Лицей Петру Мовилэ
Курсовая работа по физике на тему:
Оптическиеатмосферные явления
Работаученицы 11А класса
Болюбаш Ирины
¯ Кишинёв 2006 ¯
План:
1. Введение
а) Что такое оптика?
б) Виды оптики
2. Земная атмосфера, какоптическая 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 причинавозникновения 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, чтоиз глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают приощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именнотакой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки озрении превратилась в науку о свете. Этому способствовало изобретение линз икамеры-обскуры. В современное время оптика — это раздел физики, в которомисследуется испускание света, его распространение в различных средах ивзаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением,устройство и функционирование глаза, то они выделились в специальное научноенаправление, называемое физиологической оптикой.
Понятие«оптика», в совремённой науке, имеет многогранное значение. Это и атмосфернаяоптика, и молекулярная оптика, и электронная оптика, и нейтронная оптика, инелинейная оптика, и голография, и радиооптика, и пикосекундная оптика, иадаптивная оптика, и многие другие явления и методы научных исследований, тесносвязанные с оптическими явлениями.
Большинствоиз перечисленных видов оптики, как физическое явление, доступны нашемунаблюдению только при использовании специальных технических устройств. Этомогут быть лазерные установки, излучатели рентгеновских лучей, радиотелескопы,плазменные генераторы и многие другое. Но наиболее доступным и, вместе с тем, наиболеекрасочным оптическими явлениями являются атмосферные. Огромные по своим масштабам,они суть – порождение взаимодействия света и атмосферы земли.
Земная атмосфера, как оптическая система
Нашапланета окружена газовой оболочкой, которую мы называем атмосферой. Обладаянаибольшей плотностью у земной поверхности и постепенно разрежаясь с поднятиемвверх, она достигает толщины более сотни километров. И это не застывшая газоваясреда с однородными физическими данными. Наоборот, атмосфера земли находится впостоянном движении. Под воздействием различных факторов, её слоиперемешиваются, меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются набольшие расстояния с различной скоростью.
Длялучей света, идущих от солнца или других небесных светил, земная атмосферапредставляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами.Оказываясь на их пути, она и отражает часть света, рассеивает его, пропускаетего сквозь всю толщу атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, вопределённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей,вызывая, тем самим, различные атмосферные явления. Наиболее необычные красочныеиз них это солнечный закат, радуга, северное сияние, мираж, солнечное и лунноегало.
Солнечный закат
Самымпростым и доступным для наблюдения атмосферным явлением является закат нашегонебесного светила – Солнца. Необычайно красочный, он никогда не повторяется. Акартина неба и изменение её в процессе заката столь ярка, что вызываетвосхищение у каждого человека.
/>Приближаясь к горизонту,Солнце не только теряет яркость, но и начинает постепенно менять свой цвет — вего спектре во все возрастающей степени подавляется коротковолновая часть(красные цвета). Одновременно начинает окрашиваться и небо. В окрестностиСолнца оно приобретает желтоватые и оранжевые тона, а над противосолнечнойчастью горизонта появляется бледная полоса со слабо выраженной гаммой цветов.
Кмоменту захода Солнца, уже принявшего темно-красный цвет, вдоль солнечногогоризонта вытягивается яркая полоса зари, окраска которой изменяется снизувверх от оранжево-желтой до зеленовато голубой. Над ней раскидывается округлоеяркое почти неокрашенное сияние. В то же время у противоположного горизонтаначинает медленно подниматься синевато-серый тусклый сегмент тени Земли,окаймленный розовым поясом (/>«ПоясВенеры»).
/>По меретого как Солнце опускается глубже под горизонт, возникает быстро расплывающеесярозовое пятно — так называемый />«пурпурныйсвет», достигающий наибольшего развития при глубине Солнца подгоризонтом около 4-5o. Облака и вершины гор заливают алые ипурпурные тона, а если облака или высокие горы находятся за горизонтом, то ихтени протягиваются около солнечной стороны неба и становятся насыщеннее. У самогогоризонта небо густо краснеет, а по ярко окрашенному небу от горизонта к горизонтутянутся светлые лучи в виде отчетливых радиальных полос (/>«Лучи Будды»). Тем временем тень Землибыстро надвигается на небо, ее очертания становятся расплывчатыми, а розовое окаймлениееле заметным.
/>Постепеннопурпурный свет затухает, облака темнеют, их силуэты отчетливо выступают на фонеблекнущего неба и только у горизонта, там где скрылось Солнце, сохраняетсяяркий разноцветный сегмент зари. Но и он постепенно сокращается и бледнеет и кначалу астрономических сумерек превращается в зеленовато-белесую узкую полосу. Наконец,исчезает и она — наступает ночь.
Описаннуюкартину следует рассматривать лишь как типичную для ясной погоды. Вдействительности характер течения заката подвержен широким вариациям. При повышеннойзамутненности воздуха цвета зари обычно бывают блеклыми, особенно у горизонта,где вместо красных и оранжевых тонов иногда появляется только слабая бураяокраска. Нередко одновременные заревые явления развиваются по-разному в различныхучастках неба. Каждый закат обладает неповторимой индивидуальностью, и этоследует рассматривать как одну из наиболее характерных их черт.
Крайняяиндивидуальность течения заката и многообразие сопровождающих его оптическихявлений зависит от различных оптических характеристик атмосферы — в первуюочередь ее коэффициентов ослабления и рассеяния, которые по-разномупроявляется в зависимости от зенитного расстояния Солнца, направлениянаблюдения и высоты наблюдателя.
Радуга
/>Радуга – это красивое небесное явление – всегдапривлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали обокружающем мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние грекидумали, что радуга — это улыбка богини Ириды.
Радуганаблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков илидождя. 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.
/> Рисунок из работы Р. Декарта, поясняющий наблюдение радуги
Центррадуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя –на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу ипротивосолнечной линией составляет 41º — 42º
Вмомент восхода солнца противосолнечная точка находится на линии горизонта, ирадуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точкаопускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собойлишь часть окружности.
Частонаблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около52º и обратным расположением цветов.
Основная радуга образуется за счёт отражения света в каплях воды.А побочная радуга образуется в результате двукратного отражения света внутрикаждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чемте, которые дают основную радугу, и цвета в побочной радуге располагаются вобратной последовательности.
Ход лучей в капле воды: а — при одномотражении, б — при двух отражениях
/>
Привысоте Солнца 41º главная радуга перестает быть видимой и над горизонтом выступаетлишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца более 52º не видна ипобочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах в околополуденныечасы это явление природы никогда не наблюдается.
/>У радуги различают семьосновных цветов, плавно переходящих один в другой. Вид дуги, яркость цветов,ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие каплисоздают более узкую радугу, с резко выделяющимися цветами, малые – дугурасплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летомпосле грозового дождя, во время которого падают крупные капли.
Впервыетеория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, какявление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях. Образованиецветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложнойприроды белого света и его дисперсии в среде.
Образование радуги
Можнорассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучокпараллельных солнечных лучей. Луч, падающий на поверхность капли в точке А,преломляется внутри нее по закону преломления: nsinα=nsinβ, гдеn=1, n≈1,33 – соответственно показатели преломления воздуха иводы, α – угол падения, а β – угол преломления света.
/>Внутри капли идет по прямой луч АВ. В точке Впроисходит частичное преломление луча и частичное его отражение. Надо заметить,что, чем меньше угол падения в точке В, а следовательно и в точке А, тем меньшеинтенсивность отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча.
ЛучАВ после отражения в точке В происходит под углом β` = β попадает вточку С, где также происходит частичное отражение и частичное преломлениесвета. Преломленный луч выходит из капли под углом γ, а отраженный можетпройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпеваетмногократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая частьлучей света выходит наружу и интенсивность их внутри капли уменьшается.Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший изкапли в точке В. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне яркихпрямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупностина фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке Dдают вторичную радугу, которая менее интенсивна, чем первичная.
Прирассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление – неодинаковоепреломление волн света различной длины, то есть световых лучей разного цвета.Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углыпреломления γ и угла отклонения лучей в капле различны для лучей различнойокраски.
Радуга возникает вследствие дисперсии солнечных лучей в капелькахводы. В каждой капельке луч испытывает многократное внутреннее отражение, нопри каждом отражении часть энергии выходит наружу. Поэтому чем большевнутренних отражений испытают лучи в капле, тем слабее радуга. Наблюдать радугуможно, если Солнце находится позади наблюдателя. Поэтому самая яркая, первичнаярадуга формируется из лучей, испытавших одно внутреннее отражение. Онипересекают падающие лучи под углом около 42°. Геометрическим местом точек,расположенных под углом 42° к падающему лучу, является конус, воспринимаемыйглазом в его вершине как окружность. При освещении белым светом будетполучаться цветная полоса, причем красная дуга всегда выше фиолетовой.
Чащевсего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляютсяодновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и ещебольшее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно. Оказывается,что радуга может возникать не только от прямых лучей; нередко она появляется ив отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, большихрек и озер. Три-четыре радуги – обыкновенные и отраженные – создают подчаскрасивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идутснизу вверх, то радуга образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершеннонеобычно.
Неследует думать, что радугу можно наблюдать только днем. Она бывает и ночью,правда, всегда слабая. Увидеть такую радугу можно после ночного дождя, когдаиз-за туч выглянет Луна.
Некотороеподобие радуги можно получить на таком опыте: Нужно колбу, наполненнуюводой, осветить солнечных светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогдана доске отчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнениюс начальным направлением составит около 41°- 42°. В естественных условияхэкрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует этоизображение на облака.
Еслирадуга появляется вечером перед заходом Солнца, то наблюдают красную радугу. Впоследние пять или десять минут перед закатом все цвета радуги, кроме красного,исчезают, она становится очень яркой и видимой даже спустя десять минут послезаката.
Красивоезрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать при восходеСолнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму гиперболы.
Полярные сияния
/>Одним из красивейшихоптических явлений природы является полярное сияние.
Вбольшинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок сизредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.
Полярныесияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобныхпятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряяинтенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успевразбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминаягигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад натысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько сотен километров,толщина не превышает нескольких сотен метров, причем он так нежен и прозрачен,что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливоочерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий каймузанавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенноэффектное впечатление глубины пространства.
Различаютчетыре типа полярных сияний:
/>Однородная дуга– светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более яркаснизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;
Лучистаядуга – лента становится несколькоболее активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;
Лучистаяполоса – с ростом активности болеекрупные складки накладываются на мелкие;
Приповышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров, нижнийкрай ленты ярко сияет розовым свечением. Когда активность спадает, складкиисчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однороднаяструктура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастаниемактивности.
Частовозникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываютсяочень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности.Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами.
Пояркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на одинпорядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные иприблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого классаосвещают Землю так ярко, как полная Луна.
/>Надоотметить, что возникшее сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек.Верхние слои атмосферы в области вспышек сияний разогреваются и устремляютсявверх. Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи,захватывающие большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитныеполя, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучаетрентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможенияэлектронов в атмосфере.
Интенсивныевспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярныесияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет наусловия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается.Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.
Как возникают полярные сияния
/>
Земляпредставляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизисеверного географического полюса, а северный — вблизи южного. Силовые линиимагнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области,прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входятв него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокругЗемли.
Долгосчиталось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительноземной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» – потокпротонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетают на геомагнитную оболочку Землис высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя уЗемли своеобразный магнитный «хвост».
/>Электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли,движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию. Электроны ипротоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются надве части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярныеобласти Земли; другие попадают внутрь тероида и движутся внутри него, вдользамкнутой кривой. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиямтакже стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация.Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов.Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю сэнергиями 10000-20000 эв (1эв = 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20 эв.Для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода — 13,56эв, для азота – 124,47 эв, а для возбуждения еще меньше.
Возбужденныеатомы газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие того, какэто происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов.
/>Спектральное исследование показывает, что зеленое икрасное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное ифиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислородаи азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте200-400 км. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода,образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захвативэлектрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучаеткрасный свет.
Вспышкисияний происходят обычно через день-два после вспышек на Солнце. Этоподтверждает связь между этими явлениями. В последнее время ученые установили,что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.
/>Но научное объяснение всех явлений, связанных сполярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точномеханизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории воколоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическомбалансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свеченияразличных видов, неясно происхождение звуков.
Гало
Иногда Солнце выглядит так, как будто его видно через большую линзу.На самом деле, на изображении виден эффект миллионов линз: ледяных кристаллов.По мере того как вода замерзает в верхних слоях атмосферы, могут образовыватьсямаленькие, плоские, шестиугольные ледяные кристаллы льда. Плоскости этих кристаллов,которые кружась, постепенно опускаются на землю, большую часть времениориентированы параллельно поверхности. На восходе или закате, луч зрениянаблюдателя может проходить через эту самую плоскость, и каждый кристалл можетвести как миниатюрная линза, преломляющая солнечный свет. Совместный эффектможет приводить к появлению явления, называемого паргелия, или ложного солнца.В центре картинки видно Солнце и два хорошо заметных ложных солнца по краям.Позади домов и деревьев заметны гало ( гало — произносится с ударением на«о»), размером около 22 градуса, три солнечных колонны, и арку,созданные солнечным светом, отражаемый атмосферными ледяными кристаллами.
/>
Свет и лед
Исследователи давно обратили внимание на то, что при появлениигало солнце бывает затянуто дымкой – тонкой пеленой высоких перистых или перисто-слоистыхоблаков. Такие облака плавают в атмосфере на высоте шести – восьми километровнад землей и состоят из мельчайших кристалликов льда, которые чаще всего имеютформу шестигранных столбиков или пластинок.
Земная атмосфера не знает покоя. Ледяные кристаллики, опускаясь иподнимаясь в потоках воздуха, то подобно зеркалу отражают, то подобностеклянной призме преломляют падающие на них солнечные лучи. В результате этойсложной оптической игры и появляются на небе ложные солнца и другие обманчивыекартины, в которых при желании можно увидеть и огненные мечи, и все чтоугодно...
/>Как ужеговорилось, чаще других можно наблюдать два ложных солнца – по ту и по другуюсторону от настоящего светила. Иной раз появляется один светлый, слегка окрашенныйв радужные тона круг, опоясывающий солнце. А то после солнечного заката напотемневшем небе вдруг возникает огромный светящийся столб.
Не всякие перистые облака дают яркое, хорошо заметное гало. Дляэтого нужно, чтобы они были не слишком плотными (солнце просвечивается) и в тоже время в воздухе должно находиться достаточное количество ледяныхкристалликов. Впрочем, гало может появиться и в совсем чистом, безоблачномнебе. Это значит, что высоко в атмосфере плавает много отдельных ледяныхкристалликов, но без облачного образования. Так бывает в зимние дни, когдастоит ясная морозная погода.
...В вышине появился светлыйгоризонтальный круг, опоясывающий небо параллельно горизонту. Как он возник?
Специальные опыты (их неоднократно проводили ученые) и расчетыпоказывают: этот круг – результат отражения солнечных лучей от боковых гранейшестигранных кристалликов льда, плавающих в воздухе в вертикальном положении.Лучи солнца падают на такие кристаллики, отражаются от них, как от зеркала, ипопадают нам в глаза. А поскольку это зеркало особенное, оно составлено избесчисленной массы ледяных частиц и к тому же оказывается на какое-то время какбы лежащим в плоскости горизонта, то и отражение солнечного диска мы видим втой же плоскости. Получается два солнца: одно настоящее, а рядом с ним, но вдругой плоскости – его двойник в виде большого светлого круга.
Бывает, что такое отражение солнечного света от маленьких кристалликовльда, плавающих в морозном воздухе, порождает светящийся столб. Получается этопотому, что тут в игре света участвуют кристаллики в виде пластинок. Нижниеграни пластинок отражают свет скрывшегося уже за горизонтом солнца, и мы вместосамого солнца видим некоторое время уходящую в небо от горизонта светящуюсядорожку – искаженное до неузнаваемости изображение солнечного диска. Нечтоподобное каждый из нас наблюдал в лунную ночь, стоя на берегу моря или озера.Любуясь лунной дорожкой, мы видим на воде ту же игру света – зеркальноеотражение луны, сильно растянутое из-за того, что поверхность воды подернутарябью. Слегка волнующаяся вода отражает падающий на нее лунный свет так, что мывоспринимаем как бы многие десятки отдельных отражений луны, из них искладывается воспетая поэтами лунная дорожка.
/>Нередко можнопронаблюдать и за лунным гало. Это довольно частое зрелище и возникает оно, если небозатянуто высокими тонкими облаками с миллионами крошечных кристалликов льда.Каждый ледяной кристалл выступает в роли миниатюрной призмы. Большинство кристалловимеют форму вытянутых шестигранников. Свет входит через одну лицевуюповерхность такого кристалла и выходит через противоположную с угломпреломления 22º.
А понаблюдайте зимой за уличными фонарями, и вам, возможно, посчастливитсяувидеть гало, порожденное их светом, при определенных, конечно, условиях, аименно в морозном воздухе, насыщенном ледяными кристалликами или снежинками.Кстати говоря, гало от солнца в виде большого светлого столба может возникнутьи во время снегопада. Случаются зимой такие дни, когда снежинки как бы плаваютв воздухе, а сквозь неплотные облака упрямо пробивается солнечный свет. На фоневечерней зари этот столб выглядит иногда красноватым – будто отблеск далекогопожара. В прошлом такое вполне, как видим, безобидное явление приводило в ужассуеверных людей.
Кристаллики-призмы
/>Возможно,кто-то видел такое гало: светлое, окрашенное в радужные тона кольцо вокругсолнца. Этот вертикальный круг возникает тогда, когда в атмосфере находится многошестигранных ледяных кристалликов, не отражающих, а преломляющих солнечные лучиподобно стеклянной призме. При этом большинство лучей, естественно, рассеиваетсяи до наших глаз не доходит. Но какая-то их часть, пройдя сквозь эти находящиесяв воздухе призмочки и преломившись, до нас доходит, вот мы и видим радужныйкруг вокруг солнца. Радиус его около двадцати двух градусов. Бывает и больше –в сорок шесть градусов.
Почему радужный?
Как известно, проходя через призму, белый световой луч разлагаетсяна свои спектральные цвета. Поэтому-то образуемое преломленными лучами кольцовокруг солнца окрашивается в радужные тона: внутренняя его часть бываеткрасноватая, наружная – синеватая, причем внутри кольца небо кажется темнее.
Замечено, что гало-круг всегда более ярок по бокам. Это потому,что здесь пересекаются два гало – вертикальное и горизонтальное. И ложныесолнца образуются чаще всего именно в месте пересечения. Наиболее благоприятныеусловия для появления ложных солнц складываются тогда, когда солнце стоитневысоко над горизонтом и часть вертикального круга уже нам не видна.
Какие же кристаллики участвуют в этом«представлении»?
Ответ на вопрос дали специальные эксперименты. Оказалось, чтоложные солнца появляются благодаря шестигранным кристаллам льда, по своей форменапоминающим… гвозди. Они плавают в воздухе вертикально, преломляя свет своимибоковыми гранями.
Третье «солнце» появляется, когда над настоящим солнцем видна лишьодна верхняя часть гало-круга. Порой это отрезок дуги, иной раз светлое пятнонеопределенной формы. Иногда ложные солнца не уступают по яркости самомуСолнцу. Наблюдая их, древние летописцы и писали о трех солнцах, об отрубленныхогненных головах и т.п.
В связи с этим явлением в истории человечества зафиксированлюбопытный факт. В 1551 году немецкий город Магдебург был осажден войскамииспанского короля Карла V. Стойко держались защитники города, уже большегода длилась осада. Наконец раздраженный король отдал приказ готовиться крешительной атаке. Но тут произошло невиданное: за несколько часов до штурманад осажденным городом засияли три солнца. Смертельно напуганный король решил,что Магдебург защищают небеса, и приказал снять осаду.
Мираж
Простейшиемиражи видел любой из нас. Например, когда едешь по нагретой асфальтированнойдороге, далеко впереди она выглядит как водная поверхность. И подобное ужедавно никого не удивляет, ибо мираж – не что иное,как атмосферное оптическое явление,благодаря которому в зоне видимости появляются изображения предметов, которыепри обычных условиях скрыты от наблюдения. Происходит это потому, что свет припрохождении через слои воздуха разной плотностипреломляется. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми илиопущенными относительно их действительного положения, а также могут исказитьсяи приобрести неправильные, фантастические формы.
Избольшего многообразие миражей выделим несколько видов: «озерные» миражи,называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи,миражи сверхдальнего видения.
Объяснение нижнего («озерного») миража.
/>Озерные,или нижние миражи – самые распространенные.Они появляются,когда отдаленная, почтировная поверхность пустыни приобретаетвид открытой воды, особенно если смотреть с небольшого возвышения или просто находиться выше слоя нагретого воздуха. Подобнаяиллюзия возникает, как и на асфальтовой дороге.
Есливоздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотностьотносительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем вболее высоких воздушных слоях.
Всоответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности землибудут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращенавыпуклостью вниз. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадает вглаз наблюдателя, испытав искривление. А это означает, что наблюдатель увидитсоответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будетказаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубогонеба. Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы илииные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря искривлениюлучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующейводе. Дрожание изображения, обусловленной колебаниями коэффициента преломлениягорячего воздуха, создает иллюзию течения или волнения воды. Так возникаетиллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.
/>Каксообщалось в одной статье в Жур-
нале The New Yorker, пеликан, оказав-
шийся надгорячим асфальтовым шоссе
на СреднемЗападе США, едва не раз
бился, увидевперед собой такой «водя-
ной мираж».«Несчастная птица летела,
быть может,многие часы над сухой
пшеничнойстерней и неожиданно уви-
дела нечто,показавшееся ей длинной, черной, неширокой,но настоящей рекой – в самом сердце прерии. Пеликан ринулся вниз, чтобы поплаватьв прохладной воде – и потерял сознание, ударившись об асфальт». Нижеуровня глаз в этой «воде» могут появитьсяобъекты, обычно перевернутые. Над нагретой поверхностьюсуши формируется «воздушный слоеный пирог», причем ближайший к землеслой – самый нагретый и настолько разрежен, что световые волны, проходя черезнего, искажаются, так какскорость их распространения меняется в зависимости отплотности среды.
Верхние миражи
Верхниемиражи, или, как их еще называют, миражи дальнего виденияменее распространеныи более живописны по сравнению с нижними. Удаленные объекты (часто находящиесяза морским горизонтом) вырисовываются на небе вперевернутом положении, а иногда выше появляется еще и прямое изображение тогоже объекта. Это явление типичнодля холодных регионов, особенно при значительной температурной инверсии, когданад более холодным слоем находится более теплый слойвоздуха. Данный оптический эффект проявляется в результате распространенияфронта световых волн в слоях воздуха с неоднородной плотностью. Время отвремени возникают очень необычные миражи, особенно в полярных регионах. Когдамиражи возникают на суше, деревья и другие компонентыландшафта перевернуты. Во всех случаях в верхних миражах объекты видны болееотчетливо, чем в нижних. На земном шаре есть такие места, где переднаступлением вечера можно наблюдать горы, поднимающиеся над океанским горизонтом. Это действительногоры, только они находятся так дале/>ко, что ихнельзя видеть в нормальных условиях.В этих таинственных местах вскоре после полудня на горизонте начинает возникатьрасплывчатый контур гор. Он постепенно растет и передзаходом солнца быстро становитсярезким, отчетливым, так что можно даже различить отдельные вершины.
Верхниемиражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямое изображение, вдругих случаях в воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут бытьдвойными, когда наблюдаются два изображения, простое и перевернутое. Этиизображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться надлинией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг сдругом. Иногда возникает еще одно — третье изображение.
Двойные и тройные миражи
/>Если показательпреломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этомслучае лучи будут искривляться быстрее. В результате возникают два изображения.Световые лучи, распространяющиеся в пределах первой воздушной области, формируютперевернутое изображение объекта. Затем эти лучи, распространяются в основном впределах второй области, искривляются в меньшей степени и формируют прямоеизображение.
Чтобыпонять, как появляется тройной мираж, нужно представить три последовательныйвоздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломленияуменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломленияуменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления сновауменьшается медленно. Сначала лучи формируют нижнее изображение объекта,распространяясь в пределах первой воздушной области. Далее лучи формируютперевернутое изображение; попадая во вторую воздушную область, эти лучииспытывают сильное искривление. Затем лучи формируют верхнее прямое изображениеобъекта.
Мираж сверхдальнего видения
Природаэтих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной,свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоватьсяустойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностьюземли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч,попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, должен быть, как бы “запертым”внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду.
Какова природафата-морганы – красивейшего из миражей? Когда надтеплой водой образуется слой холодного воздуха, над морем возникают волшебныезамки, которые меняются, растут, исчезают. Легенда гласит, что эти замки –хрустальная обитель феи Морганы. Отсюда и название.
Еще болеетаинственное явление — хрономиражи. Никакимиизвестными законами физикинельзя объяснить, почему миражи могут отражать события, происходящие на некоторомрасстоянии не только в пространстве, но и во времени. Особую известность получилимиражи когда-то прошедших на земле сражений и битв. Вноябре 1956 года несколькотуристов заночевали в горах Шотландии. Часа в три утра они проснулись отстранного шума, выглянули из палатки и увидели десятки шотландских стрелков встаринной военнойформе, которые, стреляя, бежали через каменистое поле! Потом видение исчезло, не оставив никаких следов, но уже черезсутки повторилось. Шотландские стрелки,все израненные, брели по полю, спотыкаясь о камни. Они, видимо, были разбиты всражении и отступали.
/>И это не единственное свидетельствоподобного явления. Так, знаменитую битву при Ватерлоо (18 июня 1815 года)наблюдали неделю спустя жители бельгийского городка Вервье. К. Фламмарион в своей книге «Атмосфера» описываетпример подобного миража: «Опираясь на свидетельства нескольких лиц,заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городеВервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небевойско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже,например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утросражения при Ватерлоо!» Описанный мираж изображен в виде цветной акварелиодним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляетболее 100 км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на большихрасстояниях – до 1000 км. «Летучего голландца» следует отнести именно к такиммиражам.
Одну изразновидностей хрономиража ученые назвали «дроссолидес», что в переводе с греческого означает «капельки росы».Замечено, что хрономиражи чаще всего возникаютв предутренние часы, когда в воздухе конденсируются капельки тумана. Самый известный«дроссолидес» достаточно регулярно происходит на побережье островаКрит в середине лета, обычно в предутренние. Естьмножество показаний очевидцев, которые наблюдали, как над морем возле замкаФранка-Кастелло возникает огромное «батальное полотно» – сотни людей,сошедшихся в смертельной схватке. Слышны крики, звон оружия.В годы Второй мировой войны «битвапризраков» жутко напугала немецких солдат, воевавших тогда на Крите. Немцыоткрыли шквальный огонь из всех видов оружия, но не причинили фантомам никакоговреда. Загадочный мираж медленно надвигается со стороны моря и исчезает в стенах замка. Историки говорят, что в этом месте примерно 150лет назад произошла битва между греками и турками, ее изображение, заблудившеесяво времени, инаблюдаетсянад морем. Это явление довольно часто можнонаблюдать в середине лета, в ранние часы.
Кстати, сегодня нередко очевидцы наблюдают не только сраженияминувших времен и некогда существовавшие города-призраки, ноавтомобили-фантомы. Несколько лет назад компания австралийцев встретила наночной дороге разбившийся там когда-то автомобильпод управлением их погибшего приятеля. Однако впризрачной машине сидел не только он, но и его юная подружка, которая в тойкатастрофе уцелела и ныне пребывала в добром здравии, став солидной дамой.
Какова же природа подобных миражей?
По одной изтеорий, при особом стечении природных факторовзрительная информациязапечатлевается во времени и пространстве. А при совпадении определенных атмосферных,погодных и т.п. условий она вновь становится зримой для посторонних наблюдателей.По другой теории – в районе битв, в которых участвуют(и гибнут) тысячи людей,накапливается огромная психическая энергия. В определенных условиях она«разряжается» изримо проявляет былые события.
А вообще,древние египтяне, например, считали, что мираж – это призрак страны, которойбольше нет на свете.
Легенда альпийских гор
Группа туристов поднималась на одну из горных вершин. Люди всебыли молодые, за исключением проводника, старика-горца. Сначала все шли быстрои бодро. Но чем выше забирались альпинисты, тем труднее становилось идти. Скорокаждый из них почувствовал сильную усталость. Только проводник шел, как ипрежде, ловко перепрыгивал через расщелины, быстро и легко взбирался на выступыскал.
Вокруг открывалась замечательная картина. Всюду, куда хваталоглаз, высились заснеженные пики гор. Ближние из них сверкали в лучахослепляющего солнца. Далекие пики казались голубоватыми. Вниз уходили крутыескаты, переходящие в ущелья. Яркими пятнами выделялись светло-зеленыеальпийские луга.
Наконец они достигли одного из боковых пиков горы, на которуювзбирались. Солнце уже опустилось к горизонту, и его лучи падали на людей снизувверх. И тут случилось неожиданное.
Одиниз молодых людей перегнал проводника и первым поднялся на вершину. В тот жемомент, как он ступил на скалу, на востоке, на фоне облаков, показаласьгромадная тень человека. Она была видна настолько ясно, что люди остановилиськак по команде. Но проводник спокойно посмотрел на гигантскую тень, назастывших в испуге молодых людей и, усмехнувшись, сказал:
– Не бойтесь! Это бывает, – и тоже поднялся на скалу.
Когда он встал рядом с туристом, в облаках появилась еще однабольшая тень человека.
Проводник снял с себя теплую войлочную шляпу и помахал ею. Одна изтеней повторила его движение: огромная рука поднялась к голове, сняла шляпу ипомахала ею. Молодой человек поднял кверху свою палку.То же самое проделала егоисполинская тень. После этого каждый из туристов захотел, конечно, взобратьсяна скалу и увидеть в воздухе свою тень. Но скоро облака закрыли уходящее загоризонт солнце, и необыкновенные тени исчезли.
Парад суеверий
Теперь уже, думается, нетрудно будет понять, как возникают на небесветящиеся кресты, которые и в наш век пугают иных людей.
Разгадка здесь в том, что не всегда мы видим на небе ту или инуюформу гало полностью. Зимой, при больших морозах, как уже было сказано, по обестороны солнца появляются два светлых пятна – части вертикального гало-круга.Так бывает и с проходящим через солнце горизонтальным кругом. Чаще всего видналишь та его часть, которая примыкает к светилу, – на небе видны как бы двасветлых хвоста, тянущихся от него вправо и влево. Части вертикального игоризонтального кругов при этом пересекаются и образуют как бы два креста пообе стороны от солнца.
В другом случае мы видим у солнца часть горизонтального круга,пересекающегося светящимся столбом, который от солнца идет кверху и книзу. Иснова образуется крест.
Наконец, бывает и так: на небе после захода солнца виднысветящийся столб и верхняя часть вертикального круга. Пересекаясь, они тожедают />изображениебольшого креста. А порой такое гало напоминает старинный рыцарский меч. И еслион еще окрашен зарей, то вот вам окровавленный меч – грозное будто бынапоминание небес о грядущих бедах!
Научное объяснение гало – яркий пример того, как обманчива бываетпорой внешняя форма какого-либо природного явления. Кажется, что-то крайнезагадочное, таинственное, а разберешься – от «необъяснимого» не остается иследа.
Легко сказать – разберешься! На это уходили годы, десятилетия,века. Сегодня каждый человек, заинтересовавшись чем-либо, может заглянуть всправочник, полистать учебник, погрузиться в изучение специальной литературы.Спросить, наконец! А были ли такие возможности в средние, скажем, века? Ведьтогда и знаний таких еще не накопили, и наукой занимались одиночки.Господствующим мировоззрением была религия, а привычным мироощущением – вера.
Французский ученный К. Фламмарион просмотрел под этим угломзрения исторические хроники. И вот что выяснилось: составители хроник нискольконе сомневались в существовании прямой причинной связи между таинственнымиявлениями природы и делами земными.
В 1118 году, в царствование короля английского Генриха I, нанебе появились одновременно две полные луны, одна на западе, а другая навостоке. В том же году король победил в битве.
В 1120 году среди кроваво-красных облаков появились крест ичеловек, состоявшие из пламени. В том же году шел кровавый дождь; все ожидалисветопреставления, но дело кончилось только гражданской войной.
В 1156 году несколько часов подряд блестели вокруг солнца трирадужных круга, а когда они исчезли, возникли три солнца. Составитель хроникиусмотрел в этом явлении намек на ссору короля с епископом Кентерберийским вАнглии и на разрушение после семилетней осады Милана в Италии.
В следующем году опять появились три солнца, а посредине луны былвиден белый крест; понятное дело, летописец это тотчас связал с раздорами,сопровождавшими избрание нового папы римского.
В январе 1514 года в Вюртемберге были видны три солнца, из коихсреднее больше боковых. В то же время на небе появлялись окровавленные ипылающие мечи. В марте того же года опять были видны три солнца и три луны.Тогда же турки были разбиты персами в Армении.
В 1526 году ночью в Вюртемберге были видны в воздухе окровавленныевоинские доспехи...
В 1532 году около Инсбрука видели в воздухе чудесные изображенияверблюдов, волков, изрыгающих пламя, и, наконец, льва в огненном круге...
Были ли все эти явления на самом деле – не так уж для нас теперь важно.Важно, что с их помощью, на их основе истолковывались реальные историческиесобытия; что люди смотрели тогда на мир сквозь призму своих />искаженных представлений и потому видели то,что хотели видеть. Их фантазия порой не знала границ. Фламмарион назвал невероятныефантастические картины, нарисованные авторами хроник, «образчиками артистическогопреувеличения». Вот один из таких «образчиков»:
«… В 1549 году луна была окружена гало и параселенами (ложнымилунами), около которых видели огненного льва и орла, разрывающего собственнуюгрудь. Вслед за этим появились горящие города, верблюды, Иисус Христос накресле с двумя разбойниками по бокам и, наконец, целое собрание – по-видимому, апостолов.Но последняя перемена явлений была всего ужаснее. В воздухе появился громадногороста человек, жестокого вида, угрожавший мечом молодой девушке, котораяплакала у его ног, прося помилования...»
Какие нужны были глаза для того, чтобывидеть все это!
Некоторые загадки оптических явлений
Цвет на стекле
Зимнийвечер. Небольшой мороз – около 10°. Вы едете в трамвае (или в автобусе – всёравно). Окно начинает замерзать. Сквозь стекло уже ничего не разберёшь, но светфонарей очень чёток. И вот в какой-то момент свет уличного фонаря вызывает на замёрзшемокне чудесную игру красок. Оттенки настолько чисты и красивы, что никакойхудожник не может их точно воспроизвести. Через несколько секунд слой льда наокне достигает толщины в несколько десятых долей миллиметра и цвета пропадают.Но это не беда. Сотрите рукой намёрзший слой и повторите наблюдение — цветавновь появятся.
Обратитевнимание: фонарь с лампой накаливания даёт пурпурно-изумрудный ореол, а лампадневного света (ртутно-кварцевая) окружена ореолом жёлто-фиолетовых цветов.
Этофизическое явление ещё мало изучено, и точного объяснения его нет, однако можнопредположить, что игру цвета вызывает интерференция (сложение света, отражённогоот верхней и нижней поверхностей тончайшего слоя замёрзших на оконном стеклепаров влаги).
Этоявление сродни тому, какое мы наблюдаем, рассматривая переливающийся всемицветами радуги мыльный пузырь.
Цветные кольца
Начертитечёрной тушью на листе плотной бумаги круг, на котором расположены полукруг идуговые полосы. Наклейте её на картон и сделайте волчок. При вращении этоговолчка вместо чёрных рисунков появятся разноцветные кольца (фиолетовый,розовый, голубой или зелёный, фиолетовый). Порядок расположения их меняется взависимости от направления вращения волчка. Опыт лучше проводить при электрическомосвещении.
Еслибы этот опыт показать по телевидению, то эффект был бы тот же: на экране чёрно-белоготелевизора вы увидели бы разноцветные кольца. Почему так получается – неизвестно.Учёные ещё не нашли объяснение этому явлению.
Вывод:Физическая природа света интересовала людей снезапамятных времён. Многие выдающиеся ученные, на всём протяжении развитиянаучной мысли, бились над решением этой проблемы. Со временем, была открыта исложность обыкновенного белого луча, и его способность менять своё поведение взависимости от окружающей среды, и его умение проявлять признаки, присущие каквещественным элементам, так и природе электромагнитных излучений. Световой луч,подвергнутый различным техническим воздействиям, стал применяться в науке итехнике в диапазоне от режущего инструмента, способного с точностью до микрона обработатьнужную деталь, до невесомого канала передачи информации с, практически,неисчерпаемыми возможностями.
Но,прежде чем утвердился совремённый взгляд на природу света, и световой луч нашёлсвоё применение в жизни человека, были выявлены, описаны, научно обоснованы иэкспериментально подтверждены многие оптические явления, повсеместновозникающие в атмосфере земли, от известной каждому радуги, до сложных,периодических миражей. Но, не смотря на это, причудливая игра света всегдапривлекала и привлекает человека. Никого не оставляет равнодушным ни созерцаниезимнего гало, ни яркого солнечного заката, ни широкой, в пол неба, полосысеверного сияния, ни скромной лунной дорожки на водной глади. Световой луч, проходясквозь атмосферу нашей планеты, не просто освещает её, но и придаёт ейнеповторимый вид, делая прекрасной.
Конечно,в атмосфере нашей планеты происходит значительно больше оптических явлений, окоторых говориться в этом реферате. Среди них есть как хорошо знакомые нам иразгаданные учёными, так и те, которые ещё ждут своих первооткрывателей. И намостаётся лишь надеяться, что, со временем, мы станем свидетелями всё новых иновых открытий в области оптических атмосферных явлений, свидетельствующих омногогранности обыкновенного светового луча.
Литература:
1. «Физика в природе», автор — Л. В.Тарасов, издательство «Просвещение», Москва, 1988 год.
2. «Оптические явления в природе»,автор — В. Л. Булат, издательство «Просвещение», Москва, 1974 год.
3. «Беседы по физике, часть II»,автор — М. И. Блудов, издательство «Просвещение», Москва, 1985 год.
4. «Физика 10», авторы — Г. Я.Мякишев Б. Б. Буховцев, издательство «Просвещение», Москва, 1987 год.
5. «Физика 11», Н. М. Шахмаев, С. Н.Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, издательство «Просвещение», Москва, 1991 год.
6. «Решение задач по физике», В. А.Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград, 1999 год.
7. «Сумерки», автор — Г.В.Розенберг,из введения Параграфа 2, />Физматгиз, 1963
8. «Оптика и атмосфера», автор П. Р.Трубников и Н. В. Покусаев, издательство «Просвещение» Санкт-Петербург 2002 год.