним из основных местных признаков погоды.
Явления астрономической и земной рефракции , обусловленны преломлением световых лучей в атмосфере из-за неравномерного распределения температуры и плотности воздуха. Рефракция называется астрономической, если источник света находится за пределами атмосферы. Её следствия: мерцание звезд, искажение формы солнечного диска при восходе и заходе, увеличение продолжительности дня. В средних широтах (Москва, Санкт-Петербург) за счет рефракции день увеличивается обычно не более чем на 8-12 мин, на полюсах больше. При заходе или восходе, когда Солнце под горизонтом, рефракция его приподнимает, и день еще продолжается. Увеличение продолжительности дня зависит от высоты светила от широты места температуры и давления воздуха у поверхности Земли.
За счет рефракции солнечных лучей, при восходе и заходе искажается форма солнечного диска. Объясняется сплющивание Солнца тем, что нижний его край, касаясь горизонта, испытывает более сильную рефракцию, чем верхний. Мерцание звезд объясняется преломлением и частичной дисперсией лучей, идущих от звезды, в струях то теплого, то холодного воздуха, постоянно встречающихся на пути ее лучей в атмосфере.
Земная рефракция возникает в результате прохождении и преломления лучей от объектов находящихся внутри атмосферы в слоях воздуха разной плотности. Проявление земной рефракции, вызваны большими градиентами температур (более 3°С на 100 м) в атмосфере. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут исказиться и приобрести неправильные, фантастические формы. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету: верхние, нижние, боковые и сложные.
Нижний мираж: Образуется в результате отражения объектов или небосвода от сильно нагретого воздуха у поверхности земли. Наблюдаются в степях и пустынях.
Верхний мираж. Образуются в результате отражения объектов, находящихся за линией горизонта, от тёплого слоя воздуха расположенного над сильно выхоложенной поверхности Земли или моря. Благоприятные условия для них создаются в полярных районах или над холодными морями.
Боковой мираж. Возникает когда слои воздуха одинаковой плотности, располагаются в атмосфере не горизонтально, а наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздуха над ней ещё холодные.
Сложного вида миражи, или фата-моргана , возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража, например при значительной температурной инверсии на некоторой высоте над теплой водой, образуется слой холодного воздуха. В результате стекающего с прибрежных гор воздуха. Над морем возникают волшебные замки, которые меняются, растут, исчезают.
Необычные атмосферные явления наводили и наводят страх на мистически настроенных людей. Поэтому для формирования объективного мировоззрения у школьника эти вопросы можно рассмотреть на факультативных занятиях. Изучение природы оптических явлений, поможет объяснить научные основы физических процессов, удовлетворить познавательный интерес учащихся к изучению избранных областей знаний. Фотографии явлений могут использоваться в демонстрационных целях на уроках географии в школе. Вне всяких сомнений, каждому школьнику будет интересно расширить кругозор своих знаний в области изучения оптических явлений в природе.
Небесный свод загадывал человеку множество загадок, в процессе решения этих задач было сделано такое же множество новых открытий. Световой луч, проходя сквозь атмосферу нашей планеты, не просто освещает её, он придаёт ей неповторимый вид, делая её прекрасной.
Первая попытка объяснить радугу, как естественное явление была сделана в 1611 г архиепископом Антонио Доминисом, за что он был отлучён от церкви и приговорён к смертной казни, а его рукописи сожжены
Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт построил картину для 10 000 лучей. Оказалось, что при однократном отражении только небольшая группа лучей (они выделены сплошными линиями) выходит из капли компактным пучком, образуя угол около 42° с направлением падающих солнечных лучей, а при двукратном отражении - 52°. Все остальные (обозначенные пунктирными линиями) расходятся широким веером, рассеиваются. В честь первооткрывателя этот компактный пучок называют лучом Декарта .
На радугу расходуется менее 5% энергии падающего на каплю солнечного потока. При этом около 4% идет на образование первой радуги.
Каждый человек видит свою радугу. Расчёты показали, что радуги 3, 4, 7 и 8-го внутренних отражений располагаются вокруг Солнца, а 5, 6-го - вокруг антисолярной точки. Угловые размеры таких радуг могут уменьшаться до 30є 14ґ и 16є 51ґ. Однако, мы их практически не видим.
Рис. 5.
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:
- Приборы, в которых изображение получается на экране. Это фотоаппараты, киноаппараты, проекционные аппараты.
- 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.