Оптические явления в атмосфере

Оптические явления в атмосфере

Атмосфера — это сложная смесь газов. В процессе рассеяния света участвуют молекулы, атомы газов, продукты конденсации и сублимации водяного пара, разнообразные твердые частички, взвешенные в воздухе. В результате атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оптические явления в атмосфере возникают в результате отражения,.

преломления и дисперсии (белый свет разлагается на спектр),.

атмосфера рассеяние гало рефракция.

дифракции (отклонение световой волны от прямолинейного направления при прохождении через малые отверстия или при огибании малых препятствий) и интерференции (наложение) волн.

Голубой цвет неба научно объяснен теорией Рэлея на основе закона молекулярного рассеяния. Он гласит: «интенсивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвёртой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу». Так как длина волны фиолетовых лучей в два раза меньше чем красных, они рассеиваются в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра войдут в состав рассеянного света в количестве, обратно пропорциональном четвёртой степени длины волны каждого из них. Смесь всех рассеянных лучей даёт голубой цвет.

Молекулярное Рэлеевское рассеяние — это частный случай аэрозольного рассеивания. Если размер частиц превышает 1/10 длины падающей волны, то оно переходит в аэрозольное рассеяние Ми (белёсое, красноватое небо). В полдень от Солнца доходят преимущественно длинноволновые лучи — красные, оранжевые, жёлтые лучи. При опускании Солнца к горизонту лучам приходится проходить в атмосфере больший путь. Потери коротковолновых лучей становятся заметными. И цвет Солнца при заходе становится оранжевым или красным.

Золотистый, оранжевый или красноватый оттенок неба над горизонтом получил название зари. Окраска небосвода зависит от примесей аэрозолей в воздухе. Золотистые оттенки свидетельствуют о небольшом количестве аэрозолей в воздухе, рассеивающих солнечный свет. Наличие водяного пара увеличивает рассеяние красных лучей в атмосфере.

Сумеречные лучи — это явление обусловлено контрастом между светом Солнца, рассеянным водяным паром в воздухе и тенью, бросаемой облаками, находящимися за горизонтом или невысоко над горизонтом.

Радуга и гало — явления, связанные с преломлением и отражением световых лучей в каплях и кристаллах облаков.

Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу обычно на расстоянии 1−2 км от наблюдателя. Иногда её можно наблюдать на расстоянии нескольких метров на фоне водяных капель. Центр радуги находится на одной прямой с глазом наблюдателя и с центром солнечного диска. Преломляясь в капле, луч разлагается на основные цвета. Внутренний цвет радуги фиолетовый, наружный красный. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от количества, размеров и деформации капель дождя. Крупные капли создают более узкую и яркую радугу, малые — дугу расплывчатую, блеклую и даже белую.

Образование главной радуги (с угловым радиусом около 42°) объясняется двойным преломлением и однократным внутренним отражением солнечных лучей, которым они подвергаются в водяных каплях.

Часто появляется вторая, менее яркая радуга, с угловым радиусом около 52° с обратным расположением цветов. Эта радуга образуется в результате двукратного преломления и отражения луча в капле. Гораздо реже с внутренней стороны первой радуги наблюдаются слабо окрашенные вторичные дуги Многообразные формы гало можно разделить на две основные группы:

Гало, слегка окрашенные в радужные цвета. Это круги, касательные дуги к ним, световые пятна (ложные солнца);

Гало, не имеющие окраски — белые. Это — горизонтальный круг, столбы и кресты.

Явление первой группы получаются в результате преломления лучей в ледяных кристаллах, а явление второй группы — в результате отражения от их граней. Эти кристаллы находятся между наблюдателем и источником света летом в виде перистых облаков, а зимой, также в виде ледяной пыли, дымки или тумана. Разнообразие гало зависит от формы ледяных кристалликов, их ориентировки, движения, высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее часто наблюдается гало радиусом в 22°, внутренняя часть которого красноватая, наружная — синеватая, небо внутри кольца, кажется темнее. Гало с радиусом в 46° - это более редкое явление. Вследствие большого размера это гало чрезвычайно редко наблюдается как полный круг, обычно видна только его часть. Радужный цвет гало возникает при разложении в ледяной призме белый световой луча.

Еще более редко наблюдаются сложные формы гало, когда оно состоит из нескольких кругов, касательных и косых дуг и ложных солнц или лун. Чаще наблюдаются верхние касательные-дуги к гало в 22 и 46°. Они обращены выпуклостью к солнцу, бывают ярко окрашены, причем красный цвет обращен к Солнцу. Появляются, когда в облаке находятся кристаллики с различным расположением граней и преломляющих ребер.

Паргелический круг (или круг ложных солнц) — белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Этот круг — результат отражения солнечных лучей от боковых граней шестигранных кристалликов льда, плавающих в воздухе в вертикальном положении.

Паргелии, или ложные солнца, — это ярко светящиеся пятна*, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического* круга с гало, имеющими угловые радиусы 22°, 46° и 90°. Иногда виден антелий (противосолнце) — яркое пятно, расположенное на кольце паргелия точно напротив Солнца. Предполагается, что причиной возникновения этого явления служит двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении.

Околозенитная дуга — это дуга в 90° или меньше с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она имеет яркие цвета, внешняя сторона дуги окрашена в красный цвет.

Солнечный столб явление очень частое, напоминающее меч. Возникает в результате отражения световых лучей от горизонтальных граней, ледяных пластинок, плавающих в воздухе. Крест. Это явление получается в результате пересечения столбов с белым горизонтальным кругом.

3) Венцы, глории, брокенские призраки, нимбы, иризация облаков возникают в результате дифракции и интерференции солнечных лучей.

Венцы светлые слегка окрашенные кольца внутренняя сторона которых голубая, внешняя — красная. Они окружают Солнце или Луну, которые просвечивают сквозь тонкие водяные облака. Венец может быть один, примыкающий к светилу (ореол), или несколько «дополнительных колец», разделенных промежутками. Венцы образуются крайними касательными лучами, падающими на поверхность сферической частицы (капельки облака или тумана, росы, песчинки). Причина появления венцов — дифракция света при прохождении его между капельками и кристаллами облака. Проходя через маленькие отверстия, луч света огибает края капельки и при этом разлагается на цветные лучи, которые по-разному отклоняются при искривлении луча у края отверстия. Размеры венца зависят от величины капель и кристаллов: чем больше капли (кристаллы), тем меньше венец, и наоборот. Если в облаке происходит укрупнение облачных элементов, радиус венца постепенно сокращается, при уменьшении размеров облачных элементов (испарение) — увеличивается.

При прохождении лучей внутрь частицы и некоторых углах (касательных) основная масса лучей почти полностью отражается и направляется назад, почти параллельно падающим лучам. Эти лучи создают дифракционную картину в обратном направлении. Поэтому глорию называют также «антивенец» или «антикорона». Брокенскии призрак образуется в пересечённой местности, когда солнце находится за спиной наблюдателя вокруг тени человека, падающей на вертикальную стену тумана. Ранним утром, как только встаёт солнце, на лугу, обильно покрытым росой, может появиться нимб, он образуется вокруг тени головы человека.

Иногда днем, отдельные части облаков перисто-кучевых или высококучевых облаков светятся цветами радуги, причем цвета эти переливаются подобно перламутру. Особенно интенсивна окраска у тонких краев облаков. Иризация облаков. Игра цветов получается потому, что облако движется и меняет свою плотность.

Оптические явления, наблюдаемые в атмосфере, тесно связаны с процессами, происходящими в ней, поэтому венцы и гало являются одним из основных местных признаков погоды.

Явления астрономической и земной рефракции, обусловленны преломлением световых лучей в атмосфере из-за неравномерного распределения температуры и плотности воздуха. Рефракция называется астрономической, если источник света находится за пределами атмосферы. Её следствия: мерцание звезд, искажение формы солнечного диска при восходе и заходе, увеличение продолжительности дня. В средних широтах (Москва, Санкт-Петербург) за счет рефракции день увеличивается обычно не более чем на 8−12 мин, на полюсах больше. При заходе или восходе, когда Солнце под горизонтом, рефракция его приподнимает, и день еще продолжается. Увеличение продолжительности дня зависит от высоты светила от широты места температуры и давления воздуха у поверхности Земли.

За счет рефракции солнечных лучей, при восходе и заходе искажается форма солнечного диска. Объясняется сплющивание Солнца тем, что нижний его край, касаясь горизонта, испытывает более сильную рефракцию, чем верхний. Мерцание звезд объясняется преломлением и частичной дисперсией лучей, идущих от звезды, в струях то теплого, то холодного воздуха, постоянно встречающихся на пути ее лучей в атмосфере.

Земная рефракция возникает в результате прохождении и преломления лучей от объектов находящихся внутри атмосферы в слоях воздуха разной плотности. Проявление земной рефракции, вызваны большими градиентами температур (более 3 °C на 100 м) в атмосфере. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут исказиться и приобрести неправильные, фантастические формы. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету: верхние, нижние, боковые и сложные.

Нижний мираж: Образуется в результате отражения объектов или небосвода от сильно нагретого воздуха у поверхности земли. Наблюдаются в степях и пустынях.

Верхний мираж. Образуются в результате отражения объектов, находящихся за линией горизонта, от тёплого слоя воздуха расположенного над сильно выхоложенной поверхности Земли или моря. Благоприятные условия для них создаются в полярных районах или над холодными морями.

Боковой мираж. Возникает когда слои воздуха одинаковой плотности, располагаются в атмосфере не горизонтально, а наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздуха над ней ещё холодные.

Сложного вида миражи, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража, например при значительной температурной инверсии на некоторой высоте над теплой водой, образуется слой холодного воздуха. В результате стекающего с прибрежных гор воздуха. Над морем возникают волшебные замки, которые меняются, растут, исчезают.

Необычные атмосферные явления наводили и наводят страх на мистически настроенных людей. Поэтому для формирования объективного мировоззрения у школьника эти вопросы можно рассмотреть на факультативных занятиях. Изучение природы оптических явлений, поможет объяснить научные основы физических процессов, удовлетворить познавательный интерес учащихся к изучению избранных областей знаний. Фотографии явлений могут использоваться в демонстрационных целях на уроках географии в школе. Вне всяких сомнений, каждому школьнику будет интересно расширить кругозор своих знаний в области изучения оптических явлений в природе.

Небесный свод загадывал человеку множество загадок, в процессе решения этих задач было сделано такое же множество новых открытий. Световой луч, проходя сквозь атмосферу нашей планеты, не просто освещает её, он придаёт ей неповторимый вид, делая её прекрасной.

Первая попытка объяснить радугу, как естественное явление была сделана в 1611 г архиепископом Антонио Доминисом, за что он был отлучён от церкви и приговорён к смертной казни, а его рукописи сожжены Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт построил картину для 10 000 лучей. Оказалось, что при однократном отражении только небольшая группа лучей (они выделены сплошными линиями) выходит из капли компактным пучком, образуя угол около 42° с направлением падающих солнечных лучей, а при двукратном отражении — 52°. Все остальные (обозначенные пунктирными линиями) расходятся широким веером, рассеиваются. В честь первооткрывателя этот компактный пучок называют лучом Декарта.

На радугу расходуется менее 5% энергии падающего на каплю солнечного потока. При этом около 4% идет на образование первой радуги.

Каждый человек видит свою радугу. Расчёты показали, что радуги 3, 4, 7 и 8-го внутренних отражений располагаются вокруг Солнца, а 5, 6-го — вокруг антисолярной точки. Угловые размеры таких радуг могут уменьшаться до 30є 14ґ и 16є 51ґ. Однако, мы их практически не видим.

Рис. 5. Схема образования красного луча Декарта

Рис. 6. Схема образования красного (под углом 51°) и синего (под углом 53°) лучей Декарта, после двукратного полного внутреннего отражения.