Оптические явления в природе. Конструкции в оптике. Полное внутреннее отражение света

Оптические явления в природе

Явления, связанные с преломлением света.

Миражи.

В неоднородной среде свет распространяется непрямолинейно. Если мы представим себе среду, в которой показатель преломления изменяется снизу вверх, и мысленно разобьем ее на тонкие горизонтальные слои, то, рассматривая условия преломления света при переходе от слоя к слою, заметим, что в такой среде луч света должен постепенно изменять свое направления.

Такое искривление световой луч претерпевает в атмосфере, в которой по тем или иным причинам, главным образом благодаря неравномерному нагреванию ее, показатель преломления воздуха изменяется с высотой.

Воздух обычно нагревается от почвы, поглощающей энергию солнечных лучей. Поэтому температура воздуха понижается с высотой. Известно также, что с высотой понижается и плотность воздуха. Установлено, что с увеличением высоты, показатель преломления уменьшается, поэтому лучи, идущие сквозь атмосферу искривляются, пригибаясь к Земле. Это явление получило название нормальной атмосферной рефракции. Вследствие рефракции небесные светила кажутся нам несколько «приподнятыми» (выше своей истинной высоты) над горизонтом.

Миражи делят на три класса.
К первому классу относят наиболее распространенные и простые по своему происхождению, так называемые озерные (или нижние) миражи, вызывающие столько надежд и разочарований у путников пустынь.

Объяснение этого явления простое. Нижние слои воздуха, разогретые от почвы, не успели еще подняться вверх; их показатель преломления света меньше, чем верхних. Поэтому лучи света, исходящие от предметов, изгибаясь в воздухе, попадают в глаз снизу.

Чтобы увидеть мираж, нет надобности ехать в Африку. Его можно наблюдать и в жаркий тихий летний день и у нас над разогретой поверхностью асфальтового шоссе.

Миражи второго класса называют верхними или миражами дальнего видения.

Они появляются в том случае, если верхние слои атмосферы окажутся по каким-либо причинам, например, при попадании туда нагретого воздуха, особенно разреженными. Тогда лучи, исходящие от земных предметов, искривляются сильнее и достигают земной поверхности, идя под большим углом к горизонту. Глаз же наблюдателя проецирует их в том направлении, по которому они входят в него.

Видимо в том, что большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря, повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей.

Верхние миражи наблюдаются и в северных странах, когда дуют теплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние – охлажденными из-за наличия больших масс тающих льдов и снегов.

Миражи третьего класса – сверхдальнего видения – трудно объяснить. Однако, высказывались предположения об образовании в атмосфере гигантских воздушных линз, о создании вторичного миража, то есть миража от миража. Возможно, что здесь играет роль ионосфера, отражающая не только радиоволны, но и световые волны.

Явления, связанные с дисперсией света

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще очень мало знали об окружающем их мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, сто радуга – это улыбка богини Ириды. Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя Ра расстоянии 1-2 км., иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м. на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды

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 радугу более узкую, 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.

Впервые теория радуги была дана в 1637 году Р. Декартом. Он объяснил радугу как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.

Образование цветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложной природы белого света и его дисперсии в среде. Дифракционная теория радуги разработана Эри и Пертнером.

Явления, связанные с интерференцией света

Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В атмосфере присутствуют небольшие кристаллы воды, и когда их грани образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, того, кто наблюдает эффект, и кристаллы, на небе становится виден характерный белый ореол, окружающий Солнце. Так грани отражают лучи света с отклонением на 22°, образуя гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием "бриллиантовая пыль".

Наиболее известным примером большого гало является знаменитое, часто повторяющееся «Брокенское видение». Например, человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет. Свое название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, на которой, из-за частых туманов, можно регулярно наблюдать этот эффект.

Паргелии.

"Паргелий" в переводе с греческого – "ложное солнце". Это одна из форм гало (см. пункт 6): на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца, расположенных на той же высоте над горизонтом, что и настоящее Солнце. Миллионы кристаллов льда с вертикальной поверхностью, отражающие Солнце, и образуют это красивейшее явление.

Паргелии можно наблюдать в тихую погоду при низком положении Солнца, когда значительное количество призм располагается в воздухе так, что их главные оси вертикальны, и призмы медленно опускаются как маленькие парашютики. В этом случае наиболее яркий преломленный свет поступает в глаз под углом 220 с граней, расположенных вертикально, и создает вертикальные столбы по обе стороны от Солнца по горизонту. Эти столбы могут быть в некоторых местах особо яркими, создавая впечатление ложного Солнца.

Полярные сияния.

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние. Невозможно передать словами красоту полярных сияний, переливающихся, мерцающих, пламенеющих на фоне темного ночного неба в полярных широтах.

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. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает несколько сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно отчетливо и резко очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Различают четыре типа полярных сияний:

1. Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

2.Лучистая дуга – лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

3.Лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

4.При повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров (до сотни километров), нижний край ленты сияет розовым светом. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура являе6тся основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленого свечения всей полярной шапки. Такие сияния называются шквалами.

Заключение

Когда-то миражи «Летучий голландец» и «Фата Моргана» наводили ужас на моряков. В ночь на 27 марта 1898 года, среди Тихого океана экипаж судна «Матадор» был напуган видением, когда в штиль в полночь увидел в 2милях (3,2 км) судно, которое боролось с сильным штормом. Все эти события на самом деле происходили на расстоянии 1700км.

Сегодня все, кто знает законы физики, а точнее ее раздела оптика, могут объяснить все эти загадочные явления.

В своей работе я не описала все оптические явления природы. Их очень много. Мы любуемся голубым цветом неба, румяной зарей, пылающим закатом - эти явления объясняются поглощением и рассеянием солнечного света. Работая с дополнительной литературой, я убедилась, что на вопросы, которые возникают при наблюдениях за окружающим нас миром, можно всегда найти ответы. Правда, надо знать, основы естественных наук.

ВЫВОД: Оптические явления в природе объясняются преломлением или отражением света, либо волновыми свойствами света- дисперсией, интерференцией, дифракцией, поляризацией, либо квантовыми свойствами света. Мир загадочен, но познаваем.

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Явления света в атмосфере, напр. радуга.

Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.- Чудинов А.Н. , 1910 .

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Явления, производимые светом.

Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с означением их корней.- Михельсон А.Д. , 1865 .

Смотреть что такое "ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ" в других словарях:

Оптические явления и их признаки - Имена существительные ЗАРНИ/ЦА, вспо/лох, устар. спо/лох. Оптическое явление, представляющее собой мгновенную световую вспышку на небосклоне ночью или вечером, являющуюся отблеском далёкой грозы. ЗАРЯ/, рассве/т, трад. поэт. Авро/ра,… … Словарь синонимов русского языка

Нелинейные оптич. явления, наблюдаемые в импульсных и в модулированных во времени полях эл. магн. волн. Большинство Н. н. о. я. обусловлено инерционностью среды, как инерционностью локального нелинейного отклика, так и инерционностью отклика… … Физическая энциклопедия

Интенсивноразрабатываемое в 1980 90 е гг. новое поколение вычислит. техники (компьютеров)на основе использования оптич. излучения в качестве носителя информации … Физическая энциклопедия

Газоразрядные явления, аналогичные электрическим разрядам в газе, возникающиев воздухе или др. газе под действием мощных световых (лазерных) полей … Физическая энциклопедия

Оптическая система (англ. optical system) совокупность оптических элементов (преломляющих, отражающих, дифракционных и т. п.), созданная для определённого формирования пучков световых лучей (в классической оптике), радиоволн (в радиооптике),… … Википедия

Не следует путать с термином «Изомерия атомных ядер». Изомерия (от izos равный и meros доля, часть греч., ср. изо), существование соединений (главным образом органических), одинаковых по элементному составу и молекулярной массе, но различных по… … Википедия

Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона … Википедия

Атмосферные явления видимое проявление сложных физико химических процессов, происходящих в воздушной оболочке Земли атмосфере. Классификация Группы атмосферных явлений: Гидрометеоры совокупность капель воды или частичек льда,… … Википедия

- (И. зрения, псевдоскопии) так называются неправильные представления о форме, размере, цвете и положении в пространстве предметов внешнего мира, возникающие под влиянием зрительных впечатлений. По причинам, вызывающим их, И. зрения могут делиться … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Возникновение звуковых (акустических) волн в средах под действием оптического излучения. Ф. я. могут быть связаны с обратным пьезоэлектрич. эффектом в кристаллах и пьезокерамике (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ, ФОТОУПРУГОСТЬ), электрострикционным эффектом,… … Физическая энциклопедия

Книги

Атмосфера. Общепонятная метеорология , Камиль Фламмарион. Книжный магазин П. В. Луковникова, г. Санкт-Петербург, 1900 год. Владельческий переплет. Сохранность хорошая. На обложке присутствуют потертости, частичная утрата корешка. Настоящее издание…
Оптические методы в химии, биологии и медицине. Монография , Моряхина Валерия Сергеевна. Рассмотрены наиболее распространенные современные методы спектрального анализа, в основе которых лежит поглощение света и испускание флуоресценции. Изложенные вмонографии методы часто…

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.

“Оптические явления в природе”

Введение

а) Понятие оптики

б) Классификация оптики

в) Оптика в развитии современной физики

Явления, связанные с отражением света

4. Полярные сияния

Введение

Понятие оптики

Весьма наивными были первые представления древних ученых о свете. Они думали, что зрительные впечатления возникают при ощупывании предметов особыми тонкыми щупальцами, которые выходят из глаз. Оптика была наука о зрении, именно так наиболее точно можно перевести это слово.

Постепенно в средние века оптика из науки о зрении превратилась в науку о свете, способствовало этому изобретение линз и камеры-обскуры. На настоящий момент времени оптика - это раздел физики, исследующий испускание света и его распространение в различных средах, а также взаимодействие его с веществом. Вопросы, связанные со зрением, устройством и функционированием глаза, выделились в отдельное научное направление - физиологическая оптика.

Классификация оптики

Cветовые лучи – геометрические линии, вдоль которых распространяется световая энергия, при рассмотрении многих оптических явлений можно пользоваться представлением о них. В этом случае говорят о геометрической (лучевой) оптике. Широкое распространение геометрическая оптика получила в светотехнике, а также при рассмотрении действий многочисленных приборов и устройств – от лупы и очков до сложнейших оптических телескопов и микроскопов.

Интенсивные исследования открытых ранее явлений интерференции, дифракции и поляризации света развернулись в начале XIX века. Данные процессы не объяснялись в рамках геометрической оптики, поэтому необходимо было рассматривать свет в виде поперечных волн. В следствии этого появилась волновая оптика. Изначально считали, что свет - это упругие волны в некоторой среде (мировом эфире), заполняющей мировое пространство.

Но английский физик Джеймс Максвелл в 1864 году создал электромагнитную теорию света, по которой волны света – это электромагнитные волны с соответствующим диапазоном длин.

А уже в начале XX века, новые проведенные исследования показали, что для объяснения некоторых явлений, например фотоэффекта, существует необходимость представить световой пучок в виде потока своеобразных частиц – световых квантов. Исаак Ньютон имел аналогичную точку зрения на природу света еще 200 лет назад в своей “теории истечения света”. Сейчас этим занимается квантовая оптика.

Роль оптики в развитии современной физики.

В развитии современной физики немалую роль сыграла и оптика. С оптическими исследованиями связано в приципе возникновение двух наиболее важных и революционных теорий двадцатого столетия (квантовой механики и теории относительности). Оптические методы анализа вещества на молекулярном уровне породили специальное научное направление – молекулярную оптику, к ней также относится оптическая спектроскопия, применяемая в современном материаловедении, при исследованиях плазмы, в астрофизике. Также существуют электронная и нейтронная оптики.

На современном этапе развития созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало, разработаны оптические модели атомных ядер.

Оптика, влияя на развитие разных направлений современной физики, и сама сегодня находится в периоде бурного развития. Главным толчком к этому развитию послужило изобретение лазеров - интенсивных источников когерентного света. В итоге волновая оптика поднялась на более высокую ступень, ступень когерентной оптики.

Благодаря появлению лазеров появилось очень много научно-технических развивающихся направлений. Среди которых находятся такие, как нелинейная оптика, голография, радиооптика, пикосекундная оптика, адаптивная оптика и др.

Радиооптика зародилась на стыке радиотехники и оптики и занимается исследованием оптических методов передачи и обработки информации. Данные методы находятся в сочетании с традиционными электронными методами; в итоге получилось научно-техническое направление, называемое оптоэлектронникой.

Предмет волоконной оптики, представляет передача световых сигналов по диэлектрическим волокнам. Применяя достижения нелинейной оптики, можно изменять волновой фронт светового пучка, модифицирующийся при распространении света в той или иной среде, например в атмосфере или в воде. Следовательно, возникла и интенсивно развивается адоптивная оптика. К которой тесно примыкает зарождающаяся на наших глазах фотоэнергетика, занимающаяся, в частности, вопросами эффективной передачи световой энергии по лучу света. Современная лазерная техника позволяет получать световые импульсы длительностью порядка всего лишь пикосекунды. Такие импульсы оказываются уникальным “инструментом” для исследования целого ряда быстропротекающих процессов в веществе, и в частности в биологических структурах. Возникло и развивается специальное направление – пикосекундная оптика; к нему тесно примыкает фотобиология. Можно без преувеличения сказать, что широкое практическое использование достижений современной оптики – обязательное условие научно-технического прогресса. Оптика открыла человеческому разуму дорогу в микромир, она же позволила ему проникнуть в тайны звездных миров. Оптика охватывает все стороны нашей практической деятельности.

Явления, связанные с отражением света.

Предмет и его отражение

То, что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут “вверх ногами” далеко не так.

Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем “исчезнет”, если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.

Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.

Часто людям кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок и насыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить, наблюдая отражение предметов в зеркале. Здесь большую роль играет психологическое восприятие, чем физическая сторона явления. Рама зеркала, берега пруда ограничивают небольшой участок пейзажа, ограждая боковое зрение человека от избыточного рассеянного света, поступающего со всего небосвода и ослепляющего наблюдателя, то есть он смотрит на небольшой участок пейзажа как бы через темную узкую трубу. Уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает людям наблюдение неба, облаков и других яркоосвещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза.

Зависимость коэффициента отражения от угла падения света.

На границе двух прозрачных сред свет частично отражается, частично проходит в другую среду и преломляется, частично поглощается средой. Отношение отраженной энергии к падающей называют коэффициентом отражения. Отношение энергии света, прошедшего через вещество, к энергии падающего света называют коэффициентом пропускания.

Коэффициенты отражения и пропускания зависят от оптических свойств, граничащих между собой сред и угла падения света. Так, если свет падает на стеклянную пластинку перпендикулярно (угол падения α=0), то отражается всего лишь 5% световой энергии, а 95% проходит через границу раздела. При увеличении угла падения доля отраженной энергии возрастает. При угле падения α=90˚ она равна единице.

Зависимость интенсивности отраженного и проходящего через стеклянную пластинку света можно проследить, располагая пластинку под различными углами к световым лучам и оценивая интенсивность на глаз.

Интересно также оценить на глаз интенсивность света, отраженного от поверхности водоема, в зависимости от угла падения, пронаблюдать отражение солнечных лучей от окон дома при различных углах падения днем, при закате, восходе светила.

Защитные стекла

Обычные оконные стекла частично пропускают тепловые лучи. Это хорошо для использования их в северных районах, а также для парников. На юге же помещения настолько перегреваются, что работать в них тяжело. Защита от Солнца сводится либо к затемнению здания деревьями, либо к выбору благоприятной ориентации здания при перестройке. И то и другое иногда бывает затруднительным и не всегда выполнимым.

Для того чтобы стекло не пропускало тепловые лучи, его покрывают тонкими прозрачными пленками окислов металлов. Так, оловянно-сурьмяная пленка не пропускает более половины тепловых лучей, а покрытия содержащие окись железа, полностью отражают ультрафиолетовые лучи и 35-55% тепловых.

Растворы пленкообразующих солей наносят из пульверизатора на горячую поверхность стекла во время его тепловой обработки или формования. При высокой температуре соли переходят в окиси, крепко связанные с поверхностью стекла.

Подобным образом изготовляют стекла для светозащитных очков.

Полное внутреннее отражение света

Красивое зрелище представляет собой фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаются изнутри. Это можно изобразить в обычных условиях, проделав следующий опыт (рис. 1). В высокой консервной банке на высоте 5 см от дна надо просверлить круглое отверстие ( а ) диаметром 5-6 мм. Электрическую лампочку с патроном надо аккуратно обернуть целлофановой бумагой и расположить ее напротив отверстия. В банку надо налить воды. Открыв отверстие а, получим струю, которая будет освещена изнутри. В темной комнате она ярко светится и опят выглядит очень эффектно. Струе можно придать любую окраску, поместив на пути лучей света цветное стекло б . Если на пути струи подставить палец, то вода разбрызгивается и эти капельки ярко светятся.

Объяснение этого явления довольно простое. Луч света проходит вдоль струи воды и попадает на изогнутую поверхность под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение, а затем опять попадает на противоположную сторону струи под углом опять больше предельного. Так луч проходит вдоль струи изгибаясь вместе с ней.

Но если бы свет полностью отражался внутри струи, то она не была бы видна извне. Часть света рассеивается водой, пузырьками воздуха и различными примесями, имеющимися в ней, а также вследствие неровностей поверхности струи, поэтому она видна снаружи.

Цилиндрический световод

Если направить световой пучок в один торец сплошного стеклянного изогнутого цилиндра, можно заметить, что свет будет выходить из его другого торца (рис. 2); через боковую поверхность цилиндра свет почти не выходит. Прохождение света по стеклянному цилиндру объясняется тем, что, падая на внутреннюю поверхность цилиндра под углом, больше предельного, свет многократно испытывает полное отражение и достигает конца.

Чем тоньше цилиндр, тем чаще будут происходить отражения луча и тем большая часть света будет падать на внутреннюю поверхность цилиндра под углами, большими предельного.

Алмазы и самоцветы

В Кремле существует выставка алмазного фонда России.

В зале свет слегка приглушен. В витринах сверкают творения ювелиров. Здесь можно увидеть такие алмазы, как “Орлов”, “Шах”, “Мария”, “Валентина Терешкова”.

Секрет прелестной игры света в алмазах, заключается в том, что этот камень имеет высокий показатель преломления (n=2,4173) и вследствие этого малый угол полного внутреннего отражения (α=24˚30′) и обладает большей дисперсией, вызывающей разложение белого света на простые цвета.

Кроме того, игра света в алмазе зависит от правильности его огранки. Грани алмаза многократно отражают свет внутри кристалла. Вследствие большой прозрачности алмазов высокого класса свет внутри них почти не теряет своей энергии, а только разлагается на простые цвета, лучи которых затем вырываются наружу в различных, самых неожиданных направлениях. При повороте камня меняются цвета, исходящие из камня, и кажется, что сам он является источником многих ярких разноцветных лучей.

Встречаются алмазы, окрашенные в красный, голубоватый и сиреневый цвета. Сияние алмаза зависит от его огранки. Если смотреть сквозь хорошо ограненный водяно-прозрачный бриллиант на свет, то камень кажется совершенно непрозрачным, а некоторые его грани выглядят просто черными. Это происходит потому, что свет, претерпевая полное внутреннее отражение, выходит в обратном направлении или в стороны.

Если смотреть на верхнюю огранку со стороны света, она сияет многими цветами, а местами блестит. Яркое сверкание верхних граней бриллианта называют алмазным блеском. Нижняя сторона бриллианта снаружи кажется как бы посеребренной и отливает металлическим блеском.

Наиболее прозрачные и крупные алмазы служат украшением. Мелкие алмазы находят широкое применение в технике в качестве режущего или шлифующего инструмента для металлообрабатывающих станков. Алмазами армируют головки бурильного инструмента для проходки скважин в твердых породах. Такое применение алмаза возможно из-за большой отличающей его твердости. Другие драгоценные камни в большинстве случаев являются кристаллами окиси алюминия с примесью окислов окрашивающих элементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они также отличаются твердостью, прочностью и обладают красивой окраской и “игрой света”. В настоящее время умеют получать искусственным путем крупные кристаллы окиси алюминия и окрашивать их в желаемый цвет.

Явления дисперсии света объясняют многообразием красок природы. Целый комплекс оптических экспериментов с призмами в XVII веке провел английский ученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной (“неоднородный”); основными же являются различные цвета (“однородные” лучи, или “монохроматические” лучи). Разложение белого света на различные цвета происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Эти выводы, сделанные Ньютоном, согласуются с современными научными представлениями.

Наряду с дисперсией коэффициента преломления наблюдается дисперсия коэффициентов поглощения, пропускания и отражения света. Этим объясняются разнообразные эффекты при освещении тел. Например, если имеется какое-то прозрачное для света тело, у которого для красного света коэффициент пропускания велик, а коэффициент отражения мал, для зеленого же света наоборот: коэффициент пропускания мал, а коэффициент отражения велик, тогда в проходящем свете тело будет казаться красным, а в отраженном свете – зеленым. Такими свойствами обладает, например, хлорофилл – зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обуславливающее зеленый цвет. Раствор хлорофилла в спирту при рассматривании на просвет оказывается красным. В отраженном свете этот же раствор выглядит зеленым.

Если у какого-то тела коэффициент поглощения велик, а коэффициенты пропускания и отражения малы, то такое тело будет казаться черным и непрозрачным (например, сажа). Очень белое, непрозрачное тело (например, окись магния) имеет коэффициент отражения близкий к единице для всех длин волн, и очень малые коэффициенты пропускания и поглощения. Вполне прозрачное для света тело (стекло) имеет малые коэффициенты отражения и поглощения и близкий к единицы для всех длин волн коэффициент пропускания. У окрашенного стекла для некоторых длин волн коэффициенты пропускания и отражения практически равны нулю и, соответственно, значение коэффициента поглощения для этих же длин волн близко к единице.

Явления, связанные с преломлением света

Некоторые виды миражей. Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: “озерные” миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

Нижние (“озерные”) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и степях, то верхние наблюдают в северных широтах.

Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямое изображение, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения, простое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает еще одно - третье изображение.

Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге “Атмосфера” описывает пример подобного миража: “Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!” Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. “Летучего голландца” следует отнести именно к таким миражам.

Объяснение нижнего (“озерного”) миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности для рассматриваемого случая показано на рисунке 3, а.

В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке A находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой “озерный” мираж.

Простые верхние миражи. Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями; изменение n с высотой h показано на рисунке 4, а. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Показанное на рисунке прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом можно убедится, рассмотрев гипотетический случай – показатель преломления на некоторой высоте h уменьшается скачком (рис. 5). Лучи объекта, прежде чем попасть к наблюдателю А испытывают полное внутреннее отражение от границы ВС ниже которой в данном случае находится более плотный воздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переход совершается постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхний мираж даст перевернутое изображение (рис. 5).

Двойные и тройные миражи. Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области I будут искривляться быстрее, чем в области II. В результате возникают два изображения (рис. 6, 7). Световые лучи 1, распространяющиеся в пределах воздушной области I, формируют перевернутое изображение объекта. Лучи 2, распространяющиеся в основном в пределах области II, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Чтобы понять как появляется тройной мираж, нужно представить три последовательный воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшается медленно. На рисунке представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой. На рисунке показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области I. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадаю в воздушную область II, эти лучи испытывают сильное искривление. Лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта.

Мираж сверхдальнего видения. Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча на рисунке 8 все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных “световодов”, которые иногда создает природа.

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.

В момент восхода солнца противосолнечная точка (точка М) 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.

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.

Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.

Можно рассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучок параллельных солнечных лучей (рис. 10). Луч, падающий на поверхность капли в точке А, преломляется внутри нее по закону преломления:

n sin α=n sin β , где n=1, n≈1,33 –

соответственно показатели преломления воздуха и воды, α – угол падения, а β – угол преломления света.

Внутри капли идет по прямой луч АВ. В точке В происходит частичное преломление луча и частичное его отражение. Надо заметить, что, чем меньше угол падения в точке В, а следовательно и в точке А, тем меньше интенсивность отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча.

Луч АВ после отражения в точке В происходит под углом β`= β b попадает в точку С, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли под углом γ, а отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая часть лучей света выходит наружу и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупности на фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке D дают вторичную радугу, которая менее интенсивна, чем первичная.

При рассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление – неодинаковое преломление волн света различной длины, то есть световых лучей разного цвета. Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления γ и угла отклонения лучей Θ в капле различны для лучей различной окраски.

Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно. Это интересное явление наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда во второй половине дня среди туч над Невой появились четыре радуги. Оказывается, что радуга может возникать не только от прямых лучей; нередко она появляется и в отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, больших рек и озер. Три-четыре радуги – обыкновенные и отраженные – создают подчас красивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.

Не следует думать, что радугу можно наблюдать только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть такую радугу можно после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна.

Некоторой подобие радуги можно получить на таком опыте: Нужно колбу, наполненную водой, осветить солнечных светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доске отчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению с начальным направлением составит около 41-42°. В естественных условиях экрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака.

Если радуга появляется вечером перед заходом Солнца, то наблюдают красную радугу. В последние пять или десять минут перед закатом все цвета радуги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой и видимой даже спустя десять минут после заката.

Красивое зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать при восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму гиперболы.

Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

Полярные сияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает нескольких сотен метров, причем так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Различают четыре типа полярных сияний:

Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга – лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

При повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров, нижний край ленты ярко сияет розовым свечением. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек. Верхние слои атмосферы в области вспышек сияний разогреваются и устремляются вверх, что сказалось на усиленном торможении искусственных спутников Земли, проходящих эти зоны.

Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают магнитные бури, так называемые дополнительные неустойчивые магнитные поля. Когда атмосфера сияет, она излучает рентгеновские лучи, являющиеся, скорей всего результатом торможения электронов в атмосфере.

Частые вспышки сияния практически всегда сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния оказывают большое влияние на сильные изменения в ионосфере, влияющие в свою очередь на условия радиосвязи, т. е. радиосвязь сильно ухудшается, в результате чего возникают сильные помехи, или даже полная потеря приема.

Возникновение полярных сияний.

Земля - это огромный магнит, северный полюс которого находится вблизи южного географического полюса, а южный – вблизи северного. А силовые линии магнитного поля Земли - это геомагнитные линии, выходящие из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли. Они охватывают весь земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Считалось в течение длительного периода времени, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Но на самом деле оказалось, что так называемый “солнечный ветер”, т. е. поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетает на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км. Он оттягивает ее в сторону от Солнца, тем самым у Земли образуется своеобразный магнитный “хвост”.

Попавшие в магнитное поле Земли, электрон или протон движутся по спирали, навиваясь на геомагнитную линию. Эти частицы, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части: одна часть вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли, а другая - попадает внутрь тероида и движется внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС. В конце концов, эти протоны и электроны по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где появляется их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они обладают достаточной энергией. Поскольку протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20эв. А для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, для возбуждения же еще меньше.

По принципу того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов, возбужденные атомы газов отдают обратно полученную энергию в виде света.

Зеленое и красное свечение, по результатам спектрального исследования принадлежит возбужденным атомам кислорода, а инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400 км. Следующим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Такой протон, после захвата электрона, превращается в возбужденный атом водорода и дает излучение красным светом.

После вспышек на Солнце обычно через день-два происходят вспышки сияний. Это указывает на связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности сияний сохраняется более высокий уровень ионизации газов электронами. По мнению ученых, максимальная интенсивность полярных сияний достигается у берегов океанов и морей.

Существует ряд трудностей для научного объяснения всех явлений, связанных с полярными сияниями. То есть, неизвестен полностью механизм ускорения частиц до определенных энергий, не ясны их траектории движения в околоземном пространстве, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц.

Используемая литература:

“Физика в природе”, автор - Л. В. Тарасов, издательство “Просвещение”, Москва, 1988 год.
“Оптические явления в природе”, автор - В. Л. Булат, издательство “Просвещение”, Москва, 1974 год.
“Беседы по физике, часть II” , автор - М. И. Блудов, издательство “Просвещение”, Москва, 1985 год.
“Физика 10”, авторы - Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев, издательство “Просвещение”, Москва, 1987 год.
“Энциклопедический словарь юного физика”, составитель В. А. Чуянов, издательство “Педагогика”, Москва, 1984 год.
“Справочник школьника по физике”, составитель - , филологическое общество “Слово”, Москва, 1995 год.
“Физика 11”, Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, издательство “Просвещение”, Москва, 1991 год.
“Решение задач по физике”, В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград, 1999 год.

22 апреля 2016

В школе изучает тему «Оптические явления в атмосфере» 6 класс. Однако она представляет интерес не только для пытливого детского ума. Оптические явления 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 отражения света, распада части лучей на спектр и так далее образуются разнообразные оптические явления в атмосфере.

Видео по теме

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, почему небо голубое 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 луч света при определенных условиях раскладывается на спектр. При прохождении атмосферы его часть, соответствующая синему цвету, рассеивается лучше. Красный участок видимого излучения 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, что такое атмосфера, оптические явления перестали быть для них свидетельством или предзнаменованием грозных событий. Однако научный подход не мешает получать эстетическое удовольствие 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 перистые облака 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.