Курсовая работа: Оптические атмосферные явления. Электрические и оптические явления в атмосфере

В школе изучает тему «Оптические явления в атмосфере» 6 класс. Однако она представляет интерес не только для пытливого детского ума. в атмосфере, с одной стороны, объединяют радугу, изменение цвета неба во время рассветов и закатов, не раз виденные всеми. С другой - в их число входят таинственные миражи, ложные Луны и Солнца, впечатляющие гало, в прошлом наводившие ужас на людей. Механизм образования некоторых из них до конца остается непонятным и сегодня, однако общий принцип, по которому «живут» оптические явления в природе, современная физика хорошо изучила.

Воздушная оболочка

Атмосфера Земли представляет собой оболочку, состоящую из смеси газов и простирающуюся примерно на 100 км над уровнем моря. Плотность воздушного слоя меняется по мере удаления от земли: наибольшее ее значение у поверхности планеты, с высотой оно уменьшается. Атмосферу нельзя назвать статичным формированием. Слои газовой оболочки постоянно двигаются, перемешиваются. Меняются их характеристики: температура, плотность, скорость перемещения, прозрачность. Все эти нюансы оказывают влияние на солнечные лучи, устремляющиеся к поверхности планеты.

Оптическая система

Процессы, происходящие в атмосфере, а также ее состав способствуют поглощению, преломлению и отражению световых лучей. Часть их достигает цели — земной поверхности, другая рассеивается или же перенаправляется обратно в космическое пространство. В результате искривления и распада части лучей на спектр и так далее образуются разнообразные оптические явления в атмосфере.

Атмосферная оптика

Во времена, когда наука только зарождалась, люди объясняли оптические явления исходя из сложившихся представлений об устройстве Вселенной. Радуга соединяла человеческий мир с божественным, появление на небе двух ложных Солнц свидетельствовало о приближающихся катастрофах. Сегодня большинство феноменов, пугавших наших далеких предков, получило научное объяснение. Изучением подобных феноменов занимается атмосферная оптика. Оптические явления в атмосфере эта наука описывает, основываясь на законах физики. Она способна объяснить, днем, а во время захода и рассвета меняет цвет, как образуется радуга и откуда берутся миражи. Многочисленные исследования и эксперименты сегодня позволяют понять такие оптические явления в природе, как появление светящихся крестов, Фата-моргана, радужные гало.

Синее небо

Цвет неба настолько привычен, что мы редко задумываемся, почему он такой. Тем не менее физикам ответ хорошо известен. Ньютон доказал, что при определенных условиях раскладывается на спектр. При прохождении атмосферы его часть, соответствующая синему цвету, рассеивается лучше. Красный участок характеризуется большей длинной волны и уступает фиолетовому по степени рассеивания в 16 раз.

При этом небо мы видим не фиолетовым, а голубым. Причина этого кроется в особенностях устройства сетчатки и соотношении участков спектра в солнечном свете. Наши глаза более чувствительны к синему, а фиолетовый участок в спектре светила менее интенсивный, чем синий.

Алый закат

Когда люди разобрались, оптические явления перестали быть для них свидетельством или предзнаменованием грозных событий. Однако научный подход не мешает получать от красочных закатов и нежных рассветов. Яркие красные и оранжевые цвета вместе с розовым и голубым постепенно уступают ночной темноте или утреннему свету. Невозможно наблюдать два одинаковых рассвета или заката. А причина этого кроется во все той же подвижности атмосферных слоев и смене погодных условий.

Во время закатов и рассветов солнечные лучи преодолевают более длинный путь до поверхности, чем днем. В результате рассеянный фиолетовый, синий и зеленый уходят в стороны, а прямой свет окрашивается в красный и оранжевый. Свою лепту в картину заката и рассвета вносят облака, пыль или частички льда, взвешенные в воздухе. Свет преломляется, проходя через них, и окрашивает небо в самые разные оттенки. На противоположном от Солнца участке горизонта нередко можно наблюдать так называемый Пояс Венеры — розовую полосу, разделяющую ночное темное небо и голубое дневное. Красивое оптическое явление, названное в честь римской богини любви, видно перед рассветом и после заката.

Радужный мост

Пожалуй, никакие другие световые явления в атмосфере не вызывают в памяти столько мифологических сюжетов и сказочных образов, сколько связаны с радугой. Дуга или окружность, состоящая из семи цветов, каждому известна с детства. Красивое атмосферное явление, возникающее во время дождя, когда солнечные лучи проходят сквозь капли, завораживает даже тех, кто досконально изучил его природу.

А физика радуги сегодня ни для кого не секрет. Солнечный свет, преломляясь каплями дождя или тумана, расщепляется. В результате наблюдатель видит семь цветов спектра, от красного до фиолетового. Границы между ними определить невозможно. Цвета плавно переходят друг в друга через несколько оттенков.

При наблюдении радуги солнце всегда располагается за спиной человека. Центр улыбки Ириды (так называли радугу древние греки) располагается на линии, проходящей через наблюдателя и дневное светило. Обычно радуга предстает в виде полуокружности. Ее размер и форма зависят от положения Солнца и точки, в которой находится наблюдатель. Чем выше светило над горизонтом, тем ниже опускается окружность возможного появления радуги. Когда Солнце преодолевает отметку в 42º над горизонтом, наблюдатель на поверхности Земли не может увидеть радугу. Чем выше над уровнем моря располагается человек, желающий полюбоваться улыбкой Ириды, тем вероятнее, что он увидит не дугу, но окружность.

Двойная, узкая и широкая радуга

Нередко вместе с основной можно увидеть так называемую побочную радугу. Если первая образуется в результате однократного отражения света, то вторая является результатом двойного. Кроме того, основная радуга отличается определенным порядком цветов: красный располагается на внешней стороне, а фиолетовый — на внутренней, которая ближе к поверхности Земли. Побочный же «мостик» представляет собой обратный по последовательности спектр: фиолетовый оказывается вверху. Происходит так потому, что при двойном отражении из капли дождя лучи выходят под другими углами.

Радуги различаются по интенсивности цвета и ширине. Самые яркие и довольно узкие появляются после летней грозы. Большие капли, характерные для такого дождя, рождают хорошо заметную радугу с отчетливо различимыми цветами. Малые капли дают более расплывчатую и менее заметную радугу.

Оптические явления в атмосфере: полярное сияние

Одно из самых красивых атмосферных оптических явлений — полярное сияние. Оно характерно для всех планет, обладающих магнитосферой. На Земле полярные сияния наблюдаются в высоких широтах обоих полушарий, в зонах, окружающих магнитные полюса планеты. Чаще всего можно видеть зеленоватое или сине-зеленое свечение, иногда дополненное по краям всполохами красного и розового. Интенсивное полярное сияние по форме напоминает ленты или складки ткани, при затухании превращающиеся в пятна. Полосы высотой в несколько сотен километров хорошо выделяются по нижнему краю на фоне темного неба. Верхняя граница полярного сияния теряется в вышине.

Эти красивые оптические явления в атмосфере еще хранят свои тайны от людей: до конца не изучен механизм возникновения некоторых видов свечения, причина возникающего во время резких всполохов треска. Однако общая картина формирования полярных сияний сегодня известна. Небо над северным и южным полюсами украшается зеленовато-розовым свечением, когда заряженные частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами верхних слоев земной атмосферы. Последние в результате взаимодействия получают дополнительную энергию и испускают ее в виде света.

Гало

Солнце и Луна нередко предстают перед нами окруженные свечением, напоминающим нимб. Это гало — хорошо заметное кольцо вокруг источника света. В атмосфере чаще всего оно образуется благодаря мельчайшим частичкам льда, составляющим высоко над Землей. В зависимости от формы и размеров кристаллов меняются характеристики явления. Часто гало приобретает вид радужного круга в результате разложения светового луча на спектр.

Интересная разновидность явления носит название паргелий. В результате преломления света в кристаллах льда на уровне Солнца образуется два светлых пятна, напоминающих дневное светило. В исторических хрониках можно встретить описания этого феномена. В прошлом оно часто считалось предвестником грозных событий.

Мираж

Миражи — это тоже оптические явления в атмосфере. Они возникают в результате преломления света на границе между значительно различающимися по плотности слоями воздуха. В литературе описано множество случаев, когда путник в пустыне видел оазисы или даже города и замки, которых быть поблизости не могло. Чаще всего это «нижние» миражи. Они возникают над ровной поверхностью (пустыня, асфальт) и представляют собой отраженное изображение неба, кажущееся наблюдателю водоемом.

Так называемые верхние миражи встречаются реже. Они образуются над холодной поверхностью. Верхние миражи бывают прямыми и перевернутыми, иногда совмещают оба положения. Самым известным представителем этих оптических феноменов является Фата-моргана. Это сложный мираж, совмещающий сразу несколько типов отражений. Перед наблюдателем предстают реально существующие объекты, многократно отраженные и перемешенные.

Атмосферное электричество

Электрические и оптические явления в атмосфере нередко упоминаются вместе, хотя причины их возникновения различны. Поляризация облаков и образование молний связаны с процессами, протекающими в тропосфере и ионосфере. Гигантские искровые разряды формируются обычно во время грозы. Молнии возникают внутри облаков, могут ударять в землю. Они являются угрозой для жизни людей, и это одна из причин научного интереса к подобным явлениям. Некоторые свойства молний до сих пор остаются загадкой для исследователей. Сегодня неизвестна причина возникновения шаровых молний. Как и в случае с некоторыми аспектами теории полярных сияний и миражей, электрические феномены продолжают интриговать ученых.

Оптические явления в атмосфере, кратко описанные в статье, с каждым днем становятся все более понятными для физиков. При этом они, как и молнии, не перестают восхищать людей своей красотой, таинственностью и порой грандиозностью.

Многим людям нравятся забавные картинки, обманывающие их визуальное восприятие. Но знаете ли вы, что природа также умеет создавать оптические иллюзии? Причём, выглядят они на порядок более внушительно, чем сделанные человеком. К ним можно отнести десятки природных явлений и формаций, как редких, так и достаточно распространённых. Северное сияние, гало, зелёный луч, линзовидные облака - лишь малая часть из них. К вашему вниманию - 25 потрясающих оптических иллюзий, созданных природой.
Огненный водопад «Лошадиный хвост»

Каждый год в феврале потоки воды окрашиваются в огненно-оранжевый цвет

Этот красивый и в то же время пугающий водопад расположен в центральной части Национального Парка Йосемити. Он носит название Horsetail Fall (в переводе - «лошадиный хвост»). Каждый год на протяжении 4-5 февральских дней туристы могут увидеть редчайшее явление - лучи закатного солнца отражаются в ниспадающих потоках воды. В эти моменты водопад окрашивается в огненно-оранжевый цвет. Кажется, что с верха горы стекает раскалённая лава, но это всего лишь оптический обман.

Водопад «Лошадиный хвост» состоит из двух ниспадающих потоков, его общая высота достигает 650 метров.

Ложное Солнце

Настоящее Солнце и два ложных

Если Солнце находится на малой высоте над горизонтом, а в атмосфере присутствуют микроскопические кристаллы льда, наблюдатели могут заметить несколько светлых радужных пятнышек справа и слева от Солнца. Эти причудливые гало преданно следуют за нашим светилом по небосводу, в какую бы сторону оно не направлялось.

В принципе, это атмосферное явление считается довольно распространённым, но заметить эффект трудно.

Это интересно: В редких случаях, когда солнечный свет проходит сквозь перистые облака под необходимым углом, эти два пятна становятся настолько же яркими, как и само Солнце.

Эффект лучше всего наблюдать ранним утром или поздним вечером в полярных районах.
Фата-моргана

Фата-моргана — редчайшая оптическая иллюзия

Фата-морганой называют сложное оптическое атмосферное явление. Наблюдается оно крайне редко. По сути, фата-моргана «состоит» из нескольких форм миражей, благодаря которым отдалённые объекты искажаются и «раздваиваются» для наблюдателя.

Известно, что фата-моргана возникает тогда, когда в нижнем слое атмосферы образуются (как правило, из-за разницы температур) несколько количество чередующихся слоёв воздуха, имеющих различную плотность. В определённых условиях они дают зеркальные отражения.

Вследствие отражения и преломления лучей света, реально существующие объекты могут создавать на горизонте или даже над ним сразу несколько искажённых изображений, которые частично накладываются друг на друга и стремительно меняются со временем, тем самым создавая поразительную картину фата-морганы.
Световой столб

Световой столб, исходящий от опускающегося за горизонт Солнца

Свидетелями световых (или солнечных) столбов мы становимся достаточно часто. Так называется распространённый вид гало. Этот оптический эффект выглядит, как вертикальная полоса света, которая тянется от солнца при закате или восходе. Световой столб можно наблюдать, когда свет в атмосфере отражается от поверхности мельчайших кристаллов льда, имеющих форму ледяных пластин или миниатюрных стержней с 6-угольным сечением. Кристаллы подобной формы образуются чаще всего в высоких перисто-слоистых облаках. Но если температура воздуха достаточно низкая, они могут появляться и в менее высоких слоях атмосферы. Думаем, не стоит объяснять, почему световые столбы чаще всего наблюдаются в зимний период.
Брокенский призрак

При соблюдении определённых условий тень может выглядеть, как привидение

Когда на улице стоит густой туман, вы можете наблюдать интересное оптическое явление - так называемый брокенский призрак. Для этого необходимо просто повернуться спиной к основному источнику света. Наблюдатель сможет увидеть собственную тень, лежащую на тумане (или облаке, если вы находитесь в горной местности).

Это интересно: Если источник света, а также объект, на который отбрасывается тень, статичны, она будет повторять любое движение человека. Но совершенно по-другому тень будет отображаться на движущейся «поверхности» (к примеру, на тумане). В таких условиях она может колебаться, создавая иллюзию, что тёмный туманный силуэт перемещается. Создаётся впечатление, что это не тень, принадлежащая наблюдателю, а самый настоящий призрак.

Атлантическая дорога в Норвегии

Вероятно, в мире нет более живописных автотрасс, чем Атлантическая дорога, расположенная в норвежском округе Мёре-ог-Ромсдал.

Уникальное шоссе пролегает через северное побережье Атлантического океана и включает в себя целых 12 мостов, соединяющих дорожным покрытием отдельные острова.

Самое удивительное место Атлантической дороги - мост Storseisundet Bridge. С определённого ракурса может показаться, что он не достроен, а все проезжающие автомобили, поднимаясь наверх, приближаются к обрыву, а потом обрушиваются вниз.

Общая протяжённость этого моста, открытого в 1989 году, составляет 8.3 километра.

В 2005 году Атлантическая дорога была названа «Строением века в Норвегии». А журналисты британского издания The Guardian присудили ей звание лучшей туристической трассы этой северной страны.
Лунная иллюзия

Кажется, что Луна, расположенная над горизонтом, имеет большие размеры

Когда полная Луна склоняется низко над горизонтом, она визуально имеет намного больший размер, чем когда находится высоко в небе. Это явление серьёзно озадачивает тысячи пытливых умов, пытающихся найти ему какое-то разумное объяснение. Но на самом деле это - обычная иллюзия.

Самый незамысловатый способ подтвердить иллюзорность данного эффекта — подержать в вытянутой руке маленький округлый объект (к примеру, монету). Сравнивая размеры этого объекта с «огромной» Луной у горизонта и «крошечной» Луной в небе, вы удивитесь, ведь поймёте, что её относительный размер не претерпевает никаких изменений. Можно также свернуть лист бумаги в форме трубы и смотреть через образованное отверстие исключительно на Луну, без любых окружающих её объектов. Опять же, иллюзия исчезнет.

Это интересно: Большинство учёных, объясняя Лунную иллюзию, ссылаются на теорию «относительного размера». Известно, что визуальное восприятие размеров видимого человеком объекта определяется габаритами других предметов, наблюдаемых им в то же время. Когда Луна находится низко над горизонтом, в поле зрения человека попадают иные объекты (дома, деревья и т. д.). На их фоне наше ночное светило кажется большим, чем в действительности.

Тени облаков

Тени облаков выглядят, как небольшие островки

В солнечный день с большой высоты очень интересно наблюдать за тенями, отбрасываемыми облаками на поверхности нашей планеты. Они напоминают небольшие постоянно перемещающиеся острова в океане. К сожалению, наземным наблюдателям оценить всё великолепие этой картины не удастся.
Мотылёк атлас

Мотылёк атлас

Огромная моль атлас встречается в тропических лесах на Юге Азии. Именно это насекомое является рекордсменов по площади поверхности крыльев (400 квадратных сантиметров). В Индии эту моль разводят для получения шёлковых нитей. Исполинское насекомое производит коричневый шёлк, внешне напоминающий шерсть.

Из-за больших размеров мотыльки атлас отвратительно летают, передвигаясь в воздухе медленно и неуклюже. Зато уникальная расцветка их крыльев помогает маскироваться в естественной среде обитания. Благодаря ей атлас буквально сливается с деревьями.
Роса на паутине

Роса на паутине

По утрам или после дождя на паутинках можно увидеть крошечные капельки воды, напоминающие ожерелье. Если паутина очень тонкая - у наблюдателя может создаться иллюзия, что капли буквально парят в воздухе. А в холодное время года паутина может быть покрыта инеем либо замёрзшей росой, такая картина выглядит не менее впечатляюще.
Зелёный луч

Зелёный луч

Кратковременную вспышку зелёного света, наблюдаемую за мгновение до появления солнечного диска из-за горизонта (чаще всего, на море) или в момент, когда солнце скрывается за ним, называют зелёным лучом.

Стать свидетелем этого удивительного явления можно при соблюдении трёх условий: горизонт должен быть открытым (степь, тундра, море, горная местность), воздух - чистым, а область захода или восхода Солнца - свободной от облаков.

Как правило, зелёный луч виден не более 2-3 секунд. Чтобы значительно увеличить временной интервал его наблюдения в момент захода Солнца, нужно сразу после появления зелёного луча начать быстро взбегать по земляной насыпи или подниматься по лестнице. Если Солнце восходит - двигаться нужно в противоположном направлении, то есть, вниз.

Это интересно: В ходе одного из полётов над Южным полюсом известный американский лётчик Ричард Бэрд видел зелёный луч на протяжении целых 35 минут! Уникальный случай произошёл в конце полярной ночи, тогда верхний край солнечного диска впервые показался из-за горизонта и медленно передвигался вдоль него. Известно, что на полюсах солнечный диск перемещается практически горизонтально: скорость его вертикального подъёма очень мала.

Физики объясняют эффект зелёного луча рефракцией (то есть, преломлением) солнечных лучей при прохождении через атмосферу. Интересно, что в момент захода или восхода Солнца мы должны были бы раньше всего увидеть синие или фиолетовые лучи. Но длина их волн настолько мала, что при проходе через атмосферу они практически полностью рассеиваются и не доходят до земного наблюдателя.
Околозенитная дуга

Околозенитная дуга

По сути, околозенитная дуга выглядит, как радуга, перевёрнутая вверх ногами. Некоторым людям она даже напоминает огромный разноцветный смайлик на небе. Это явление образуется благодаря преломлению солнечных лучей, проходящих через парящие в облаках кристаллики льда определённой формы. Дуга сосредотачивается в зените параллельно горизонту. Верхний цвет этой радуги - синий, нижний - красный.
Гало

Гало вокруг Луны

Гало - один из самых известных оптических феноменов, наблюдая за которым, человек может видеть светящееся кольцо вокруг мощного источника света.

Днём гало появляется вокруг Солнца, ночью - вокруг Луны или других источников, к примеру, уличных фонарей. Существует огромное количество разновидностей гало (одной из них является упоминавшаяся выше иллюзия ложного Солнца). Практически все гало вызваны преломлением света при прохождении через ледяные кристаллы, сосредотачивающиеся в перистых облаках (находящихся в верхних слоях тропосферы). Вид гало определяется формой и расположением этих миниатюрных кристалликов.
Розовый отблеск Солнца

Розовый отблеск Солнца

Розовый отблеск видел, наверное, каждый житель нашей планете. Это интересное явление наблюдается в момент, когда Солнце заходит за горизонт. Тогда горы или другие вертикальные объекты (например, многоэтажные дома) на небольшое время окрашиваются в нежно-розовый оттенок.
Сумеречные лучи

Сумеречные лучи

Сумеречными лучами учёные называют распространённое оптическое явление, выглядящее как чередование множества светлых и тёмных полос на небосводе. При этом все эти полосы расходятся из текущего места нахождения Солнца.

Сумеречные лучи - одно из проявлений игры света и тени. Мы уверены, что воздух совершенно прозрачный, а лучи света, которые проходят сквозь него, невидимы. Но в случае наличия в атмосфере мельчайших капелек воды или частиц пыли солнечный свет рассеивается. В воздухе образуется белесая дымка. Она практически незаметна в ясную погоду. Но в условиях облачности частицы пыли или воды, находящиеся в тени туч, освещаются слабее. Поэтому затенённые области воспринимаются наблюдателями, как тёмные полосы. Чередующиеся с ними хорошо освещённые области, наоборот, кажутся нам яркими световыми полосами.

Похожий эффект наблюдается, когда солнечные лучи, пробиваясь сквозь щели в тёмную комнату, образуют яркие световые дорожки, освещая парящие в воздухе частицы пыли.

Это интересно: Сумеречные лучи называют в разных странах по-разному. Немцы используют выражение «Солнце пьёт воду», голландцы - «Солнце стоит на ножках», а британцы именуют сумеречные лучи «лестницей Иакова» либо «лестницей ангелов».

Противосумеречные лучи

Противосумеречные лучи исходят из точки на горизонте, противоположной заходящему Солнцу

Эти лучи наблюдаются в момент заката Солнца на восточной стороне небосвода. Они, как и сумеречные лучи, расходятся веером, единственное отличие между ними - расположение относительно небесного светила.

Может показаться, что противосумеречные лучи сходятся в какой-то точке за горизонтом, но это только иллюзия. В действительности, лучи Солнца распространяются строго по прямым линиям, но при проекции этих линий на сферическую атмосферу Земли образуются дуги. То есть иллюзия их веерообразного расхождения обуславливается перспективой.
Северное сияние

Северное сияние в ночном небе

Солнце очень нестабильно. Иногда на его поверхности случаются мощные взрывы, после которых в сторону Земли на огромной скорости направляются мельчайшие частицы солнечного вещества (солнечный ветер). Чтобы достичь Земли, им требуется около 30 часов.

Магнитное поле нашей планеты отклоняет эти частицы к полюсам, вследствие чего там начинаются обширные магнитные бури. Протонные и электроны, проникающие в ионосферу из космического пространства, взаимодействуют с ней. Разрежённые слои атмосферы начинают светиться. Всё небо окрашивается разноцветными динамично движущимися узорами: дугами, причудливыми линиями, коронами и пятнами.

Это интересно: Наблюдать за северным сиянием можно в высоких широтах каждого полушария (поэтому будет правильнее называть данное явление «полярным сиянием»). География мест, в которых люди могут лицезреть это впечатляющее природное явление, значительно расширяется лишь в периоды высокой активности Солнца. Удивительно, но полярные сияния бывают и на других планетах нашей Солнечной системы.

Формы и цвета красочного свечения ночного неба быстро меняются. Интересно, что полярные сияния происходят исключительно в интервалах высот от 80 до 100 и от 400 до 1000 километров над уровнем земли.
Крушинница

Крушинница — бабочка с невероятно реалистичным природным камуфляжем

В начале апреля, когда устанавливается стабильно тёплая и солнечная погода, можно заметить красивое светлое пятнышко, порхающее от одного весеннего цветка к другому. Это - бабочка, называемая крушинницей или лимонницей.

Размах крыльев крушинницы составляет порядка 6 сантиметров, длина крыльев - от 2,7 до 3,3 сантиметров. Интересно, что расцветка самцов и самок отличается. Мужские особи имеют яркие зеленовато-лимонные крылышки, а женские - более светлые, практически белые.

Крушинница обладает удивительно реалистичным природным камуфляжем. Её очень трудно отличить от листьев растений.

Магнитный холм

Кажется, что автомобили под действием неизвестной силы катятся вверх по склону

В Канаде есть холм, на котором происходят экстраординарные вещи. Припарковав автомобиль возле его подножия и включив нейтральную передачу, вы увидите, что машина начинает катиться (без какой-либо помощи) вверх, то есть в сторону подъёма. Многие люди объясняют удивительное явление воздействием невероятно мощного магнитного, заставляющего машины катиться вверх на холм и развивать скорость до 40 километров в час.

К сожалению, ни магнетизма, ни волшебства здесь нет. Всё дело в обычной оптической иллюзии. Благодаря особенностям рельефа небольшой уклон (примерно в 2,5 градуса) воспринимается наблюдателем, как подъём наверх.

Основной фактор создания подобной иллюзии, наблюдаемой и во многих других местах земного шара, - нулевая или минимальная видимость горизонта. Если человек не видит его, то судить о наклонности поверхности становится достаточно трудно. Даже объекты, в большинстве случаев расположенные перпендикулярно земле (к примеру, деревья), могут склоняться в любую сторону, вводя наблюдателя в ещё большее заблуждение.
Соляные пустыни

Создаётся впечатление, будто все эти люди парят в небесах

Соляные пустыни встречаются во всех уголках Земли. У людей, находящихся посреди них, искажается восприятие пространства по причине отсутствия любых ориентиров.

На фотографии вы можете увидеть высохшее соляное озеро, расположенное в южной части равнины Альтиплано (Боливии) и носящее название солончак Уюни. Это место находится на высоте в 3,7 километра над уровнем моря, а его общая площадь превышает 10,5 тысяч квадратных километров. Уюни - самый крупный солончак на нашей планете.

Самые распространённые минералы, встречающиеся здесь - галит и гипс. А толщина слоя поваренной соли на поверхности солончака местами достигает 8 метров. Общие запасы соли оцениваются в 10 миллиардов тонн. На территории Уюни есть несколько отелей, построенных из соляных блоков. Мебель и другие предметы интерьера также сделаны из неё. А на стенах номеров висят объявления: администрация вежливо просит гостей ничего не облизывать. Кстати, переночевать в таких гостиницах можно всего лишь за 20 долларов.

Это интересно: В сезон дождей Уюни покрывается тонким слоем воды, благодаря чему превращается в крупнейшую на Земле зеркальную поверхность. Посреди бесконечного зеркального пространства у наблюдателей создаётся впечатление, что они парят в небесах или вообще находятся на другой планете.

Волна

Песчаные дюны превратились в камень

Волна — образованная естественным путём галерея из песка и скальных пород, располагающаяся на границе американских штатов Юта и Аризона. Поблизости находятся популярные в США национальные парки, поэтому Волна ежегодно привлекает сотни тысяч туристов.

Учёные уверяют, что эти уникальные скалистые образования формировались не один миллион лет: песчаные дюны под воздействием условий окружающей среды постепенно затвердевали. А ветер и дожди, длительное время воздействовавшие на эти образования, отшлифовали их формы и придали им столь необычный вид.
Голова индейца Апаче

Трудно поверить, что это скалистое образование сформировалось без вмешательства человека

Это естественное горное образование во Франции ярко иллюстрирует нашу способность узнавать знакомые формы, например, человеческие лица, в окружающих объектах. Учёные недавно выяснили, что у нас даже имеется специальный участок мозга, отвечающий за распознавание лиц. Интересно, что визуальное восприятие человека устроено так, что любые объекты, схожие по очертаниям с лицами, замечаются нами ‎быстрее, чем остальные визуальные раздражители.

В мире существуют сотни природных образований, эксплуатирующих данную способность человека. Но согласитесь: горный массив в форме головы индейца Апаче - наверняка, самое поразительное из них. Кстати, туристы, которым выпала возможность лицезреть эту необычную скалистую формацию, расположенную во французских Альпах, не могут поверить, что она сформировалась без вмешательства человека.‎
Страж Пустоши

Индеец в традиционном головном уборе и с наушниками в ушах — где ещё такое увидишь?

Страж Пустоши (другое название - «Голова Индейца») - уникальная геоформация, находящееся вблизи от канадского города Мэдисен Хэт (юго-восточная часть провинции Альберта). При взгляде на неё с большой высоты становится очевидно, что рельеф местности формирует очертания головы местного аборигена в традиционном индейском головном уборе, пристально смотрящего куда-то на запад. Причём этот индеец ещё и слушает современные наушники.

На самом деле, то, что напоминает провод от наушников, является тропой, ведущей к нефтяной вышке, а вкладыш - это непосредственно сама скважина. Высота «головы индейца» - 255 метров, ширина - 225 метров. Для сравнения: высота знаменитого барельефа в горе Рашмор, на котором высечены лица четырёх американских президентов, составляет лишь 18 метров.

Страж Пустоши образовался природным путём в ходе выветривания и эрозии мягкой почвы, богатой глиной. По оценкам учёных, возраст этой геоформации не превышает 800 лет.
Линзовидные (лентикулярные) облака

Линзовидные облака похожи на огромные НЛО

Уникальная особенность линзовидных облаков заключается в том, что каким бы сильным не был ветер, они остаются неподвижными. Потоки воздуха, проносящиеся над земной поверхностью, обтекают препятствия, благодаря этому образуются воздушные волны. На их краях и образуются лентикулярные облака. В их нижней части происходит непрерывный процесс конденсации водяного пара, поднимающегося с поверхности земли. Поэтому линзовидные облака не изменяют своего положения. Они просто зависают в небе на одном месте.

Лентикулярные облака чаще всего формируются на подветренной стороне горных хребтов или над отдельными вершинами на высоте от 2 до 15 километров. В большинстве случаев их появление сигнализирует о приближающемся атмосферном фронте.

Это интересно: Из-за необычной формы и абсолютной неподвижности люди часто принимают линзовидные облака за НЛО.

Облака с грозовым валом

Такое зрелище внушает страх, согласитесь!

Нагоняющие ужас облака с грозовым валом наблюдаются на равнинных территориях довольно часто. Они опускаются очень низко над землёй. Возникает ощущение, что если подняться на крышу здания, можно дотянуться до них рукой. А иногда может казаться, что такие тучи вообще соприкасаются с поверхностью земли.

Грозовой вал (другое название - шкваловый ворот) визуально похож на смерч. К счастью, в сравнении с этим природным явлением, он не настолько опасен. Грозовой вал - это просто низкая, горизонтально ориентированная область грозового облака. Образуется она в его передней части при быстром движении. А ровную и гладкую форму шкваловый ворот приобретает в условиях активного восходящего движения воздуха. Такие облака, как правило, формируются в тёплый период года (с середины весны до середины осени). Интересно, что период жизни грозовых валов очень короткий - от 30 минут до 3 часов.

Согласитесь, многие из перечисленных выше явлений кажутся поистине волшебными, даже несмотря на то, что их механизмы можно легко объяснить с научной точки зрения. Природа без малейшего участия человека создаёт удивительные оптические иллюзии, поражающие воображение даже много чего повидавших на своём веку исследователей. Как тут не восхититься её величием и могуществом?

Оптические явления в атмосфере

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

преломления и дисперсии (белый свет разлагается на спектр),

атмосфера рассеяние гало рефракция

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

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

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

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

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

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

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

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

Часто появляется вторая, менее яркая радуга, с угловым радиусом около 52° с обратным расположением цветов. Эта радуга образуется в результате двукратного преломления и отражения луча в капле. Гораздо реже с внутренней стороны первой радуги наблюдаются слабо окрашенные вторичные дуги

Многообразные формы гало можно разделить на две основные группы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Первая попытка объяснить радугу, как естественное явление была сделана в 1611 г архиепископом Антонио Доминисом, за что он был отлучён от церкви и приговорён к смертной казни, а его рукописи сожжены

Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт построил картину для 10 000 лучей. Оказалось, что при однократном отражении только небольшая группа лучей (они выделены сплошными линиями) выходит из капли компактным пучком, образуя угол около 42° с направлением падающих солнечных лучей, а при двукратном отражении - 52°. Все остальные (обозначенные пунктирными линиями) расходятся широким веером, рассеиваются. В честь первооткрывателя этот компактный пучок называют лучом Декарта .

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

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

Рис. 5.

Электрические и оптические явления в атмосфере. Атмосферные явления. Электрические и оптические явления в атмосфере удивительные, а иногда опасные атмосферные явления.

Электрические явления в атмосфере.

3. Электрические явления это проявление атмосферного электричества (гроза, зарница, полярное сияние).

Гроза – сильные электрические разряды, происходящие в атмосфере. Сопровождается порывистым ветром, ливнем, вспышками яркого света (молнией) и резкими звуковыми эффектами (громом). Раскаты грома слышны на расстоянии до двадцати километров. Причиной являются кучево-дождевые облака. Электрические разряды могут возникать межу облаками, внутри самих облаков, между облаками и поверхностью земли. Гроза бывает фронтальной при движении холодного или теплого фронта воздушных масс или внутримассовой. Внутримассовая гроза образуется при местном прогревании воздуха. Гроза является очень опасным природным явлением для человека. По количеству унесенных человеческих жизней гроза находится на втором месте после наводнений. Любопытные ученые определили, что одновременно на Земле происходит полторы тысячи гроз. Каждую секунду возникает сорок шесть молний! Только на полюсах и в полярных районах не бывает грозы.

Зарница это световое явление, при котором на короткое время освещаются молнией облака или горизонт. Сама молния не наблюдается. Причиной является далеко проходящая гроза (на расстоянии более двадцати километров). Гром при зарнице не слышен.

Полярное сияние – разноцветное свечение ночного неба в высоких широтах. Причиной является значительное колебание магнитного поля Земли. При этом выделяется большое количество энергии. Длительность такого явления может составлять от нескольких минут до нескольких суток.

Оптические явления в атмосфере.

4. Оптические явления это результат дифракции (преломления) света от Солнца или Луны (мираж, радуга, гало).

Мираж это появление мнимого изображения действительно существующего предмета. Обычно мнимые предметы появляются в перевернутом виде или сильно искажены. Причиной является искривление лучей света из-за оптической неоднородности воздуха. Неоднородность атмосферы появляется при неравномерном нагреве воздуха на различной высоте.

Радуга – большая разноцветная дуга на фоне дождевых облаков. У радуги внешняя часть красного цвета, а внутренняя – фиолетовая. Нередко с наружной стороны радуги появляется вторичная радуга, у которой обратное чередование цветов. Причиной возникновения является преломление и отражение лучей света в капельках водяного пара. Радугу можно наблюдать только в том случае, если солнце расположено низко над горизонтом.

Гало – светлые красноватые дуги, круги, пятна, появляющиеся вокруг Солнца или Луны. Причиной возникновения является преломление и отражение лучей света от кристаллов льда в перисто-слоистых облаках.

5. Неклассифицированные атмосферные явления это все явления, которые трудно отнести к какому-нибудь другому виду (шквал, смерч, вихрь, мгла).

Шквал это неожиданное и резкое усиление ветра в течение одной или двух минут. Ветер достигает скорости более 10 метров в секунду. Причиной является движение восходящих и нисходящих масс воздуха. Шквалу сопутствуют гроза, ливень и кучево-дождевые облака.

Вихрь — это вращательное и поступательное движение больших масс воздуха. Диаметр вихря может достигать нескольких тысяч километров. Атмосферные вихри: циклон, тайфун.

Смерч или торнадо – очень сильный вихрь, представляющий собой гигантскую воронку или столб из облака. Диаметр такого столба над водой может быть до 100 метров, а над землей до километра. Высота смерча достигает 10 километров.

Внутри воронки или столба, при вращении воздуха, образуется зона разреженного воздуха. Скорость движения воздуха в воронке пока не определена. Просто нет такого смельчака, рискнувшего попасть с приборами в воронку. Смерч втягивает в себя воду, песок, пыль, другие предметы и переносит их на значительные расстояния. Срок жизни смерча составляет от нескольких минут до полутора часов. Образуется в жару и исходит из кучево-дождевого облака. Люди пока полностью не определили механизм возникновения смерчей.

Лицей Петру Мовилэ

Курсовая работа по физике на тему:

Оптические атмосферные явления

Работа ученицы 11А класса

Болюбаш Ирины

Кишинёв 2006 -

План:

1. Введение

а) Что такое оптика?

б) Виды оптики

2. Земная атмосфера, как оптическая система

3. Солнечный закат

а) Цветовое изменение неба

б) Солнечные лучи

в) Неповторимость солнечных закатов

4. Радуга

а) Образование радуги

б) Разнообразие радуг

5. Полярные сияния

а) Виды полярных сияний

б) Солнечный ветер, как причина возникновения полярных сияний

6. Гало

а) Свет и лёд

б) Кристаллики-призмы

7. Мираж

а) Объяснение нижнего («озерного») миража

б) Верхние миражи

в) Двойные и тройные миражи

г) Мираж сверхдальнего видения

д) Легенда альпийских гор

е) Парад суеверий

8. Некоторые загадки оптических явлений

Введение

Что такое оптика?

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

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

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

Земная атмосфера, как оптическая система

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

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

Солнечный закат

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

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

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

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

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

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

Радуга

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

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

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

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

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

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

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

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

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