Оптичні атмосферні явища

План:
1. Введення
а) Що таке оптика?
б) Види оптики
2. Земна атмосфера, як оптична система
3. Сонячний захід
а) Кольорове зміна неба
б) Сонячні промені
в) Неповторність сонячних заходів сонця
4. Веселка
а) Освіта веселки
б) Різноманітність веселок
5. Полярні сяйва
а) Види полярних сяйв
б) Сонячний вітер, як причина виникнення полярних сяйв
    
6. Гало
а) Світло і лід
б) Кристалики-призми
7. Міраж
а) Пояснення нижнього («озерного») міражу
     б) Верхні міражі
в) Подвійні і потрійні міражі
г) Міраж наддалекого бачення
д) Легенда альпійських гір
           е) Парад забобонів
8. Деякі загадки оптичних явищ
Введення
Що таке оптика?
Перші уявлення стародавніх учених про світло були вельми наївні. Вважалося, що з очей виходять особливі тонкі щупальця і ​​зорові враження виникають при обмацуванні ними предметів. Тоді під оптикою розуміли науку про зір. Саме такий точний зміст слова «оптика». У середні століття оптика поступово з науки про зір перетворилася на науку про світло. Цьому сприяв винахід лінз і камери-обскури. У сучасний час оптика - це розділ фізики, в якому досліджується випускання світла, його поширення в різних середовищах і взаємодія з речовиною. Що ж до питань, пов'язаних із зором, пристрій і функціонування ока, то вони виділилися в спеціальний науковий напрям, зване фізіологічної оптикою.
Поняття "оптика", в сучасній науці, має багатогранне значення. Це і атмосферна оптика, і молекулярна оптика, і електронна оптика, і нейтронна оптика, і нелінійна оптика, і голографія, і радіооптіка, і пикосекундной оптика, і адаптивна оптика, і багато інших явищ і методи наукових досліджень, тісно пов'язані з оптичними явищами.
Більшість з перерахованих видів оптики, як фізичне явище, доступні нашому спостереженню тільки при використанні спеціальних технічних пристроїв. Це можуть бути лазерні установки, випромінювачі рентгенівських променів, радіотелескопи, плазмові генератори і багато іншого. Але найбільш доступним і, разом з тим, найбільш барвистим оптичними явищами є атмосферні. Величезні за своїми масштабами, вони суть - породження взаємодії світла і атмосфери землі.
Земна атмосфера, як оптична система
Наша планета оточена газовою оболонкою, яку ми називаємо атмосферою. Володіючи найбільшою щільністю у земної поверхні і поступово Розріджене з підняттям вгору, вона досягає товщини більше сотні кілометрів. І це не застигла газове середовище з однорідними фізичними даними. Навпаки, атмосфера землі знаходиться в постійному русі. Під впливом різних факторів, її шари перемішуються, змінюють щільність, температуру, прозорість, переміщуються на великі відстані з різною швидкістю.
Для променів світла, що йдуть від сонця або інших небесних світил, земна атмосфера являє собою своєрідну оптичну систему з постійно мінливими параметрами. Опиняючись на їхньому шляху, вона і відображає частину світла, розсіює його, пропускає його крізь всю товщу атмосфери, забезпечуючи освітленість земної поверхні, в певних умовах, розкладає його на складові і викривляє хід променів, викликаючи, тим самим, різні атмосферні явища. Найбільш незвичайні барвисті з них це сонячний захід, веселка, північне сяйво, міраж, сонячне та місячне гало.

Сонячний захід
Найпростішим і доступним для спостереження атмосферним явищем є занепад нашого небесного світила - Сонця. Надзвичайно барвистий, він ніколи не повторюється. А картина неба і зміна її в процесі заходу настільки яскрава, що викликає захоплення у кожної людини.
Наближаючись до горизонту, Сонце не тільки втрачає яскравість, а й починає поступово змінювати свій колір - в його спектрі у все зростаючій мірі пригнічується короткохвильова частина (червоні кольори). Одночасно починає забарвлюватися і небо. В околиці Сонця воно набуває жовтуваті і помаранчеві тони, а над протисонячний частиною горизонту з'являється бліда смуга зі слабко вираженою гамою кольорів.
До моменту заходу Сонця, вже прийняв темно-червоний колір, уздовж сонячного горизонту витягується яскрава смуга зорі, забарвлення якої змінюється від низу до верху від помаранчево-жовтого до зеленувато блакитний. Над нею розкидається округле яскраве майже незабарвлене сяйво. У той же час у протилежної горизонту починає повільно підніматися синювато-сірий тьмяний сегмент тіні Землі, облямований рожевим поясом ("Пояс Венери").
У міру того як Сонце опускається глибше під обрій, виникає швидко розпливається рожева пляма - так званий "пурпуровий світло", що досягає найбільшого розвитку при глибині Сонця під горизонтом близько 4-5 ^o. Хмари і вершини гір заливають червоні і пурпурні тони, а якщо хмари або високі гори знаходяться за горизонтом, то їх тіні простягаються близько сонячної сторони неба і стають більш насиченим. У самого горизонту небо густо червоніє, а по яскраво забарвленого небу від горизонту до горизонту тягнуться світлі промені у вигляді чітких радіальних смуг ("Промені Будди"). Тим часом тінь Землі швидко насувається на небо, її обриси стають розпливчастими, а рожеве оздоблення ледве помітним .
Поступово пурпурний світло згасає, хмари темніють, їхні силуети чітко виступають на тлі блекнущего неба і тільки у горизонту, там де сховалося Сонце, зберігається яскравий різнокольоровий сегмент зорі. Але й він поступово скорочується і блідне і до початку астрономічних сутінків перетворюється на зеленувато-білясту вузьку смугу. Нарешті, зникає і вона - настає ніч.
Описану картину слід розглядати лише як типову для ясної погоди. Насправді характер перебігу заходу схильний широким варіацій. При підвищеній замутненность повітря кольору зорі зазвичай бувають бляклими, особливо у горизонту, де замість червоних і помаранчевих тонів іноді з'являється тільки слабка буре забарвлення. Нерідко одночасні заграві явища розвиваються по-різному у різних ділянках неба. Кожен захід має неповторну індивідуальність, і це слід розглядати як одну з найбільш характерних їх рис.
Крайня індивідуальність перебігу заходу і різноманіття супроводжуючих його оптичних явищ залежить від різних оптичних характеристик атмосфери - в першу чергу її коефіцієнтів ослаблення і розсіювання, які по-різному проявляється в залежності від зенітного відстані Сонця, напряму спостереження і висоти спостерігача.
Веселка
Веселка - це гарне небесне явище - завжди привертала увагу людини. У колишні часи, коли люди ще мало знали про навколишній світ, веселку вважали «небесним знаменням". Так, стародавні греки думали, що веселка - це усмішка богині Іриди.
Веселка спостерігається осторонь, протилежною Сонцю, на тлі дощових хмар або дощу. Різнобарвна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані 1-2 км, а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.

Малюнок з роботи Р. Декарта, пояснює спостереження веселки

Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що з'єднує Сонце і око спостерігача - на протисонячний лінії. Кут між напрямом на головну веселку і протисонячний лінією складає 41є - 42є
У момент сходу сонця проти сонячна крапка знаходиться на лінії горизонту, і веселка має вид півкола. У міру підняття Сонця проти сонячна крапка опускається під горизонт і розмір веселки зменшується. Вона являє собою лише частину кола.
Часто спостерігається побічна веселка, концентрична з першою, з кутовим радіусом близько 52є і зворотним розташуванням квітів.
Основна веселка утворюється за рахунок відбиття світла в краплях води. А побічна веселка утворюється в результаті дворазового відображення світла всередині кожної краплі. У цьому випадку промені світла виходять з краплі під іншими кутами, ніж ті, які дають основну веселку, і кольори в побічної веселці розташовуються в зворотній послідовності.
Хід променів у краплі води: а - при одному відображенні, б - при двох відбитках

При висоті Сонця 41є головна веселка перестає бути видимою і над горизонтом виступає лише частина побічної веселки, а при висоті Сонця більш 52є не видно і побічна веселка. Тому в середніх екваторіальних широтах у околополуденние годинник це явище природи ніколи не спостерігається.
У веселки розрізняють сім основних кольорів, що плавно переходять один в іншій. Вид дуги, яскравість кольорів, ширина смуг залежать від розмірів крапельок води і їх кількості. Великі краплі створюють вужчу веселку, з різко виділяються квітами, малі - дугу розпливчату, бляклу і навіть білу. Ось чому яскрава вузька веселка видно влітку після грозового дощу, під час якого падають крупні краплі.
Вперше теорія веселки була дана в 1637 році Рене Декартом. Він пояснив веселку, як явище, пов'язане з віддзеркаленням і заломленням світла в дощових краплях. Освіта квітів і їх послідовність були пояснені пізніше, після розгадки складної природи білого світу і його дисперсії в середовищі.
Освіта веселки
Можна розглянути простий випадок: хай на краплі, що мають форму кулі, падає пучок паралельних сонячних променів. Промінь, падаючий на поверхню краплі в точці А, заломлюється усередині неї за законом заломлення: n sin α = n sin β, де n = 1, n ≈ 1,33 - відповідно показники заломлення повітря і води, α - кут падіння, а β - кут заломлення світла.
Усередині краплі йде по прямий промінь АВ. У точці В відбувається часткове заломлення світивши і часткове його віддзеркалення. Треба зауважити, що, чим менше кут падіння в крапці В, а отже і в точці А, тим менше інтенсивність відображеного променя і тим більше інтенсивність переломленого променя.
Промінь АВ після відбиття в точці В відбувається під кутом β `= β потрапляє в точку С, де також відбувається часткове віддзеркалення і часткове заломлення світла. Заломлений промінь виходить з краплі під кутом γ, а відбитий може пройти далі, в точку D і т.д. Таким чином, промінь світла в краплі зазнає багатократне віддзеркалення і заломлення. При кожному віддзеркаленні деяка частина променів світла виходить назовні і інтенсивність їх усередині краплі зменшується. Найбільш інтенсивним з виходять в повітря променів є промінь, що вийшов з краплі в точці В. Але спостерігати його важко, оскільки він втрачається на тлі яскравих прямих сонячних променів. Промені ж, заломлені в крапці З, створюють в сукупності на тлі темної хмари первинну веселку, а промені, що випробовують заломлення в точці D дають вторинну веселку, яка менш інтенсивна, ніж первинна.
При розгляді освіти веселки потрібно врахувати ще одне явище - неоднакове заломлення хвиль світла різної довжини, тобто світлових променів різного кольору. Це явище носить назву дисперсії. Внаслідок дисперсії кути заломлення γ і кута відхилення променів у краплі різні для променів різного забарвлення.
Веселка виникає внаслідок дисперсії сонячних променів у краплинах води. У кожній крапельці промінь зазнає багатократне внутрішнє відбиття, але при кожному відбитті частина енергії виходить назовні. Тому чим більше внутрішніх віддзеркалень випробують промені у краплі, тим слабше веселка. Спостерігати веселку можна, якщо Сонце знаходиться позаду спостерігача. Тому найяскравіша, первинна веселка формується з променів, які зазнали одне внутрішнє віддзеркалення. Вони перетинають падаючі промені під кутом близько 42 °. Геометричним місцем точок, розташованих під кутом 42 ° до падаючого променю, є конус, що сприймається оком в його вершині як коло. При висвітленні білим світлом буде виходити кольорова смуга, причому червона дуга завжди вище фіолетовою.
Найчастіше ми спостерігаємо одну веселку. Нерідкі випадки, коли на небозводі з'являються одночасно дві веселкові смуги, розташовані одна за одною; спостерігають і ще більше число небесних дуг - три, чотири і навіть п'ять одночасно. Виявляється, що веселка може виникати не тільки від прямих променів; нерідко вона з'являється і у відбитих променях Сонця. Це можна бачити на березі морських заток, великих річок і озер. Три-чотири веселки - звичайні і відображені - створюють часом красиву картину. Так як відображені від водної поверхні промені Сонця йдуть від низу до верху, то веселка утворюється в променях, може виглядати іноді абсолютно незвично.
Не слід думати, що веселку можна спостерігати тільки вдень. Вона буває і вночі, правда, завжди слабка. Побачити таку веселку можна після нічного дощу, коли з-за хмар вигляне Місяць.
Деяку подібність веселки можна отримати на такому досвіді: Потрібно колбу, наповнену водою, освітити сонячних світлом або лампою через отвір в білій дошці. Тоді на дошці виразно стане видна веселка, причому кут розбіжності променів в порівнянні з початковим напрямом складе близько 41 ° - 42 °. У природних умовах екрану немає, зображення виникає на сітківці ока, і око проектує це зображення на хмари.
Якщо веселка з'являється увечері перед заходом Сонця, то спостерігають червону веселку. В останні п'ять або десять хвилин перед заходом всі барви веселки, окрім червоного, зникають, вона стає дуже яскравою і видимою навіть опісля десять хвилин після заходу.
Красиве видовище є веселка на росі. Її можна спостерігати при сході Сонця на траві, покритою росою. Ця веселка має форму гіперболи.
Полярні сяйва
Одним з найкрасивіших оптичних явищ природи є полярне сяйво.
У більшості випадків полярні сяйва мають зелений або синьо-зелений відтінок з зрідка з'являються плямами або облямівкою рожевого або червоного кольору.
Полярні сяйва спостерігають в двох основних формах - у вигляді стрічок і у вигляді облакоподобних плям. Коли сяйво інтенсивно, воно набуває форми стрічок. Втрачаючи інтенсивність, воно перетворюється на плями. Проте багато стрічок зникають, не встигнувши розбитися на плями. Стрічки як би висять в темному просторі неба, нагадуючи гігантський завісу або драпірування, що протягнулася зазвичай зі сходу на захід на тисячі кілометрів. Висота цього завіси складає декілька сотень кілометрів, товщина не перевищує декількох сотень метрів, причому він такий ніжний і прозорий, що крізь нього видно зірки. Нижній край завіси досить різко і виразно обкреслений і часто підфарбований в червоний або рожевий колір, що нагадує облямівку завіси, верхній - поступово втрачається у висоті і це створює особливо ефектне враження глибини простору.
Розрізняють чотири типи полярних сяйв:
Однорідна дуга - смуга, що світиться має найбільш просту, спокійну форму. Вона більш яскрава знизу і поступово зникає догори на тлі свічення неба;
Промениста дуга - стрічка стає декілька активнішою і рухомий, вона утворює дрібні складки і цівки;
Промениста смуга - із зростанням активності крупніші складки накладаються на дрібні;
При підвищенні активності складки або петлі розширюються до величезних розмірів, нижній край стрічки яскраво сяє рожевим свіченням. Коли активність спадає, складки зникають і стрічка повертається до однорідної формі. Це наводить на думку, що однорідна структура є основною формою полярного сяйва, а складки пов'язані із зростанням активності.
Часто виникають сяйва іншого виду. Вони захоплюють весь полярний район і виявляються дуже інтенсивними. Відбуваються вони під час збільшення сонячної активності. Ці сяйва представляються у вигляді білувато-зеленої шапки. Такі сяйва називають шквалами.
По яскравості сяйва розділяють на чотири класи, що відрізняються один від одного на один порядок (тобто в 10 разів). До першого класу відносяться сяйва, ледве помітні і приблизно рівні по яскравості Чумацькому Шляху, сяйво ж четвертого класу освітлюють Землю так яскраво, як повний Місяць.
Треба відзначити, що виникле сяйво розповсюджується на захід із швидкістю 1 км / сек. Верхні шари атмосфери в області спалахів сяйв розігріваються і спрямовуються вгору. Під час сяйв в атмосфері Землі виникають вихрові електричні струми, захоплюючі великі області. Вони порушують додаткові нестійкі магнітні поля, так звані магнітні бурі. Під час сяйв атмосфера випромінює рентгенівські промені, які, мабуть, є результатом гальмування електронів в атмосфері.