Фараджова Лейла
Часто мы наблюдаем в небе необъяснимые явления. Данная работа раскрывает суть явления происходящих в атмосфере земли.
Скачать:
Предварительный просмотр:
МОУ «Песчановская средняя общеобразовательная школа»
VI районная научно-практическая конференция
Оптические явления в атмосфере
6 класс МОУ «Песчановская СОШ»
Руководитель:
Маковчук Татьяна Геннадьевна
Учитель физики
С. Песчаное
2010 г.
Введение 3
Земная атмосфера как оптическая система 4
Виды оптических явлений 5
Вывод 12
Литературы 13
Приложение 14
Введение
Целью данной работы является рассмотрение оптических атмосферных явлений, их физической природы. Наиболее доступными и вместе с тем, наиболее красочными оптическими явлениями являются, атмосферные. Огромные по своим масштабам, это - порождение взаимодействия света и атмосферы земли.
31 декабря в канун Нового года, в южной части неба не высоко над горизонтом можно было наблюдать необычное явление. В центре диск солнца и по бокам ещё два, а над ними радужное сияние. Это было очень красивое и завораживающее зрелище. Сразу стало интересно, что это, как оно образуется, почему и какие ещё явления могут происходить в атмосфере? Это необычное атмосферное явление и легло в основу моей работы.
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, миражи, солнечное и лунное гало и многое другое.
Виды оптических явлений
Существует очень много видов оптических явлений. Остановимся на некоторых из них.
Гало
(от греч. χαλοσ — «круг», «диск»; также а́ура, нимб, орео́л) - 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 и поэтому могут служить признаком их приближения. Иногда можно наблюдать и лунные гало.
Появляясь в воздухе при замерзании водяных капелек, ледяные кристаллы принимают обыкновенно одну из трех форм шестисторонних правильных призм (рис.1 А): призмы, в которых длина очень велика по сравнению с их сечением; это — всем известные ледяные иголочки, в морозные зимние дни массами реющие в самых нижних слоях атмосферы.
А. Б. В.
(рис.1)
Падая свободно в воздухе, такие иголочки располагаются длинной осью вертикально. Плоскости этих кристаллов, которые кружась, постепенно опускаются на землю, большую часть времени ориентированы параллельно поверхности. На восходе или закате, луч зрения наблюдателя может проходить через эту самую плоскость, и каждый кристалл может вести как миниатюрная линза, преломляющая солнечный свет.
В другого рода призмах высота очень мала сравнительно с сечением; тогда получаются шестисторонние плоские таблички (рис.1Б.). Иногда, наконец, ледяные кристаллики принимают форму призмы, сечение которой представляет собой шестилучевую звезду (рис.1 В.). Падая на ледяные кристаллики, луч света, в зависимости от вида кристалла и его положения относительно луча, может прямо или пройти через него без преломления, или лучи должны претерпеть в них не только преломление, но и целый ряд полных внутренних отражений. В действительности очень редко, конечно, удается наблюдать явление, все части которого были бы одинаково ярки и отчетливо видны: обыкновенно то та, то другая его часть развита ярче и характернее, остальные или наблюдаются весьма слабо, или даже отсутствуют.
Обыкновенный круг или малое гало — это блестящий круг, 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. Реже встречается гало с угловым радиусом 46°, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае в ледяных иглах, обращенных к светилу углами в 90°; круг этот обыкновенно бледнее малого, но цвета в нем разделены резче. Ширина кольца такого гало превышает 2,5 градуса. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен.
Нередко можно пронаблюдать и за лунным гало. Это довольно частое зрелище и возникает оно, если небо затянуто высокими тонкими облаками с миллионами крошечных кристалликов льда. Каждый ледяной кристалл выступает в роли миниатюрной призмы. Большинство кристаллов имеют форму вытянутых шестигранников. Свет входит через одну лицевую поверхность такого кристалла и выходит через противоположную с углом преломления 22 º .
Наблюдая зимой за уличными фонарями, можно, увидеть гало, порожденное их светом, при определенных, конечно, условиях, а именно в морозном воздухе, насыщенном ледяными кристалликами или снежинками. Кстати говоря, гало от Солнца в виде большого светлого столба может возникнуть и во время снегопада. Случаются зимой такие дни, когда снежинки как бы плавают в воздухе, а сквозь неплотные облака упрямо пробивается солнечный свет. На фоне вечерней зари этот столб выглядит иногда красноватым - будто отблеск далекого пожара. В прошлом такое вполне, как видим, безобидное явление приводило в ужас суеверных людей.
Можно видеть и такое гало: светлое, окрашенное в радужные тона кольцо вокруг Солнца. Этот вертикальный круг возникает тогда, когда в атмосфере находится много шестигранных ледяных кристалликов, не отражающих, а преломляющих солнечные лучи подобно стеклянной призме. При этом большинство лучей, естественно, рассеивается и до наших глаз не доходит. Но какая-то их часть, пройдя сквозь эти находящиеся в воздухе призмочки и преломившись, до нас доходит, вот мы и видим радужный круг вокруг Солнца. Радиус его около двадцати двух градусов. Бывает и больше - в сорок шесть градусов.
Замечено, что гало-круг всегда более ярок по бокам. Это потому, что здесь пересекаются два гало - вертикальное и горизонтальное. И ложные солнца образуются чаще всего именно в месте пересечения. Наиболее благоприятные условия для появления ложных солнц складываются тогда, когда Солнце стоит невысоко над горизонтом и часть вертикального круга уже нам не видна.
Какие же кристаллики участвуют в этом «представлении»?
Ответ на вопрос дали специальные эксперименты. Оказалось, что ложные Солнца появляются благодаря шестигранным кристаллам льда, по своей форме напоминающим... гвозди. Они плавают в воздухе вертикально, преломляя свет своими боковыми гранями.
Третье «солнце» появляется, когда над настоящим солнцем видна лишь одна верхняя часть гало-круга. Порой это отрезок дуги, иной раз светлое пятно неопределенной формы. Иногда ложные солнца не уступают по яркости самому Солнцу. Наблюдая их, древние летописцы и писали о трех солнцах, об отрубленных огненных головах и т.п.
В связи с этим явлением в истории человечества зафиксирован любопытный факт. В 1551 году немецкий город Магдебург был осажден войсками испанского короля Карла V. Стойко держались защитники города, уже больше года длилась осада. Наконец раздраженный король отдал приказ готовиться к решительной атаке. Но тут произошло невиданное: за несколько часов до штурма над осажденным городом засияли три солнца. Смертельно напуганный король решил, что Магдебург защищают небеса, и приказал снять осаду.
Радуга - это оптическое явление, возникающее в атмосфере и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде.
В религиозных представлениях народов древности радуге приписывалась роль моста между землей и небом. В греко-римской мифологии известна даже особая богиня радуги - Ирида. Греческие ученые Анаксимен и Анаксагор считали, что радуга возникает за счет отражения Солнца в темном облаке. Аристотель изложил представления о радуге в специальном разделе своей «Метеорологии». Он считал, что радуга возникает благодаря отражению света, но не просто от всего облака, а от его капель.
В 1637 году знаменитый французский философ и ученый Декарт дал математическую теорию радуги, основанную на преломлении света. Впоследствии эта теория была дополнена Ньютоном на основании его опытов по разложению света на цвета с помощью призмы. Дополненная Ньютоном теория Декарта не могла объяснить одновременного существования нескольких радуг, различной их ширины, обязательного отсутствия в цветных полосах некоторых цветов, влияния размеров капель облака на внешний вид явления. Точную теорию радуги на основе представлений о дифракции света дал в 1836 году английский астроном Д. Эри. Рассматривая пелену дождя как пространственную структуру, обеспечивающую возникновение дифракции, Эри объяснил все особенности радуги. Его теория полностью сохранила свое значение и для нашего времени.
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).
Интересно расположение цветов в радуге. Оно всегда постоянно. Красный цвет главной радуги расположен на ее верхнем крае, фиолетовый - на нижнем. Между этими крайними цветами следуют друг за другом остальные цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре. В принципе в радуге никогда не бывают представлены все цвета спектра. Чаще всего в ней отсутствуют или слабо выражены синий, темно-синий и насыщенный чисто красный цвета. С увеличением размеров капель дождя происходит сужение цветных полос радуги, сами же цвета становятся более насыщенными. Преобладание в явлении зеленых тонов обычно указывает на последующий переход к хорошей погоде. Общая картина цветов радуги имеет размытый характер, так как образуется она протяженным источником света.
При искусственном воспроизведении явления в лаборатории удавалось получать до 19 радуг. Над водоемом могут наблюдаться дополнительные радуги, расположенные друг относительно друга неконцентрично. Для одной из них источником света является Солнце, для другой - его отражение от водной поверхности. В этих условиях могут встречаться и радуги, расположенные «вверх ногами». Ночью при лунном освещении и туманной погоде в горах и на берегах морей можно наблюдать белую радугу. Такой тип радуги может возникать и при воздействии солнечного света на туман. Она имеет вид блестящей белой дуги, с внешней стороны окрашенной в желтоватый и оранжево-красный цвета, а изнутри - в сине-фиолетовый. Радуга наблюдается не только на пелене дождя. В меньших масштабах ее можно увидеть на каплях воды у водопадов, фонтанов и в морском прибое. При этом в качестве источника света могут служить не только Солнце и Луна, но и прожектор.
Полярное сияние — свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосферы планеты, обладающей магнитосферой, вследствие её 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. Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.
Мираж - простейшие видел любой из нас. Например, когда едешь по нагретой асфальтированной дороге, далеко впереди она выглядит как водная поверхность. И подобное уже давно никого не удивляет, ибо мираж - не что иное, как атмосферное оптическое явление, благодаря которому в зоне видимости появляются изображения предметов, которые при обычных условиях скрыты от наблюдения. Происходит это потому, что свет при прохождении через слои воздуха разной плотности преломляется. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут исказиться и приобрести неправильные, фантастические формы.
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 по имени вершины в горах Гарц в Германии.
Огни святого Эльма - светящиеся бледно-голубые или фиолетовые кисти длиной от 30 см до 1 м и более, обычно на верхушках мачт или концах рей находящихся в море судов. Иногда кажется, что весь такелаж судна покрыт фосфором и светится. Огни святого Эльма порой возникают на горных вершинах, а также на шпилях и острых углах высоких зданий. Это явление представляет собой кистевые электрические разряды на концах электропроводников, когда в атмосфере вокруг них сильно повышается напряженность электрического поля.
Вывод
Физическая природа света интересовала людей с незапамятных времён. Но, прежде чем утвердился совремённый взгляд на природу света, и световой луч нашёл своё 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 её, но и придаёт ей неповторимый вид, делая прекрасной.
Конечно, в атмосфере нашей планеты происходит значительно больше оптических явлений, о которых говориться в этой работе. Среди них есть как хорошо знакомые нам и разгаданные учёными, так и те, которые ещё ждут своих первооткрывателей. И нам остаётся лишь надеяться, что, со временем, мы станем свидетелями всё новых и новых открытий в области оптических атмосферных явлений, свидетельствующих о многогранности обыкновенного светового луча.
Литература
Блудов М.И.«Беседы по физике, часть II» - М.: Просвещение, 1985 г.
Булат В.Л.«Оптические явления в природе» - М.: Просвещение, 1974 г.
Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. «Курс общей физики» - М.: Просвещение, 1988 г.
Королев Ф.А. «Курс физики» М., «Просвещение» 1988 г.
Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б.«Физика 10 - М.: Просвещение, 1987 г.
Тарасов Л.В. «Физика в природе» - М.: Просвещение, 1988 г.
Тарасов Л.В. «Физика в природе» - М.: Просвещение, 1988 г.
Трубников П.Р. ПокусаевН.В.«Оптика и атмосфера - Санкт-Петербург: Просвещение, 2002 г.
ШахмаевН.М. Шодиев Д.Ш. «Физика 11 - М.: Просвещение, 1991 г.
Ресурсы интернета
Приложение
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.
Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.
Озерные, или нижние миражи - самые распространенные
мираж, давно всем известное природное явление...
фотография, призрак Броккена, тень горы, наблюдаемая на фоне вечерних облаков:
Гало - одно из красивейших и необычных явлений природы
Все прекрасно знакомы с техногенными оптическими иллюзиями, куда гораздо меньше известно, что природа также может создавать потрясающие оптические иллюзии. В этом обзоре речь пойдёт именно о таких "чудесах", которые, впрочем, вполне объяснимы наукой. Вот уж точно - "не верь глазам своим!"
1. «Конский хвост»
Со стороны может показаться, что водопад «горит». На самом деле, когда свет попадает в воду водопада под прямым углом, то выглядит это так, будто «Конский хвост» загорается.
2. «Ложное солнце»
Эта иллюзия известна, как «ложное солнце». А происходит подобное явление, когда кристаллы льда в атмосфере создают эффект двух дополнительных солнц по обеим сторонам от настоящего солнца.
3. «Фата-моргана»
Это весьма сложный тип миража, который зачастую кажется похож на настоящие рукотворные объекты. Фата-моргана возникает из-за того, что воздушные массы с различной температурой искажают световые волны.
4. «Световой столб»
В этом случае, в иллюзии «виноваты» также кристаллы льда в воздухе. Над источниками света в небе появляется гигантский вертикальный луч.
5. Брокенский призрак
Также его называют «горным призраком». Это явление происходит, когда увеличенная тень человека отбрасывается на облака или туман, который находится ниже его.
6. «Атлантическая дорога»
Этот мост в Норвегии выглядит, как пандус, ведущий в никуда. На самом деле, это оптическая иллюзия, поскольку мост на самом деле изгибается и «скрывается» за горизонтом.
7. Иллюзия Луны
Все замечали, что когда Луна находится близко к горизонту, то она кажется намного больше. Но если посмотреть на нее через «бинокль» из сцепленных рук, то Луна внезапно уменьшится. Происходит это потому, что мозг регулирует размер Луны по отношению к другому какому-либо объекту на горизонте и (ошибочно) решает, что Луна должна быть на самом деле намного больше!
8. «Зеленый луч»
Иногда это явление происходит непосредственно перед или после заходом солнца: на краю солнечного диска появляется зеленое пятно или луч всего на несколько секунд. Несмотря на то, что это вызвано различными факторами, общее объяснение состоит в том, что свет преломляется в атмосфере и вызывает такой эффект.
9. Зенитная дуга
Следующее оптическое явление похоже на радугу, но цвета подобной дуги, как правило, гораздо более чистые. А обусловлено оно, в отличие от радуги, не каплями дождя, а кристаллами льда.
10. Гало
Гало часто можно увидеть вокруг Солнца или Луны. Выглядит оно, как ореол, окружающий это небесное тело.
11. Альпийское свечение
Это интересное явление происходит, когда солнце уже село за горизонт. Из-за света, отражающегося от частиц в атмосфере, иногда кажется, что горы освещаются красноватым свечением.
12. Aurora Borealis
В северном полушарии полярное сияние известно как Aurora Borealis, а в южном полушарии его называют Aurora Australis. Эти явления вызваны магнитными лучами и солнечным ветром, взаимодействующими с верхними слоями атмосферы.
13. Солончаки
Солончаки встречаются по всему миру. Они могут вызвать необычное иллюзорное восприятие глубины, поскольку человек не видит никаких ориентиров.
14. «Голова апача»
Голова апача - скала на французском острове Эбиан, которая выглядит, как голова индейца. Данное явление известно как парейдолия - иллюзорные образы, в качестве основы которых выступают детали реального объекта.
15. «Страж Пустоши»
Это скальное образование в канадской провинции Альберта можно увидеть на Google Earth. Сверху горы выглядят, как голова человека, одетого в головной убор канадских аборигенов. Более того, горы выглядят так, будто «индеец» то ли в серьгах, то ли с наушниками.
16. Облако с грозовым валом
Облако с грозовым валом - одно из самых впечатляющих зрелищ. Увидеть такие облака можно вдоль морских побережий и выглядят они, мягко говоря, зловеще.
Любителям путешествий и природных достопримечательностей стоит обратить внимание на .
Атмосфера представляет собой мутную, оптически неоднородную среду. Оптические явления – это результат отражения, преломления и дифракции световых лучей в атмосфере.
В зависимости от причин возникновения все оптические явления делят на четыре группы:
1) явления, обусловленные рассеиванием света в атмосфере (сумерки, заря);
2) явления, обусловленные преломлением световых лучей в атмосфере (рефракцией) – миражи, мерцание звезд и др.;
3) явления, обусловленные преломлением и отражением световых лучей на каплях и кристаллах облаков (радуга, гало);
4) явления, обусловленные дифракцией света в облаках и тумане – венцы, глории.
Сумерки обусловлены рассеиванием солнечного света в атмосфере. Сумерки – это переходный период ото дня к ночи (вечерние сумерки) и от ночи ко дню (утренние сумерки). Вечерние сумерки начинаются с момента захода Солнца и до наступления полной темноты, утренние – наоборот.
Продолжительность сумерек определяется углом между направлением видимого суточного движения Солнца и горизонтом; таким образом, продолжительность сумерек зависит от географической широты: чем ближе к экватору, тем короче сумерки.
Различают три периода сумерек:
1) гражданские сумерки (погружение Солнца под горизонтом не превышает 6 о) – светло;
2) навигационные (погружение Солнца под горизонтом до 12 о) – условия видимости сильно ухудшены;
3) астрономические (погружение Солнца под горизонтом до 18 о) – у земной поверхности уже темно, но на небе еще заметна заря.
Заря – совокупность красочных световых явлений в атмосфере, наблюдаемых перед восходом Солнца или при его заходе. Разнообразие красок зари зависит от положения Солнца относительно горизонта и от состояния атмосферы.
Цвет небесного свода определяется рассеянными видимыми лучами Солнца. В чистой и сухой атмосфере рассеивание света происходит по закону Рэлея. Синие лучи рассеиваются примерно в 16 раз сильнее, чем красные, поэтому цвет неба (рассеянный солнечный свет) – синий (голубой), а цвет Солнца и его лучей у горизонта – красный, т.к. свет в этом случае проходит больший путь в атмосфере.
Большие частицы в атмосфере (капли, пылинки и т.п.) рассеивают свет нейтрально, поэтому облака и туман имеют белый цвет. При большой влажности, запыленности весь небосвод становится не голубым, а белесоватым. Следовательно, по степени синевы неба можно судить о чистоте воздуха и о характере воздушных масс.
Атмосферная рефракция – атмосферные явления, связанные с преломлением световых лучей. Рефракцией обусловлены: мерцание звезд, сплющивание видимого диска Солнца и Луны у горизонта, увеличение продолжительности дня на несколько минут, а также миражи. Мираж – это видимые мнимые изображения на горизонте, над горизонтом или под горизонтом, обусловленные резким нарушением плотности слоев воздуха. Различают нижние, верхние, боковые миражи. Редко наблюдаются движущиеся миражи – «фата-моргана».
Радуга – это светлая дуга, окрашенная во все цвета спектра, на фоне освещенного Солнцем облака, из которого выпадают капли дождя. Внешний край дуги красный, внутренний – фиолетовый. Если Солнце стоит низко над горизонтом, то мы видим лишь половину окружности. Когда Солнце находится высоко, то дуга становится меньше, т.к. центр окружности опускается за горизонт. При высоте Солнца больше 42 о радуга не видна. С самолета можно наблюдать радугу почти полного круга.
Радуга образуется при преломлении и отражении солнечных лучей в капельках воды. Яркость и ширина радуги зависит от размеров капелек. Крупные капли дают менее широкую, но более яркую радугу. При мелких каплях она почти белая.
Гало – это круги или дуги вокруг Солнца и Луны, возникающие в ледяных облаках верхнего яруса (чаще всего в перисто-слоистых).
Венцы – светлые, слегка окрашенные кольца вокруг Солнца и Луны, возникающие в водяных и ледяных облаках верхнего и среднего ярусов, обусловленные дифракцией света.
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.
В древности миражи, полярные сияния, таинственные светящиеся огни и шаровые молнии пугали суеверных людей. Сегодня ученым удалось раскрыть тайны этих загадочных явлений, понять природу их возникновения.
Явления, связанные с отражением солнечного света
Все много раз видели, как после дождя или недалеко от бурного водного потока на небе появляется цветной мост - радуга. Радуга обязана своими красками солнечным лучам и капелькам влаги, взвешенным в воздухе. Когда свет попадает на каплю воды, он как бы распадается на различные цвета. В большинстве случаев капля отражает свет только один раз, но иногда свет отражается от капли дважды. Тогда па небе вспыхивают две радуги.
Многие путешественники в пустынях становились свидетелями другого атмосферного явления миража. Посреди пустыни появлялся оазис с пальмами, караван или корабль, движущиеся по небу. Это происходит, когда раскалённый над поверхностью воздух поднимается вверх. Его плотность с высотой начинает возрастать. Тогда изображение дальнего объекта может быть видно выше его реального положения.
В морозную погоду вокруг Солнца и Лупы появляются ярко выраженные кольца гало. Они образуются, когда свет отражается в кристаллах льда, находящихся довольно высоко в атмосфере, например в перистых облаках. С внутренней стороны гало может иметь яркую окраску и красноватый оттенок. Кристаллы льда иногда столь причудливо отражают солнечный свет, что на небе появляются другие иллюзии: два солнца, вертикальные столбы света или солнечные дуги. Вокруг Солнца и Луны иногда образуются ореолы - венцы. Венцы выглядят как несколько вложенных друг в друга колец. Они возникают в высококучевых и высокослоистых облаках. Цветной венец может появиться вокруг тени, отбрасываемой, например, самолётом на нижележащие облака.
Явления связанные с электричеством
В верхние слои часто попадают мельчайшие частички из космоса. Из-за их столкновения с частичками газов и пыли возникает полярное сияние - свечение неба со всполохами в полярных широтах Северного и Южного полушарий. Формы и цвета полярного сияния разнообразны. Продолжительность его может составлять от десятков минут до нескольких суток.
Перемещающиеся в кучево-дождевых облаках капли и ледяные кристаллы накапливают электрические заряды. От этого между облаками или между облаком и землёй возникает гигантская искра - молния, которая сопровождается громом. Скопление электричества в атмосфере иногда образует светящийся шар диаметром в десятки сантиметров это шаровая молния. Она перемещается вместе с движением воздуха и может взорваться при соприкосновении с отдельными предметами, особенно металлическими. Проникнув в дом, шаровая молния быстро движется по помещению, оставляя после себя выжженные места. Шаровая молния может вызвать серьёзные ожоги и гибель людей. Точного объяснения природы этого явления пока не существует.
Другое явление, связанное с электрическим свечением атмосферы, - огни святого Эльма. Ото свечение может наблюдаться в грозовую погоду на высоких шпилях башен, а также вокруг корабельных мачт. Оно пугало суеверных моряков, которые считали его дурным знаком.