Електричні і оптичні явища в атмосфері

У школі вивчає тему «Оптичні явища в атмосфері» 6 клас. Однак вона становить інтерес не тільки для допитливого дитячого розуму. Оптичні явища в атмосфері, з одного боку, об`єднують веселку, зміна кольору неба під час світанків та заходів, не раз бачені усіма. З іншого - в їх число входять таємничі міражі, помилкові Місяця і Сонця, вражаючі гало, в минулому наводили жах на людей. Механізм утворення деяких з них до кінця залишається незрозумілим і сьогодні, проте загальний принцип, за яким «живуть» оптичні явища в природі, сучасна фізика добре вивчила.

повітряна оболонка

Атмосфера Землі являє собою оболонку, що складається з суміші газів і тягнеться приблизно на 100 км над рівнем моря. Щільність повітряного шару змінюється в міру віддалення від землі: найбільше її значення у поверхні планети, з висотою воно зменшується. Атмосферу можна назвати статичним формуванням. Шари газової оболонки постійно рухаються, перемішуються. Змінюються їх характеристики: температура, щільність, швидкість переміщення, прозорість. Всі ці нюанси впливають на сонячні промені, які прагнуть до поверхні планети.

оптична система

Процеси, що відбуваються в атмосфері, а також її склад сприяють поглинанню, заломлення і відбиття світлових променів. Частина їх досягає мети - земної поверхні, інша розсіюється або ж перенаправляється назад в космічний простір. В результаті викривлення і відбиття світла, розпаду частини променів на спектр і так далі утворюються різноманітні оптичні явища в атмосфері.

атмосферна оптика

За часів, коли наука тільки зароджувалася, люди пояснювали оптичні явища виходячи зі сформованих уявлень про будову Всесвіту. Радуга з`єднувала людський світ з божественним, поява на небі двох помилкових Сонць свідчило про наближення катастрофи. Сьогодні більшість феноменів, які залякували наших далеких предків, отримало наукове пояснення. Вивченням подібних феноменів займається атмосферна оптика. Оптичні явища в атмосфері ця наука описує, грунтуючись на законах фізики. Вона здатна пояснити, чому небо блакитне вдень, а під час заходу і світанку змінює колір, як утворюється веселка і звідки беруться міражі. Численні дослідження і експерименти сьогодні дозволяють зрозуміти такі оптичні явища в природі, як поява світних хрестів, Фата-моргана, райдужні гало.

Синє небо

Колір неба настільки звичний, що ми рідко замислюємося, чому він такий. Проте фізикам відповідь добре відомий. Ньютон довів, що промінь світла за певних умов розкладається на спектр. При проходженні атмосфери його частина, що відповідає синього кольору, розсіюється краще. червоний ділянку видимого випромінювання характеризується більшою довжиною хвилі і поступається фіолетовому за ступенем розсіювання в 16 разів.

При цьому небо ми бачимо не фіолетовим, а блакитним. Причина цього криється в особливостях пристрою сітківки і співвідношенні ділянок спектра в сонячному світлі. Наші очі більш чутливі до синього, а фіолетовий ділянку в спектрі світила менш інтенсивний, ніж синій.

Яскраво-червоний захід

Коли люди розібралися, що таке атмосфера, оптичні явища перестали бути для них свідченням або ознакою грізних подій. Однак науковий підхід не заважає отримувати естетичне задоволення від барвистих заходів і ніжних світанків. Яскраві червоні і помаранчеві кольори разом з рожевим і блакитним поступово поступаються нічній темряві або ранкового світла. Неможливо спостерігати два однакових світанку або заходу. А причина цього криється у тій-таки рухливості атмосферних шарів і зміни погодних умов.

Під час заходів і світанків сонячні промені долають довший шлях до поверхні, ніж днем. В результаті розсіяний фіолетовий, синій і зелений йдуть в сторони, а пряме світло забарвлюється в червоний і помаранчевий. Свою лепту в картину заходів і сходів сонця вносять хмари, пил або частинки льоду, зважені в повітрі. Світло переломлюється, проходячи через них, і забарвлює небо в найрізноманітніші відтінки. На протилежному від Сонця ділянці горизонту нерідко можна спостерігати так званий Пояс Венери - рожеву смугу, що розділяє темне нічне небо і блакитне денний. Красиве оптичне явище, назване на честь римської богині любові, видно перед світанком і після заходу сонця.

Райдужний міст

Мабуть, ніякі інші світлові явища в атмосфері не викликають в пам`яті стільки міфологічних сюжетів і казкових образів, скільки пов`язані з веселкою. Дуга або окружність, що складається з семи кольорів, кожному відома з дитинства. Красиве атмосферне явище, що виникає під час дощу, коли сонячні промені проходять крізь краплі, заворожує навіть тих, хто досконально вивчив його природу.

А фізика веселки сьогодні ні для кого не секрет. Сонячне світло, заломлюючись краплями дощу або туману, розщеплюється. В результаті спостерігач бачить сім кольорів спектра, від червоного до фіолетового. Межі між ними визначити неможливо. Кольори плавно переходять один в одного через кілька відтінків.

При спостереженні веселки сонце завжди розташовується за спиною людини. Центр посмішки Іриди (так називали веселку стародавні греки) розташовується на лінії, що проходить через спостерігача і денне світило. Зазвичай веселка постає у вигляді півкола. Її розмір і форма залежать від положення Сонця і точки, в якій знаходиться спостерігач. Чим вище світило над горизонтом, тим нижче опускається окружність можливої появи веселки. Коли Сонце долає позначку в 42º- над горизонтом, спостерігач на поверхні Землі не може побачити веселку. Чим вище над рівнем моря розташовується людина, що бажає помилуватися посмішкою Іриди, тим імовірніше, що він побачить не дугу, але коло.

Відео: ОПТИЧНІ ЯВИЩА В АТМОСФЕРІ

Подвійна, вузька і широка веселка

Нерідко разом з основною можна побачити так звану побічну веселку. Якщо перша утворюється в результаті однократного відбиття світла, то друга є результатом подвійного. Крім того, основна веселка відрізняється певним порядком кольорів: червоний розташовується на зовнішній стороні, а фіолетовий - на внутрішній, яка ближче до поверхні Землі. Побічний же «місток» являє собою зворотний по послідовності спектр: фіолетовий виявляється вгорі. Відбувається так тому, що при подвійному відображенні з краплі дощу промені виходять під іншими кутами.

Відео: оптичні явища. відео з географії для 5 класу

Райдуги розрізняються по інтенсивності кольору і ширині. Найяскравіші і досить вузькі з`являються після літньої грози. Великі краплі, характерні для такого дощу, народжують добре помітну веселку з чітко помітними квітами. Малі краплі дають більш розпливчасту і менш помітну веселку.

Оптичні явища в атмосфері: полярне сяйво

Одне з найкрасивіших атмосферних оптичних явищ - полярне сяйво. Воно характерно для всіх планет, що володіють магнітосферою. На Землі полярні сяйва спостерігаються в високих широтах обох півкуль, в зонах, що оточують магнітні полюси планети. Найчастіше можна бачити зелене або синьо-зелене свічення, іноді доповнене по краях сполохами червоного і рожевого. Інтенсивне полярне сяйво за формою нагадує стрічки або складки тканини, при згасанні перетворюються в плями. Смуги висотою в кілька сотень кілометрів добре виділяються по нижньому краю на тлі темного неба. Верхня межа полярного сяйва втрачається в височині.

Ці красиві оптичні явища в атмосфері ще зберігають свої таємниці від людей: до кінця не вивчений механізм виникнення деяких видів світіння, причина виникає під час різких сполохів тріска. Однак загальна картина формування полярних сяйв сьогодні відома. Небо над північним і південним полюсами прикрашається зеленувато-рожевим світлом, коли заряджені частинки сонячного вітру стикаються з атомами верхніх шарів земної атмосфери. Останні в результаті взаємодії отримують додаткову енергію і випускають її у вигляді світла.

гало

Сонце і Місяць нерідко постають перед нами оточені світінням, що нагадує німб. Це гало - добре помітне кільце навколо джерела світла. В атмосфері найчастіше воно утворюється завдяки дрібним частинками льоду, що становить перисті хмари високо над Землею. Залежно від форми і розмірів кристалів змінюються характеристики явища. Часто гало набуває вигляду райдужного кола в результаті розкладання світлового променя на спектр.

Цікава різновид явища носить назву паргелій. В результаті заломлення світла в кристалах льоду на рівні Сонця утворюється два світлих плями, що нагадують денне світило. В історичних хроніках можна зустріти описи цього феномена. У минулому воно часто вважалося передвісником грізних подій.

Міраж

Міражі - це теж оптичні явища в атмосфері. Вони виникають в результаті заломлення світла на кордоні між значно розрізняються по щільності шарами повітря. У літературі описано безліч випадків, коли подорожній в пустелі бачив оазиси або навіть міста і замки, яких бути поблизу не могло. Найчастіше це «нижні» міражі. Вони виникають над рівною поверхнею (пустеля, асфальт) і являють собою відбите зображення неба, здається спостерігачеві водоймою.

Відео: оптичні явища

Так звані верхні міражі зустрічаються рідше. Вони утворюються над холодною поверхнею. Верхні міражі бувають прямими і перевернутими, іноді поєднують обидва положення. Найвідомішим представником цих оптичних феноменів є Фата-моргана. Це складний міраж, який поєднує відразу кілька типів відображень. Перед спостерігачем постають реально існуючі об`єкти, багаторазово відбиті і переміщених.

Атмосферний електрику

Електричні і оптичні явища в атмосфері нерідко згадуються разом, хоча причини їх виникнення різні. Поляризація хмар і освіту блискавок пов`язані з процесами, що протікають в тропосфері і іоносфері. Гігантські іскрові розряди формуються зазвичай під час грози. Блискавки виникають всередині хмар, можуть ударяти в землю. Вони є загрозою для життя людей, і це одна з причин наукового інтересу до подібних явищ. Деякі властивості блискавок досі залишаються загадкою для дослідників. Сьогодні невідома причина виникнення кульових блискавок. Як і у випадку з деякими аспектами теорії полярних сяйв і міражів, електричні феномени продовжують інтригувати вчених.

Відео: Це цікаво: Міраж. Що це і звідки береться

Оптичні явища в атмосфері, коротко описані в статті, з кожним днем стають все більш зрозумілими для фізиків. При цьому вони, як і блискавки, не перестають дивувати людей своєю красою, таємничістю і часом грандіозністю.