Електричні та оптичні явища в атмосфері
У школі вивчає тему "Оптичні явища в атмосфері" 6 клас. Однак вона цікавить не тільки допитливий дитячий розум. Оптичні явища в атмосфері, з одного боку, об'єднують веселку, зміну кольору піднебіння під час світанків і занепадів, не раз бачені всіма. З іншого - до їхнього числа входять таємничі міражі, хибні Місяця і Сонця, вражаючі гало, які в минулому наводили жах на людей. Механізм освіти деяких із 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 є оболонкою, що складається з суміші газів і тягнеться приблизно на 100 км над рівнем моря. Щільність повітряного шару змінюється при віддаленні землі: найбільше її значення біля поверхні планети, з висотою воно зменшується. Атмосферу не можна назвати статичним формуванням. Шари газової оболонки постійно рухаються, перемішуються. Змінюються характеристики: температура, щільність, швидкість переміщення, прозорість. Всі ці нюанси впливають на сонячні промені, що прямують до поверхні планети.
Оптична система
Процеси, що відбуваються в атмосфері, а також її склад сприяють поглинанню, заломленню та відображенню світлових променів. Частина їх досягає мети - земної поверхні, інша розсіюється або перенаправляється назад в космічний простір. В результаті викривлення та відображення світла, розпаду частини променів на спектр тощо утворюються різноманітні оптичні явища в атмосфері.
Атмосферна оптика
За часів, коли наука тільки зароджувалася, люди пояснювали оптичні явища виходячи з уявлень про влаштування Всесвіту. Веселка поєднувала людськийсвіт з божественним, поява на небі двох помилкових Сонців свідчила про наближення катастроф. Сьогодні більшість феноменів, які лякали наших далеких предків, отримали наукове пояснення. Вивченням таких феноменів займається атмосферна оптика. Оптичні явища в атмосфері ця наука визначає, ґрунтуючись на законах фізики. Вона здатна пояснити, чому небо блакитне вдень, а під час заходу та світанку змінює колір, як утворюється веселка та звідки беруться міражі. Численні дослідження та експерименти сьогодні дозволяють зрозуміти такі оптичні явища в природі, як поява хрестів, що світяться, Фата-моргана, райдужні гало.
Синє небо
Колір неба настільки звичний, що ми рідко замислюємося, чому він такий. Проте фізикам відповідь добре відома. Ньютон довів, що промінь світла за певних умов розкладається на спектр. При проходженні атмосфери його частина, що відповідає синьому кольору, розсіюється краще. Червона ділянка видимого випромінювання характеризується більшою довгою хвилі та поступається фіолетовому за ступенем розсіювання у 16 разів.
При цьому небо бачимо не фіолетовим, а блакитним. Причина цього полягає в особливостях пристрою сітківки та співвідношенні ділянок спектру в сонячному світлі. Наші очі більш чутливі до синього, а фіолетова ділянка в спектрі світила менш інтенсивна, ніж синя.
Червоний захід сонця
Коли люди розібралися, що таке атмосфера, оптичні явища перестали бути свідченням або ознакою грізних подій. Однак науковий підхід не заважає отримувати естетичне задоволення від барвистих заходів сонця і ніжних світанків. Яскраві червоні та помаранчеві кольори разом із рожевим та блакитним поступово поступаються нічній темряві або ранковому світлу. Неможливо спостерігатидва однакових світанку або заходу сонця. А причина цього криється в тій же рухливості атмосферних шарів і зміні погодних умов.
Під час заходу сонця і світанок сонячні промені долають більш довгий шлях до поверхні, ніж вдень. В результаті розсіяний фіолетовий, синій та зелений йдуть у сторони, а пряме світло забарвлюється у червоне та оранжеве. Свою лепту в картину заходу сонця і світанку вносять хмари, пил або частинки льоду, зважені в повітрі. Світло заломлюється, проходячи через них, і забарвлює небо в різні відтінки. На протилежному від Сонця ділянці горизонту нерідко можна спостерігати так званий Пояс Венери - рожеву смугу, що розділяє темне нічне небо і блакитне денне. Красиве оптичне явище, назване на честь римської богині кохання, видно перед світанком і після заходу сонця.
Райдужний міст
Мабуть, жодні інші світлові явища в атмосфері не викликають у пам'яті стільки міфологічних сюжетів та казкових образів, скільки пов'язані з веселкою. Дуга чи коло, що складається із семи кольорів, кожному відома з дитинства. Гарне атмосферне явище, що виникає під час дощу, коли сонячне проміння проходить крізь краплі, заворожує навіть тих, хто досконало вивчив його природу.
А фізика веселки сьогодні ні для кого не є секретом. Сонячне світло, заломлюючись краплями дощу чи туману, розщеплюється. В результаті спостерігач бачить сім кольорів спектру, від червоного до фіолетового. Кордони між ними визначити неможливо. Кольори плавно переходять один одного через кілька відтінків.
При спостереженні веселки сонце завжди знаходиться за спиною людини. Центр посмішки Іріди (так називали веселку стародавні греки) розташовується на лінії, що проходить через спостерігача та денне світило. Зазвичай веселка постає у виглядіпівкола. Її розмір та форма залежать від положення Сонця та точки, в якій знаходиться спостерігач. Чим вище світило над горизонтом, тим нижче опускається коло можливої появи веселки. Коли Сонце долає позначку 42º над горизонтом, спостерігач на поверхні Землі не може побачити веселку. Чим вище над рівнем моря розташовується людина, що хоче помилуватися усмішкою Іріди, тим вірогідніше, що вона побачить не дугу, а коло.
Подвійна, вузька та широка веселка
Нерідко разом із основною можна побачити так звану побічну веселку. Якщо перша утворюється внаслідок одноразового відбиття світла, то друга є наслідком подвійного. Крім того, основна веселка відрізняється певним порядком кольорів: червоний розташовується на зовнішній стороні, а фіолетовий - на внутрішній, що ближче до Землі. Побічний «місток» є зворотним за послідовністю спектр: фіолетовий виявляється вгорі. Походить так тому, що при подвійному відображенні з краплі дощу промені виходять під іншими кутами.
Веселки розрізняються за інтенсивністю кольору та шириною. Найяскравіші та 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 характерне для всіх планет, які мають магнітосферу. На Землі полярні сяйва спостерігаються у високих широтах обох півкуль, у зонах, що оточують магнітні полюси планети. Найчастіше можна бачити зелене або синьо-зелене свічення, іноді доповнене по краях сполохами червоного ірожевий. Інтенсивне полярне сяйво формою нагадує стрічки чи складки тканини, при згасанні перетворюються на плями. Смуги заввишки кілька сотень кілометрів добре виділяються по нижньому краю і натомість темного неба. Верхня межа полярного сяйва губиться у висоті.
Ці красиві оптичні явища в атмосфері ще зберігають свої таємниці від людей: до кінця не вивчений механізм виникнення деяких видів свічення, причина тріску, що виникає під час різких сполохів. Проте загальна картина формування полярних сяйв сьогодні відома. Небо над північним і південним полюсами прикрашається зеленувато-рожевим свіченням, коли заряджені частинки сонячного вітру зіштовхуються з атомами верхніх верств земної атмосфери. Останні в результаті взаємодії отримують додаткову енергію та випускають її у вигляді світла.
Сонце і Місяць нерідко постають перед нами оточені свіченням, що нагадує німб. Це гало - добре помітне кільце навколо джерела світла. В атмосфері найчастіше воно утворюється завдяки найдрібнішим частинкам льоду, що становлять перисті хмари високо над Землею. Залежно від форми та розмірів кристалів змінюються характеристики явища. Часто гало набуває вигляду райдужного кола в результаті розкладання світлового променя на спектр.
Цікавий різновид явища зветься паргелій. В результаті заломлення світла в кристалах льоду на рівні Сонця утворюється дві світлі плями, що нагадують денне світило. У історичних хроніках можна зустріти описи цього феномена. У минулому воно часто вважалося провісником грізних подій.
Міражі - це також оптичні явища в атмосфері. Вони виникають в результаті заломлення світла на кордоні між шарами повітря, що значно розрізняються по щільності. У літературі описано безлічвипадків, коли мандрівник у пустелі бачив оази або навіть міста та замки, яких бути поблизу не могло. Найчастіше це «нижні» міражі. Вони виникають над рівною поверхнею (пустеля, асфальт) і є відбитим зображенням неба, що здається спостерігачеві водоймою.
Так звані верхні міражі трапляються 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, що поєднує відразу кілька типів відбитків. Перед спостерігачем постають реально існуючі об'єкти, багаторазово відбиті та перемішані.
Атмосферна електрика
Електричні та оптичні явища в атмосфері нерідко згадуються разом, хоча причини їх виникнення є різними. Поляризація хмар та утворення блискавок пов'язані з процесами, що протікають у тропосфері та іоносфері. Гігантські іскрові розряди зазвичай формуються під час грози. Блискавки виникають усередині хмар, можуть вдаряти в землю. Вони є загрозою для життя людей, і це одна з причин наукового інтересу до таких 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 та міражів, електричні феномени продовжують інтригувати вчених.
Оптичні явища в атмосфері, коротко описані у статті, з кожним днем стають все більш зрозумілими для фізиків. При цьому вони, як і блискавки, не перестають захоплювати людей своєю красою, таємничістю та часом грандіозністю.