Кластер оптические явления в атмосфере. Jl

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

БЕЛОЯРСКОГО РАЙОНА

«ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СРЕДНЯЯ (ПОЛНАЯ) ШКОЛА №2 Г. БЕЛОЯРСКИЙ»

Проект в номинации № 2

Тема проекта:

« Оптические явления в атмосфере »

Тарасенко Юрий Петрович

Класс 11а

Научный руководитель проекта:

Панченко-Бондаренко Галина Константиновна

Место работы

Должность

Учитель физики

Белоярский

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Тарасенко Юрий Петрович

Ханты-Мансийский автономный округ, Тюменская область,

г. Белоярский, МОСШ №2, 11а класс

Аннотация

Предлагаемая работа – это перспективная возможность помочь учителям повысить мотивацию изучения физики, как общеобразовательного предмета. Данный материал познакомит вас с любопытными явлениями, которые можно встретить в обыденной жизни и объяснит их природу с точки зрения физики. В проекте разработан список вопросов для проверки знаний учащихся по данной теме. Было проведено анкетирование, результаты которого также имеются в проекте.

1. Введение………..……………………………………………..……….……….4

2. Основная часть

2.1 Представление об оптике………………………………… ..5

2.2 Земная атмосфера, как оптическая система…………...…………5

2.3 Цвет неба……………………………………………………...……….6

2.4 Гало…………………………………………………………..…………7

2.5 Радуга…………………………………………………………..….……8

2.6Призраки Броккена……………………………………..………..….….9

2.7 Блуждающие огоньки………………………………..………….….….10

2.8 Миражи. Фата-моргана. Виды миражей……………..…………..….11

2.9 Полярные сияния. Как возникают полярные сияния…..……14

2.10 Ложные солнца………………………………………...…………...15

2.11 Световой столб……………………………………………………...16

2.12 Венцы………………………………………………………………...17

3. Анкетирование……………………………………………………………….18

4. Заключение…………………………………………………………………...19

5. Список используемой литературы………………………………………...20

6. Приложение…………………………………………………………………..21

Введение

Целью данного исследовательского проекта является рассмотрение оптических атмосферных явлений и их физической природы. Из – за ограниченного объема работы, в ней описывается лишь некоторая часть подобных явлений, таких как объяснение цвета неба (не затрагивая время утренней и вечерней зори), радуги, гало, «ложных солнц», миражей и полярных сияний. Данные явления описаны в работе достаточно подробно. Менее подробно описаны явления возникновения солнечных столбов, призраков Броккена, венцов и блуждающих огоньков.

В работе содержатся методические аспекты, касающиеся возможностей применения использованного материала в средних общеобразовательных школах.

Для большей наглядности, мною разработана презентация, содержащая редкие фотографии оптических атмосферных явлений, которая может использоваться как приложение к существующей проектной работе, и в дополнение к уже содержащимся в ней наглядным элементам.

Большим плюсом работы, на мой взгляд, является не только ее научная направленность, но и явно выраженная направленность эстетическая. Надеюсь, Вам чтение проекта доставит не меньшее удовольствие, чем мне – ее составление.

Цель проекта:

Ознакомить учащихся с оптическими явлениями в атмосфере

Отобрать литературу по данному проекту

Систематизировать информацию об оптических явлениях в атмосфере

Провести анкетирование учащихся 10х классов

Ознакомить учащихся с проектной работой.

Представление об оптике

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

Земная атмосфера, как оптическая система

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

Науки, занимающиеся изучением световых явлений в атмосфере

1. Метеорологическая оптика – занимается изучением атмосферных

явлений, связанных с погодой (явления цвета неба и его окраски,

поляризация небесного свода, явления миража и неправильного

преломления и отражения света в атмосфере, мерцание звезд,

радуга, круги и венцы около светил).

2. Астрономия – подробно изучает явление рефракции

(преломления света в атмосфере).

3. Атмосферное электричество – занимается изучением

атмосферных явлений электрического происхождения (молния,

огни святого Эльма и др.).

4. Атмосферная оптика – изучает преобразование солнечной энергии

и теплового излучения самой атмосферы и подстилающей

поверхности.

Цвет неба

Явление голубой окраски неба в течение дня, зависит исключительно от рассеяния света теми мелкими частицами, которые постоянно находятся в более чем достаточном количестве во взвешенном состоянии не только в нижних, но и в сравнительно высоких слоях атмосферы. Лордом Рэйлеем (Rayleigh) теоретически было доказано, что при достаточно малых размерах такие частицы обладают свойством отражать исключительно только лучи короткой длины волны, т. е. лучи голубые, синие, фиолетовые. Для понимания некоторых явлений субатомного мира полезно представить себе электроны прикрепленными к ядрам на жестких пружинах. Реакция электрона на воздействии электрического поля световой волны зависит от того, как частота волны соотносится с частотами собственных колебаний этой воображаемой пружины. Расчеты показывают, что чем короче длина световой волны, тем выше вероятность ее попадания в резонанс с собственными частотами возбуждения электронов и, соответственно, тем чаще электроны будут поглощать и вновь испускать фотоны соответствующей частоты. Следствием этого же эффекта взаимодействия света с атомами является и рассеяние света в среде. Свет, не вступавший во взаимодействие с атомами, доходит до нас напрямую. Поэтому, когда мы глядим не на источник света, а на рассеянный свет от этого источника, мы наблюдаем в нем преобладание коротких волн синей части спектра.

Вот почему небо выглядит синим, а Солнце желтоватым! Когда мы смотрим на небо в стороне от Солнца, вы видите там рассеянный солнечный свет, где преобладают короткие волны синей части спектра. Когда же вы смотрите непосредственно на Солнце, вы наблюдает спектр его излучения, из которого, путем рассеяния на атомах воздуха, удалена часть синих лучей, и изначально белый спектр Солнца смещается в желто-красную область при прохождении через атмосферу

Гало

Гало (от греч. - «круг», «диск»; также аура, нимб, ореол) - это явление преломления и отражения света в ледяных кристалликах облаков верхнего яруса; представляют собой светлые или радужные круги вокруг Солнца или Луны, отделенные от светила темным промежутком. Гало часто наблюдаются в передней части циклонов (в перисто-слоистых облаках на высоте 5-10 км их теплого фронта) и поэтому могут служить признаком их приближения. Иногда можно наблюдать и лунные гало. В другого рода призмах высота очень мала сравнительно с сечением; тогда получаются шестисторонние плоские таблички. Иногда, наконец, ледяные кристаллики принимают форму призмы, сечение которой представляет собой шестилучевую звезду.

Обыкновенный круг или малое гало - это блестящий круг (черт. 2), окружающий светило, его радиус - около 22°; он окрашен в красноватый цвет с внутренней стороны, затем слабо заметен желтый, далее цвет переходит в белый и постепенно сливается с общим голубоватым тоном неба. Пространство внутри круга кажется сравнительно темным; внутренняя граница круга резко очерчена. Круг этот образуется преломлением света в ледяных иглах, носящихся во всевозможных положениях в воздухе. Угол наименьшего отклонения лучей в ледяной призме - приблизительно 22°, поэтому все лучи, прошедшие сквозь кристаллики, должны показаться наблюдателю отклоненными от источника света по крайней мере на 22°; отсюда - темнота внутреннего пространства. Красный цвет, как наименее преломляемый, покажется и наименее отклоненным от светила; за ним идет желтый; остальные лучи, смешиваясь между собой, дадут впечатление белого цвета.

Радуга

Радуга – это оптическое явление, возникающее в атмосфере и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. Наблюдается она в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба. Центр дуги радуги находится в направлении прямой, проходящей через солнечный диск (хотя бы и скрытый от наблюдения тучами) и глаз наблюдателя, т.е. в точке, противоположной Солнцу. Дуга радуги представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки радиусом в 42°30" (в угловом измерении).

Наблюдатель иногда может одновременно увидеть несколько радуг – главную, побочную и вторичные. Главная радуга представляет собой цветную дугу на каплях удаляющейся дождевой пелены и возникает она всегда со стороны неба, противоположной Солнцу. При Солнце на горизонте высота верхнего края главной радуги составляет в угловой мере 42°30". При подъеме Солнца над горизонтом видимая часть радуги понижается. Когда Солнце достигает высоты 42°30", для наблюдателя на земной поверхности радуга будет не видна, однако если в момент ее исчезновения подняться на башню или мачту корабля, то радугу можно увидеть снова.

Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя.

Положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к Солнцу, а угловые размеры радуги определяются высотой Солнца над горизонтом. Наблюдатель есть вершина конуса, ось которого направлена по линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем. Радуга есть находящаяся над линией горизонта часть окружности основания этого конуса. При передвижениях наблюдателя указанный конус, а значит, и радуга, соответствующим образом перемещаются.

Здесь необходимо сделать два пояснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем, то имеем в виду не истинное, а наблюдаемое направление на Солнце. Оно отличается от истинного на угол рефракции.

Во-вторых, когда мы говорим о радуге над линией горизонта, то имеем в виду относительно далекую радугу - когда завеса дождя удалена от нас на несколько километров.

Призраки Броккена

В некоторых районах земного шара, когда тень находящегося на возвышенности наблюдателя при восходе или заходе Солнца сзади него падает на облака, расположенные на небольшом расстоянии, обнаруживается поразительный эффект: тень приобретает колоссальные размеры. Это происходит из-за отражения и преломления света мельчайшими капельками воды в тумане. Описанное явление носит название "призрак Броккена" по имени вершины в горах Гарц в Германии.

Блуждающие огоньки

Слабое свечение голубоватого или зеленоватого цвета, которое иногда наблюдается на болотах, кладбищах и в склепах. Они часто выглядят как приподнятое примерно на 30 см над землей спокойно горящее, не дающее тепла, пламя свечи, на мгновение зависающее над объектом. Огонек кажется совершенно неуловимым и при приближении наблюдателя как бы перемещается в другое место. Причиной этого явления служит разложение органических остатков и самовозгорание болотного газа метана (CH 4) или фосфина (PH 3). Блуждающие огоньки имеют разную форму, иногда даже шаровидную.

Миражи

Мираж - атмосферическое явление, благодаря которому при известных обстоятельствах делаются в какой-либо местности видными предметы, действительное местонахождение которых вдали от места их наблюдения зрителем. Оно объясняется полным отражением лучей на границе двух слоев воздуха, имеющих различные температуры, если луч света падает с очень сильным наклоном на граничную плоскость.

Если зритель и отдаленный предмет находятся на лишь немного повышенных точках и между ними лежит сильно нагретая солнцем песчаная почва, сообщающая свою теплоту ближайшим слоям воздуха и тем нагревающая их сильнее слоев, выше расположенных, зритель видит предмет в его действительном положении при посредстве лучей, прямо от предмета идущих к нему, и во-вторых, в перевернутом положении, при посредстве лучей, сначала идущих от предмета книзу, потом, при встрече с более теплыми и поэтому более редкими слоями воздуха, подвергающихся отражению и идущих к глазу наблюдателя, видящего предмет как бы отраженным в воде. Это объяснение дал еще Монж в "M é moires de l"Institut d"Egypte". Если сильно нагретый теплый слой не внизу, но вверху наблюдателя и наблюдаемого предмета, находящихся в более плотном холодном слое, - может также получиться явление миража, но только по направлению кверху.

Таким образом наблюдаемые в опрокинутом виде над горизонтом, например, корабли, башни, замки и т. д. суть изображения действительных предметов.

В некоторых местностях, в Неаполе, Реджио, на берегу Сицилийского пролива, на больших песчаных равнинах (утром, когда еще нижние слои воздуха холоднее верхних, уже согретых солнцем), в Персии, Туркестане, Египте, часто наблюдается это явление, называемое фата-морганой .

Фата-моргана

Фа́та-морга́на - редко встречающееся сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдаленные объекты видны многократно и с разнообразными искажениями.

Фата-моргана возникает в тех случаях, когда в нижних слоях атмосферы образуется (обычно вследствие разницы температур) несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также и преломления лучей, реально существующие объекты дают на горизонте или над ним по нескольку искаженных изображений, частично накладывающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создает причудливую картину фата-морганы.

Объяснение нижнего («озерного») миража

Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз.

Наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба.

Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.

П ростые верхние миражи

Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение.

Двойные и тройные миражи

Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области 1 будут искривляться быстрее, чем в области 2. В результате возникают два изображения. Световые лучи, распространяющиеся в пределах воздушной области 1, формируют перевернутое изображение объекта. Лучи, распространяющиеся в основном в пределах области 2, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Чтобы понять, как появляется тройной мираж, нужно представить три последовательный воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшается медленно.

Мираж сверхдальнего видения

Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча должна быть все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Хрономиражи

Хрономиражи – таинственные явления, не получившие научного объяснения. Никакими известными законами физики нельзя объяснить, почему миражи могут отражать события, происходящие на некотором расстоянии не только в пространстве, но и во времени. Особую известность получили миражи когда-то прошедших на земле сражений и битв. В ноябре 1956 года несколько туристов заночевали в горах Шотландии. Часа в три утра они проснулись от странного шума, выглянули из палатки и увидели десятки шотландских стрелков в старинной военной форме, которые, стреляя, бежали через каменистое поле! Потом видение исчезло, не оставив никаких следов, но уже через сутки повторилось. Шотландские стрелки, все израненные, брели по полю, спотыкаясь о камни.

По одной из теорий, при особом стечении природных факторов зрительная информация запечатлевается во времени и пространстве. А при совпадении определенных атмосферных, погодных и т.п. условий она вновь становится зримой для посторонних наблюдателей.

Миражи – следовики

Класс явлений, также не получивший научного обоснования. К нему относят миражи, которые после своего исчезновения оставляют материальные следы. Известно, что в марте 1997 г. С неба в Англии падали свежие зрелые орехи. Выдвигают несколько объяснений природы возникновения данных следов.

Первое – эти следы не имеют к миражу непосредственного отношения. «После этого» - не значит «вследствие этого». Самое сложное – установление общей достоверности самих фактов подобных явлений.

Другое объяснение – разность температурных слоев приводит к образованию вихревого эффекта, засасывающего в атмосферу различный мусор. Движение воздушных потоков доставляет «поглощенное» в область образования миража. После выравнивания температур «небесная картина» исчезает, а мусор выпадает на землю.

Полярные сияния

Полярное сияние - свечение (люминесценции) верхних слоев атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра. В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

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 этого занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает нескольких сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды.

Различают четыре типа полярных сияний

Однородная дуга - светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга - лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса - с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

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-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами.

Как возникают полярные сияния

Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» - поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетают на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Ложные солнца

Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Он образуется из-за отражения солнечного света от граней поверхностей кристаллов льда. Если кристаллы достаточно равномерно распределены в воздухе, становится видимым полный круг. 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 градусов. Наиболее часто образующийся и самый яркий паргелий формируется на пересечении с 22-градусным гало, обычно окрашенный почти во все цвета радуги. Ложные солнца на пересечениях с 46- и 90-градусными гало наблюдаются гораздо реже.

Световой столб

Световой, или солнечный, столб представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами. Подвешенные в воздухе плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если солнце находится на высоте 6 градусов над горизонтом, либо позади него, столбовидные - если солнце находится на высоте 20 градусов над горизонтом. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения.

Венцы

Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой размер (он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капель в облаках) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман. Явления венцов возникают в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капель (обычно это высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счет дифракции. Венцы возникают также в тумане около искусственных источников света. Основная, а часто единственная часть венца - светлый круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила (или искусственный источник света). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю - красноватый. Его называют также ореолом или короной. Он может быть окружен одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу. Радиус ореола 1-5°. Он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капель в облаках.. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Иногда края очень высоко расположенных облаков окрашены в яркие цвета.

Анкетирование

Как появляется радуга?

Что влияет на цвет неба?

Можно ли повторить оптические явления в лабораторных условиях?

Чем объясняется отклонение луча в атмосфере?

Сколько цветов имеет свет?

Почему воздух прозрачен?

Какого цвета космос?

Можно ли промчаться по радуге на коне?

Мираж – это действительность или обман зрения?

Заключение

Физическая природа света интересовала людей с незапамятных времен. Многие выдающиеся ученные, на всем протяжении развития научной мысли, бились над решением этой проблемы. Со временем, была открыта и сложность обыкновенного белого луча, и его способность менять свое поведение в зависимости от окружающей среды, и его умение проявлять признаки, присущие как вещественным элементам, так и природе электромагнитных излучений. Световой луч, подвергнутый различным техническим воздействиям, стал применяться в науке и технике в диапазоне от режущего инструмента, способного с точностью до микрона обработать нужную деталь, до невесомого канала передачи информации с, практически, неисчерпаемыми возможностями.

Но, прежде чем утвердился современный взгляд на природу света, и световой луч нашел свое применение в жизни человека, были выявлены, описаны, научно обоснованы и экспериментально подтверждены многие оптические явления, повсеместно возникающие в атмосфере земли, от известной каждому радуги, до сложных, периодических миражей. Но, не смотря на это, причудливая игра света всегда привлекала и привлекает человека. Никого не оставляет равнодушным ни созерцание зимнего гало, ни яркого солнечного заката, ни широкой, в пол неба, полосы северного сияния, ни скромной лунной дорожки на водной глади. Световой луч, проходя сквозь атмосферу нашей планеты, не просто освещает ее, но и придает ей неповторимый вид, делая прекрасной.

Конечно, в атмосфере нашей планеты происходит значительно больше оптических явлений, чем рассматривается в этой курсовой работе. Среди них есть как хорошо знакомые нам и разгаданные учеными, так и те, которые еще ждут своих первооткрывателей. И нам остается лишь надеяться, что, со временем, мы станем свидетелями все новых и новых открытий в области оптических атмосферных явлений, свидетельствующих о многогранности обыкновенного светового луча.

Список используемой литературы

Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. «Курс общей физики»

Королев Ф.А. «Курс физики» М., «Просвещение» 1988 г.

Ресурсы интернет.

Приложение

Цвет неба

Строение радуги

Призраки Броккена

Блуждающие огоньки

Фата-Моргана

Хрономиражи

Полярные сияния

Как возникают полярные сияния

Ложные солнца

Светящиеся столбы

Со световыми явлениями человек сталкивается постоянно. Все, что связано с возникновением света, его распространением и взаимодействием с веществом, называют световыми явлениями. Яркими примерами оптических явлений могут быть: радуга после дождя, молния во время грозы, мерцание звезд в ночном небе, игра света в потоке воды, изменчивость океана и неба и многие другие.

Школьники получают научное объяснение физическим явлениям и оптическим примерам в 7 классе, когда начинают изучать физику. Для многих оптика станет самым увлекательным и загадочным разделом в школьной программе физики.

Что видит человек?

Глаза человека устроены так, что он может воспринимать только цвета радуги. Сегодня уже известно, что спектр радуги не ограничивается красным цветом с одной стороны и фиолетовым с другой. За красным идет инфракрасный цвет, за фиолетовым находится ультрафиолетовый. Многие животные и насекомые способны видеть эти цвета, но люди, к сожалению, не могут. Но зато человек может создавать приборы, которые принимают и излучают световые волны соответствующей длины.

Преломление лучей

Видимый свет - это радуга цветов, а свет белого цвета, например, солнечный, является простым сочетанием этих цветов. Если поместить призму в луч яркого белого света, то он распадется на цвета или на волны разной длины, из которых состоит. Сначала появится красный с большей длиной волны, потом оранжевый, желтый, зеленый, синий и напоследок фиолетовый, который имеет наименьшую длину волны в видимом свете.

Если взять другую призму, чтобы поймать свет радуги и перевернуть с ног на голову, она соединит все цвета в белый. Примеров оптических явлений в физике множество, рассмотрим некоторые из них.

Почему небо голубое?

Молодых родителей часто ставят в тупик самые простые, на первый взгляд, вопросы их маленький почемучек. Иногда сложнее всего на них отвечать. Практически все примеры оптических явлений в природе может объяснить современная наука.

Солнечный свет, который освещает небо днем, белого цвета, а значит, теоретически небо тоже должно быть ярко белым. Для того чтобы оно смотрелось голубым, необходимы какие-то процессы со светом в момент его прохождения через атмосферу Земли. Вот что происходит: некоторая часть света проходит через свободное пространство между молекулами газа в атмосфере, достигая земной поверхности и оставаясь такого же белого цвета, как в начале пути. Но солнечный свет наталкивается на молекулы газов, которые, как и кислород, поглощаются, а потом рассеиваются во все стороны.

Атомы в молекулах газа активизируются поглощаемым светом и снова излучают фотоны света волнами различной длины - от красного до фиолетового цвета. Таким образом, некоторая часть света направляется к земле, остальная часть отправляется назад к Солнцу. Яркость излучаемого света зависит от цвета. Восемь фотонов синего света выпускаются на каждый фотон красного. Поэтому синий свет в восемь раз ярче красного. Интенсивный синий свет излучается со всех сторон из миллиардов молекул газа и достигает наших глаз.

Разноцветная арка

Когда-то люди думали, что радуги - это знаки, которые посылают им боги. Действительно, прекрасные разноцветные ленты всегда появляются в небе из ниоткуда, и потом так же таинственно исчезают. Сегодня мы знаем, что радуга - один из примеров оптических явлений в физике, но не перестаем ею восхищаться каждый раз, когда наблюдаем ее на небе. Интересно то, что каждый наблюдатель видит другую радугу, сотворенную лучиками света, идущими сзади него, и из дождевых капель перед ним.

Из чего состоят радуги?

Рецепт этих оптических явлений в природе простой: капельки воды в воздухе, свет и наблюдатель. Но недостаточно того, чтобы во время дождя появилось солнце. Оно должно находиться низко, а наблюдатель должен стоять так, чтобы солнце было за ним, и смотреть на место, где идет или только что прошел дождь.

Солнечный луч, идущий из далекого космоса, настигает дождевую каплю. Действуя как призма, дождевая капля преломляет каждый цвет, спрятанный в белом свете. Таким образом, когда белый луч проходит через дождевую каплю, он внезапно расщепляется на красивые разноцветные лучики. Внутри капли они наталкиваются на внутреннюю ее стенку, которая действует, как зеркало, и лучи отражаются в том же направлении, откуда проникли в каплю.

В итоге глаза видят радугу цветов в виде арки через небо - свет, согнутый и отраженный миллионами крошечных дождевых капель. Они могут действовать, как маленькие призмы, расщепляя белый свет на спектр цветов. Но и дождь не всегда необходим, чтобы увидеть радугу. Свет может также преломляться от тумана или испарений с моря.

Какого цвета вода?

Ответ очевиден - вода имеет голубой цвет. Если налить чистую воду в стакан, все увидят ее прозрачность. Это из-за того, что в стакане слишком мало воды и ее цвет слишком бледный, чтобы увидеть его.

При наполнении большой стеклянной емкости можно увидеть натуральный голубой оттенок воды. Цвет ее зависит от того, каким образом молекулы воды поглощают или отражают свет. Белый свет сложен из радуги цветов, и молекулы воды поглощают большую часть цветов спектра с красного по зеленый, который проходит сквозь них. А синяя часть отражается обратно. Таким образом, мы видим синий цвет.

Рассветы и закаты

Это также примеры оптических явлений, которые человек наблюдает каждый день. Когда солнце всходит и заходит, оно направляет свои лучи под углом к тому месту, где находится наблюдатель. Они имеют более длительный путь, чем когда солнце находится в зените.

Слои воздуха над поверхностью Земли часто вмещают много пыли или микроскопических частиц влаги. Солнечные лучи проходят под углом к поверхности и фильтруются. Лучи красного цвета имеют самую длинную волну излучения и поэтому легче пробиваются к земле, чем голубые, имеющие короткие волны, которые отбиваются частичками пыли и воды. Поэтому во время утренней и вечерней зари человек наблюдает только часть солнечных лучей, которые достигают земли, а именно красные.

Световое шоу планеты

Типичное полярное сияние - это разноцветное сияние на ночном небе, которое можно наблюдать каждую ночь на Северном полюсе. Меняющиеся в причудливых формах огромные полосы сине-зеленого света с оранжевыми и красными пятнами иногда достигают более 160 км в ширину и могут простираться на 1600 км в длину.

Как объяснить это оптическое явление, представляющее собой такое захватывающее зрелище? Сияния появляются на Земле, но вызываются они процессами, происходящими на далеком Солнце.

Как все происходит?

Солнце представляет собой огромный газовый шар, состоящий, в основном, из атомов водорода и гелия. Все они имеют протоны с позитивным зарядом и вращающиеся вокруг них электроны с отрицательным зарядом. Постоянно ореол раскаленного газа распространяется в космос в виде солнечного ветра. Это бесчисленное множество протонов и электронов несется со скоростью 1000 км в секунду.

Когда частицы солнечного ветра достигают Земли, они притягиваются сильным магнитным полем планеты. Земля - это гигантский магнит с магнитными линиями, которые сходятся у Северного и Южного полюсов. Притянутые частицы потоками располагаются вдоль этих невидимых линий неподалеку от полюсов и сталкиваются с атомами азота и кислорода, из которых состоит атмосфера Земли.

Некоторые из земных атомов теряют свои электроны, другие заряжаются новой энергией. После столкновения с протонами и электронами Солнца они отдают фотоны света. Например, потерявший электроны азот притягивает фиолетовый и синий свет, а заряженный азот сияет темно-красным светом. Заряженный кислород отдает зеленый и красный свет. Таким образом, заряженные частицы заставляют воздух переливаться многими цветами. Это и есть полярное сияние.

Миражи

Сразу следует определить, что миражи - не плод человеческого воображения, их можно даже сфотографировать, они являются почти мистическими примерами оптических физических явлений.

Свидетельств о наблюдении миражей очень много, но наука может дать научное объяснение этому чуду. Они могут быть простыми, как например, клочок воды среди раскаленных песков, а могут быть потрясающе сложными, сооружая видения висящих замков с колоннами или фрегатов. Все эти примеры оптических явлений создаются игрой света и воздуха.

Световые волны искривляются, когда проходят сначала сквозь теплый, затем холодный воздух. Горячий воздух более разрежен, чем холодный, поэтому его молекулы более активные и расходятся на более далекие расстояния. С понижением температуры уменьшается и движение молекул.

Видения, наблюдаемые сквозь линзы земной атмосферы, могут быть сильно измененными, сжатыми, расширенными или перевернутыми. Это потому, что лучи света искривляются, проходя сквозь теплый, а затем холодный воздух, и наоборот. И те образы, которые несет с собой световой поток, например небо, могут отразиться на раскаленном песке и казаться клочком воды, который всегда отдаляется при приближении.

Чаще всего миражи можно наблюдать на больших расстояниях: в пустынях, морях и океанах, где одновременно могут находиться горячий и холодный слои воздуха с разной плотностью. Именно прохождение через разные температурные слои способно перекрутить световую волну и получить в итоге видение, являющееся отражением чего-либо и преподнесенное фантазией как реальное явление.

Гало

Для большинства оптических иллюзий, которые можно наблюдать невооруженным глазом, объяснением является преломление солнечных лучей в атмосфере. Одним среди самых необычных примеров оптических явлений выступает солнечное гало. По сути, гало - радуга вокруг солнца. Однако она отличается от обычной радуги как по внешнему виду, так и по своим свойствам.

Это явление имеет немало разновидностей, каждая из которых красива по-своему. Но для возникновения любого вида этой оптической иллюзии необходимы определенные условия.

Гало возникает на небе при совпадении нескольких факторов. Чаще всего его можно увидеть в морозную погоду при высокой влажности. В воздухе при этом присутствует большое количество ледяных кристаллов. Пробиваясь сквозь них, солнечный свет преломляется таким образом, что образует дугу вокруг Солнца.

И хотя последних 3 примера оптических явлений легко объясняются современной наукой, для обыкновенного наблюдателя они часто остаются мистикой и загадкой.

Рассмотрев основные примеры оптических явлений, можно с уверенностью полагать, что многие из них объясняются современной наукой, несмотря на свою мистичность и загадочность. Но впереди у ученых еще очень много открытий, разгадок таинственных явлений, которые происходят на планете Земля и за ее пределами.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

, . (25.3)

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

, Þ (25.4)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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