Оптические атмосферные явления

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 опти-кой понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «опти-ка». 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 взаимодейст-вие с веществом.

Что же касается вопросов, связанных со зрением, устрой-ство 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 оп-тическими явлениями являются атмосферные.Огромные по своим мас-штабам, они суть – порождение взаимодействия света и атмосферы земли.

Земная атмосфера, как оптическая система Наша планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем ат-мосферой. Обладая наибольшей плотностью у земной поверхности и по-степенно разрежаясь с поднятием вверх, она достигает толщины более сотни километров. И это не застывшая газовая среда с однородными физи-ческими данными. Наоборот, атмосфера земли находится в постоянном движении.Под воздействием различных факторов, её слои перемешивают-ся, меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются на боль-шие расстояния с различной скоростью.

Для лучей света, идущих от солнца или других небесных светил, зем-ная атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами.Оказываясь на их пути, она и от-ражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу атмо-сферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные явления.

Наиболее необычные кра-сочные из них это солнечный закат, радуга, северное сияние, мираж, сол-нечное и лунное гало. Солнечный закат Самым простым и доступным для наблюдения атмосферным явлением является закат нашего небесного светила – Солнца. Необычайно красоч-ный, 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 начи-нает постепенно менять свой цвет - в его спектре во все возрастающей сте-пени 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 си-невато-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 гори-зонтом около 4-5o. Облака и вершины гор заливают алые и пурпурные то-на, 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 го-ризонта 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 от-четливо 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 яс-ной погоды.В действительности характер течения заката подвержен ши-роким 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 сопровож-дающих его оптических явлений зависит от различных оптических харак-теристик 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 до-ждевых облаков или дождя.

Разноцветная дуга обычно находится от на-блюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоя-нии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распыли-телями воды. Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солн-це и глаз наблюдателя – на противосолнечной линии. Угол между направ-лением на главную радугу и противосолнечной линией составляет 41є - 42є 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 умень-шается. Она представляет собой лишь часть окружности. Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угло-вым радиусом около 52є 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 дру-гими 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 41є главная радуга перестает быть видимой и над горизонтом выступает лишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца более 52є не видна и побочная радуга.

Поэтому в средних экваториальных широтах в околополуденные часы это явление природы никогда не наблю-дается. У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капе-лек 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 объ-яснил 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. Образование радуги Можно рассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучок параллельных солнечных лучей.Луч, падающий на поверхность капли в точке А, преломляется внутри нее по закону пре-ломления: n sin б=n sin в, где n=1, n≈1,33 – соответственно показатели преломления воздуха и воды, б – угол падения, а в – 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 преломлен-ного луча. Луч АВ после отражения в точке В происходит под углом в` = в попа-дает в точку С, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света.

Преломленный луч выходит из капли под углом г, 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 интен-сивность их внутри капли уменьшается.Наиболее интенсивным из выхо-дящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но на-блюдать 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 первич-ная. При рассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление – неодинаковое преломление волн света различной длины, то есть свето-вых лучей разного цвета.

Это явление носит название дисперсии.

Вследст-вие дисперсии углы преломления г и угла отклонения лучей в капле раз-личны для лучей различной окраски. Радуга возникает вследствие дисперсии солнечных лучей в капельках воды. В каждой капельке луч испытывает многократное внутреннее отра-жение, но при каждом отражении часть энергии выходит наружу.Поэтому чем больше внутренних отражений испытают лучи в капле, тем слабее ра-дуга. Наблюдать радугу можно, если Солнце находится позади наблюдате-ля. Поэтому самая яркая, первичная радуга формируется из лучей, испы-тавших одно внутреннее отражение. Они пересекают падающие лучи под углом около 42°. Геометрическим местом точек, расположенных под углом 42° к падающему лучу, является конус, воспринимаемый глазом в его вер-шине как окружность.

При освещении белым светом будет получаться цветная полоса, причем красная дуга всегда выше фиолетовой. Чаще всего мы наблюдаем одну радугу.Нередки случаи, когда на не-босводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, че-тыре и даже пять одновременно.

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 кра-сивую картину.Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга образующаяся в лучах, может выглядеть ино-гда совершенно необычно.

Не следует думать, что радугу можно наблюдать только днем. Она бы-вает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть такую радугу можно после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна. Некоторое 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 ви-димой даже спустя десять минут после заката. Красивое зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно на-блюдать при восходе Солнца на траве, покрытой росой.

Эта радуга имеет форму гиперболы. Полярные сияния Одним из красивейших оптических явлений природы является поляр-ное сияние. 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 мно-гие 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 пре-вышает нескольких сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды.Нижний край занавеса довольно резко и отчет-ливо очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоми-нающий 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, спо-койную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фо-не свечения неба; Лучистая дуга – лента становится несколько более активной и под-вижной, она образует мелкие складки и струйки; Лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накла-дываются на мелкие; При повышении активности складки или петли расширяются до огром-ных 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 основ-ной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активно-сти. Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными.

Происходят они во время уве-личения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде белова-то-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 сия-ния, 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. Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие облас-ти. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитные поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентге-новские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напо-минающими шум, треск.

Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большин-стве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные по-мехи, а иногда полная потеря приема. Как возникают полярные сияния Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного.Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнит-ными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитно-му полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южно-го магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли. Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий сим-метрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называе-мый «солнечный ветер» – поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетают на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли свое-образный магнитный «хвост». Электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию.

Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части.

Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в по-лярные области Земли; другие попадают внутрь тероида и движутся внут-ри него, вдоль замкнутой кривой. Эти протоны и электроны в конце кон-цов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возни-кает их увеличенная концентрация.

Протоны и электроны производят ио-низацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют дос-таточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000 эв (1эв = 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20 эв. Для иониза-ции же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, а для возбуждения еще меньше.Возбужденные атомы газов отдают обратно полученную энергию в ви-де света, наподобие того, как это происходит в трубках с разреженным га-зом при пропускании через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свече-ние принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фио-летовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кисло-рода – на высоте 200-400 км. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца.

Захватив электрон, такой протон пре-вращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет. Вспышки сияний происходят обычно через день-два после вспышек на Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у бере-гов океанов и морей.Но научное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияния-ми, встречает ряд трудностей.

Например, неизвестен точно механизм уско-рения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в око-лоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм обра-зования свечения различных видов, неясно происхождение звуков. Гало Иногда Солнце выглядит так, как будто его видно через большую линзу. На самом деле, на изображении виден эффект миллионов линз: ледяных кристаллов.По мере того как вода замерзает в верхних слоях атмосферы, могут образовываться маленькие, плоские, шестиугольные ле-дяные кристаллы льда. Плоскости этих кристаллов, которые кружась, по-степенно 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. Совмест-ный эффект может приводить к появлению явления, называемого паргелия, или ложного солнца.

В центре картинки видно Солнце и два хо-рошо заметных ложных солнца по краям. Позади домов и деревьев заметны гало ( гало - произносится с ударением на "о"), размером около 22 градуса, три солнечных колонны, и арку, созданные солнечным светом, отражаемый атмосферными ледяными кристаллами.Свет и лед Исследователи давно обратили внимание на то, что при появлении гало солнце бывает затянуто дымкой – тонкой пеленой высоких перистых или перисто-слоистых облаков.

Такие облака плавают в атмосфере на высоте шести – восьми километров над землей и состоят из мельчайших кристал-ликов льда, которые чаще всего имеют форму шестигранных столбиков или пластинок. Земная атмосфера не знает покоя.Ледяные кристаллики, опускаясь и поднимаясь в потоках воздуха, то подобно зеркалу отражают, то подобно стеклянной призме преломляют падающие на них солнечные лучи. В ре-зультате этой сложной оптической игры и появляются на небе ложные солнца и другие обманчивые картины, в которых при желании можно уви-деть и огненные мечи, и все что угодно Как уже говорилось, чаще других можно наблюдать два ложных солн-ца – по ту и по другую сторону от настоящего светила.

Иной раз появляет-ся один светлый, слегка окрашенный в радужные тона круг, опоясываю-щий солнце. А то после солнечного заката на потемневшем небе вдруг возникает огромный светящийся столб.Не всякие перистые облака дают яркое, хорошо заметное гало. Для это-го нужно, чтобы они были не слишком плотными (солнце просвечивается) и в то же время в воздухе должно находиться достаточное количество ле-дяных кристалликов.

Впрочем, гало может появиться и в совсем чистом, безоблачном небе. Это значит, что высоко в атмосфере плавает много от-дельных ледяных кристалликов, но без облачного образования. Так бывает в зимние дни, когда стоит ясная морозная погода.В вышине появился светлый горизонтальный круг, опоясываю-щий небо параллельно горизонту. Как он возник? Специальные опыты (их неоднократно проводили ученые) и расчеты показывают: этот круг – результат отражения солнечных лучей от боковых граней шестигранных кристалликов льда, плавающих в воздухе в верти-кальном положении.

Лучи солнца падают на такие кристаллики, отража-ются от них, как от зеркала, и попадают нам в глаза.А поскольку это зер-кало особенное, оно составлено из бесчисленной массы ледяных частиц и к тому же оказывается на какое-то время как бы лежащим в плоскости гори-зонта, то и отражение солнечного диска мы видим в той же плоскости.

По-лучается два солнца: одно настоящее, а рядом с ним, но в другой плоско-сти – его двойник в виде большого светлого круга. Бывает, что такое отражение солнечного света от маленьких кристал-ликов льда, плавающих в морозном воздухе, порождает светящийся столб.Получается это потому, что тут в игре света участвуют кристаллики в виде пластинок. Нижние грани пластинок отражают свет скрывшегося уже за горизонтом солнца, и мы вместо самого солнца видим некоторое время уходящую в небо от горизонта светящуюся дорожку – искаженное до не-узнаваемости изображение солнечного диска.

Нечто подобное каждый из нас наблюдал в лунную ночь, стоя на берегу моря или озера.Любуясь лун-ной дорожкой, мы видим на воде ту же игру света – зеркальное отражение луны, сильно растянутое из-за того, что поверхность воды подернута ря-бью. Слегка волнующаяся вода отражает падающий на нее лунный свет так, что мы воспринимаем как бы многие десятки отдельных отражений луны, из них и складывается воспетая поэтами лунная дорожка.

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 по-верхность такого кристалла и выходит через противоположную с углом преломления 22є. А понаблюдайте зимой за уличными фонарями, и вам, возможно, по-счастливится 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.Случа-ются 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 приво-дило в ужас суеверных людей. Кристаллики-призмы Возможно, кто-то видел такое гало: светлое, окрашенное в радужные тона кольцо вокруг солнца. Этот вертикальный круг возникает тогда, когда в атмосфере находится много шестигранных ледяных кристалликов, не от-ражающих, 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 возду-хе 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. Почему радужный? Как известно, проходя через призму, белый световой луч разлагается на свои спектральные цвета.Поэтому-то образуемое преломленными лучами кольцо вокруг солнца окрашивается в радужные тона: внутренняя его часть бывает красноватая, наружная – синеватая, причем внутри кольца небо кажется темнее.

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 бла-гоприятные условия для появления ложных солнц складываются тогда, ко-гда 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 лож-ные солнца появляются благодаря шестигранным кристаллам льда, по сво-ей 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 яр-кости 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 любо-пытный факт. В 1551 году немецкий город Магдебург был осажден вой-сками испанского короля Карла V. Стойко держались защитники города, уже больше года длилась осада. Наконец раздраженный король отдал при-каз готовиться к решительной атаке.

Но тут произошло невиданное: за не-сколько часов до штурма над осажденным городом засияли три солнца.Смертельно напуганный король решил, что Магдебург защищают небеса, и приказал снять осаду.

Мираж Простейшие миражи видел любой из нас. Например, когда едешь по нагретой асфальтированной дороге, далеко впереди она выглядит как вод-ная 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 обыч-ных 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 опущенны-ми относительно их действительного положения, а также могут исказиться и приобрести неправильные, фантастические формы. Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: «озер-ные» миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения. Объяснение нижнего («озерного») миража.Озерные, или нижние миражи – самые распространенные.

Они появ-ляются, когда отдаленная, почти ровная поверхность пустыни приобретает вид открытой воды, особенно если смотреть с небольшого возвышения или просто находиться выше слоя нагретого воздуха. Подобная иллюзия воз-никает, как и на асфальтовой дороге. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следователь-но, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях.В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи по-верхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траекто-рия была обращена выпуклостью вниз. Световой луч от некоторого участ-ка голубого неба попадает в глаз наблюдателя, испытав 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 предста-вить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объ-екты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несущест-вующей воде. Дрожание изображения, обусловленной колебаниями коэф-фициента преломления горячего воздуха, создает иллюзию течения или волнения воды. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.

Как сообщалось в одной статье в Жур- нале The New Yorker, пеликан, оказав- шийся над горячим асфальтовым шоссе на Среднем Западе США, едва не раз бился, увидев перед собой такой "водя- ной мираж". "Несчастная птица летела, быть может, многие часы над сухой пшеничной стерней и неожиданно уви- дела нечто, показавшееся ей длинной, черной, неширокой, но настоя-щей рекой – в самом сердце прерии.

Пеликан ринулся вниз, чтобы попла-вать в прохладной воде – и потерял сознание, ударившись об асфальт". Ниже уровня глаз в этой "воде" могут появиться объекты, обычно пере-вернутые. Над нагретой поверхностью суши формируется "воздушный слоеный пирог", причем ближайший к земле слой – самый нагретый и на-столько разрежен, что световые волны, проходя через него, искажаются, так как скорость их распространения меняется в зависимости от плотности среды.

Верхние миражи Верхние миражи, или, как их еще называют, миражи дальнего видения менее распространены и более живописны по сравнению с нижними.Уда-ленные объекты (часто находящиеся за морским горизонтом) вырисовы-ваются на небе в перевернутом положении, а иногда выше появляется еще и прямое изображение того же объекта.

Это явление типично для холод-ных регионов, особенно при значительной температурной инверсии, когда над более холодным слоем находится более теплый слой воздуха. Данный оптический эффект проявляется в результате распространения фронта све-товых волн в слоях воздуха с неоднородной плотностью.Время от времени возникают очень необычные миражи, особенно в полярных регионах. Ко-гда миражи возникают на суше, деревья и другие компоненты ландшафта перевернуты.

Во всех случаях в верхних миражах объекты видны более отчетливо, чем в нижних. На земном шаре есть такие места, где перед на-ступлением вечера можно наблюдать горы, поднимающиеся над океан-ским горизонтом. Это действительно горы, только они находятся так дале-ко, что их нельзя видеть в нормальных условиях.В этих таинственных местах вскоре после полудня на горизонте начинает возникать расплывча-тый контур гор. Он постепенно растет и перед заходом солнца быстро ста-новится резким, отчетливым, так что можно даже различить отдельные вершины.

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 изо-бражения, простое и перевернутое.Эти изображения могут быть разделе-ны полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом.

Иногда воз-никает еще одно - третье изображение. Двойные и тройные миражи Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а за-тем медленно, то в этом случае лучи будут искривляться быстрее. В ре-зультате возникают два изображения. Световые лучи, распространяющие-ся в пределах первой воздушной области, формируют перевернутое изо- бражение объекта.Затем эти лучи, распространяются в основном в преде-лах второй области, искривляются в меньшей степени и формируют пря-мое 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 пока-затель преломления снова уменьшается медленно. Сначала лучи форми-руют нижнее изображение объекта, распространяясь в пределах первой воздушной области.Далее лучи формируют перевернутое изображение; попадая во вторую воздушную область, эти лучи испытывают сильное ис-кривление.

Затем лучи 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 плот-ного холодного слоя воздуха, должен быть, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Какова природа фата-морганы – красивейшего из миражей? Когда над теплой водой образуется слой холодного воздуха, над морем возникают волшебные замки, которые меняются, растут, исчезают.

Легенда гласит, что эти замки – хрустальная обитель феи Морганы. Отсюда и название. Еще более таинственное явление - хрономиражи.Никакими известны-ми законами физики нельзя объяснить, почему миражи могут отражать со-бытия, происходящие на некотором расстоянии не только в пространстве, но и во времени.

Особую известность получили миражи когда-то прошед-ших на земле сражений и битв. В ноябре 1956 года несколько туристов за-ночевали в горах Шотландии.Часа в три утра они проснулись от странного шума, выглянули из палатки и увидели десятки шотландских стрелков в старинной военной форме, которые, стреляя, бежали через каменистое по-ле! Потом видение исчезло, не оставив никаких следов, но уже через сутки повторилось.

Шотландские стрелки, все израненные, брели по полю, спо-тыкаясь о камни. Они, видимо, были разбиты в сражении и отступали. И это не единственное свидетельство подобного явления. Так, знаме-нитую битву при Ватерлоо (18 июня 1815 года) наблюдали неделю спустя жители бельгийского городка Вервье.К. Фламмарион в своей книге «Ат-мосфера» описывает пример подобного миража: «Опираясь на свидетель-ства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про ми-раж, 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 Ватер-лоо!» Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев.

Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100 км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000 км. «Летучего голландца» следует отнести именно к таким миражам.

Одну из разновидностей хрономиража ученые назвали "дроссолидес", что в переводе с греческого означает "капельки росы". Замечено, что хро-номиражи чаще всего возникают в предутренние часы, когда в воздухе конденсируются капельки тумана.Самый известный "дроссолидес" доста-точно регулярно происходит на побережье острова Крит в середине лета, обычно в предутренние.

Есть множество показаний очевидцев, которые наблюдали, как над морем возле замка Франка-Кастелло возникает огром-ное "батальное полотно" – сотни людей, сошедшихся в смертельной схват-ке. Слышны крики, звон оружия. В годы Второй мировой войны "битва призраков" жутко напугала немецких солдат, воевавших тогда на Крите. Немцы открыли шквальный огонь из всех видов оружия, но не причинили фантомам никакого вреда.Загадочный мираж медленно надвигается со стороны моря и исчезает в стенах замка.

Историки говорят, что в этом мес-те примерно 150 лет назад произошла битва между греками и турками, ее изображение, заблудившееся во времени, и наблюдается над морем. Это явление довольно часто можно наблюдать в середине лета, в ранние часы. Кстати, сегодня нередко очевидцы наблюдают не только сражения ми-нувших времен и некогда существовавшие города-призраки, но автомоби-ли-фантомы.Несколько лет назад компания австралийцев встретила на ночной дороге разбившийся там когда-то автомобиль под управлением их погибшего приятеля.

Однако в призрачной машине сидел не только он, но и его юная подружка, которая в той катастрофе уцелела и ныне пребывала в добром здравии, став солидной дамой. Какова же природа подобных миражей? По одной из теорий, при особом стечении природных факторов зри-тельная информация запечатлевается во времени и пространстве.А при совпадении определенных атмосферных, погодных и т.п. условий она вновь становится зримой для посторонних наблюдателей.

По другой тео-рии – в районе битв, в которых участвуют (и гибнут) тысячи людей, накап-ливается огромная психическая энергия. В определенных условиях она "разряжается" и зримо проявляет былые события. А вообще, древние египтяне, например, считали, что мираж – это при-зрак страны, которой больше нет на свете. Легенда альпийских гор Группа туристов поднималась на одну из горных вершин. Люди все были молодые, за исключением проводника, старика-горца. Сначала все шли быстро и бодро.Но чем выше забирались альпинисты, тем труднее становилось идти. Скоро каждый из них почувствовал сильную усталость.

Только проводник шел, как и прежде, ловко перепрыгивал через расщели-ны, быстро и легко взбирался на выступы скал. Вокруг открывалась замечательная картина. Всюду, куда хватало глаз, высились заснеженные пики гор. Ближние из них сверкали в лучах ослеп-ляющего солнца. Далекие пики казались голубоватыми. Вниз уходили кру-тые скаты, переходящие в ущелья.Яркими пятнами выделялись светло-зеленые альпийские луга. Наконец они достигли одного из боковых пиков горы, на которую взбирались.

Солнце уже опустилось к горизонту, и его лучи падали на лю-дей снизу вверх. И тут случилось неожиданное. Один из молодых людей перегнал проводника и первым поднялся на вершину. В тот же момент, как он ступил на скалу, на востоке, на фоне об-лаков, показалась громадная тень человека. Она была видна настолько яс-но, что люди остановились как по команде.Но проводник спокойно по-смотрел на гигантскую тень, на застывших в испуге молодых людей и, ус-мехнувшись, сказал: – Не бойтесь! Это бывает, – и тоже поднялся на скалу. Когда он встал рядом с туристом, в облаках появилась еще одна боль-шая тень человека.

Проводник снял с себя теплую войлочную шляпу и помахал ею. Одна из теней повторила его движение: огромная рука поднялась к голове, сняла шляпу и помахала ею. Молодой человек поднял кверху свою палку.То же самое проделала его исполинская тень. После этого каждый из туристов захотел, конечно, взобраться на скалу и увидеть в воздухе свою тень. Но скоро облака закрыли уходящее за горизонт солнце, и необыкновенные те-ни исчезли.

Парад суеверий Теперь уже, думается, нетрудно будет понять, как возникают на небе светящиеся кресты, которые и в наш век пугают иных людей. Разгадка здесь в том, что не всегда мы видим на небе ту или иную фор-му гало полностью.Зимой, при больших морозах, как уже было сказано, по обе стороны солнца появляются два светлых пятна – части вертикаль-ного гало-круга. Так бывает и с проходящим через солнце горизонтальным кругом.

Чаще всего видна лишь та его часть, которая примыкает к светилу, – на небе видны как бы два светлых хвоста, тянущихся от него вправо и влево. Части вертикального и горизонтального кругов при этом пересека-ются и образуют как бы два креста по обе стороны от солнца.В другом случае мы видим у солнца часть горизонтального круга, пе-ресекающегося светящимся столбом, который от солнца идет кверху и книзу.

И снова образуется крест. Наконец, бывает и так: на небе после захода солнца видны светящийся столб и верхняя часть вертикального круга. Пересекаясь, они тоже дают изображение большого креста. А порой такое гало напоминает старинный рыцарский меч. И если он еще окрашен зарей, то вот вам окровавленный меч – грозное будто бы напоминание небес о грядущих бедах! Научное объяснение гало – яркий пример того, как обманчива бывает порой внешняя форма какого-либо природного явления.Кажется, что-то крайне загадочное, таинственное, а разберешься – от «необъяснимого» не остается и следа.

Легко сказать – разберешься! На это уходили годы, десятилетия, века. Сегодня каждый человек, заинтересовавшись чем-либо, может заглянуть в справочник, полистать учебник, погрузиться в изучение специальной ли-тературы. Спросить, наконец! А были ли такие возможности в средние, скажем, века? Ведь тогда и знаний таких еще не накопили, и наукой зани-мались одиночки.Господствующим мировоззрением была религия, а при-вычным мироощущением – вера. Французский ученный К. Фламмарион просмотрел под этим углом зре-ния исторические хроники.

И вот что выяснилось: составители хроник нисколько не сомневались в существовании прямой причинной связи меж-ду таинственными явлениями природы и делами земными. В 1118 году, в царствование короля английского Генриха I, на небе появились одновременно две полные луны, одна на западе, а другая на востоке. В том же году король победил в битве.В 1120 году среди кроваво-красных облаков появились крест и человек, состоявшие из пламени.

В том же году шел кровавый дождь; все ожидали светопреставления, но дело кончилось только гражданской войной. В 1156 году несколько часов подряд блестели вокруг солнца три ра-дужных круга, а когда они исчезли, возникли три солнца. Составитель хроники усмотрел в этом явлении намек на ссору короля с епископом Кен-терберийским в Англии и на разрушение после семилетней осады Милана в Италии.В следующем году опять появились три солнца, а посредине луны был виден белый крест; понятное дело, летописец это тотчас связал с раздора-ми, сопровождавшими избрание нового папы римского. В январе 1514 года в Вюртемберге были видны три солнца, из коих среднее больше боковых.

В то же время на небе появлялись окровавлен-ные и пылающие мечи. В марте того же года опять были видны три солнца и три луны. Тогда же турки были разбиты персами в Армении.В 1526 году ночью в Вюртемберге были видны в воздухе окровавлен-ные воинские доспехи В 1532 году около Инсбрука видели в воздухе чудесные изображения верблюдов, волков, изрыгающих пламя, и, наконец, льва в огненном кру-ге Были ли все эти явления на самом деле – не так уж для нас теперь важ-но. Важно, что с их помощью, на их основе истолковывались реальные ис-торические события; что люди смотрели тогда на мир сквозь призму своих искаженных представлений и потому видели то, что хотели видеть.

Их фантазия порой не знала границ.Фламмарион назвал невероятные фанта-стические картины, нарисованные авторами хроник, «образчиками арти-стического преувеличения». Вот один из таких «образчиков»: « В 1549 году луна была окружена гало и параселенами (ложными лу-нами), около которых видели огненного льва и орла, разрывающего собст-венную грудь.

Вслед за этим появились горящие города, верблюды, Иисус Христос на кресле с двумя разбойниками по бокам и, наконец, целое соб-рание – по-видимому, апостолов. Но последняя перемена явлений была всего ужаснее.

В воздухе появился громадного роста человек, жестокого вида, угрожавший мечом молодой девушке, которая плакала у его ног, прося помилования » Какие нужны были глаза для того, чтобы видеть все это! Некоторые загадки оптических явлений Цвет на стекле Зимний вечер. Небольшой мороз – около 10°. Вы едете в трамвае (или в автобусе – всё равно). Окно начинает замерзать.Сквозь стекло уже ничего не разберёшь, но свет фонарей очень чёток. И вот в какой-то момент свет уличного фонаря вызывает на замёрзшем окне чудесную игру красок.

От-тенки настолько чисты и красивы, что никакой художник не может их точ-но воспроизвести. Через несколько секунд слой льда на окне достигает толщины в несколько десятых долей миллиметра и цвета пропадают.Но это не беда. Сотрите рукой намёрзший слой и повторите наблюдение - цве-та вновь появятся. Обратите внимание: фонарь с лампой накаливания даёт пурпурно-изумрудный ореол, а лампа дневного света (ртутно-кварцевая) окружена ореолом жёлто-фиолетовых цветов.

Это физическое явление ещё мало изучено, и точного объяснения его нет, однако можно предположить, что игру цвета вызывает интерференция (сложение света, отражённого от верхней и нижней поверхностей тончай-шего слоя замёрзших на оконном стекле паров влаги). Это явление сродни тому, какое мы наблюдаем, рассматривая перели-вающийся всеми цветами радуги мыльный пузырь.Цветные кольца Начертите чёрной тушью на листе плотной бумаги круг, на котором расположены полукруг и дуговые полосы.

Наклейте её на картон и сделай-те волчок. При вращении этого волчка вместо чёрных рисунков появятся разноцветные кольца (фиолетовый, розовый, голубой или зелёный, фиоле-товый). Порядок расположения их меняется в зависимости от направления вращения волчка. Опыт лучше проводить при электрическом освещении. Если бы этот опыт показать по телевидению, то эффект был бы тот же: на экране чёрно-белого телевизора вы увидели бы разноцветные кольца. Почему так получается – неизвестно.Учёные ещё не нашли объяснение этому явлению.

Вывод: Физическая природа света интересовала людей с незапамят-ных времён. Многие выдающиеся ученные, на всём протяжении развития научной мысли, бились над решением этой проблемы. Со временем, была открыта и сложность обыкновенного белого луча, и его способность ме-нять своё поведение в зависимости от окружающей среды, и его умение проявлять признаки, присущие как вещественным элементам, так и приро-де электромагнитных излучений.Световой луч, подвергнутый различным техническим воздействиям, стал применяться в науке и технике в диапазо-не от режущего инструмента, способного с точностью до микрона обрабо-тать нужную деталь, до невесомого канала передачи информации с, прак-тически, неисчерпаемыми возможностями.

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 из-вестной каждому радуги, до сложных, периодических миражей.

Но, не смотря на это, причудливая игра света всегда привлекала и привлекает че-ловека. Никого не оставляет равнодушным ни созерцание зимнего гало, ни яркого солнечного заката, ни широкой, в пол неба, полосы северного сия-ния, ни скромной лунной дорожки на водной глади.Световой луч, прохо-дя 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 этом реферате. 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 облас-ти оптических атмосферных явлений, свидетельствующих о многогранно-сти обыкновенного светового луча. Литература: 1. «Физика в природе», автор - Л. В. Тарасов, издательство «Просвеще-ние», Москва, 1988 год. 2. «Оптические явления в природе», автор - В. Л. Булат, издательство «Просвещение», Москва, 1974 год. 3. «Беседы по физике, часть II» , автор - М. И. Блудов, издательство «Просвещение», Москва, 1985 год. 4. «Физика 10», авторы - Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев, издательство «Просвещение», Москва, 1987 год. 5. «Физика 11», Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, изда-тельство «Просвещение», Москва, 1991 год. 6. «Решение задач по физике», В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книж-ное издательство, Волгоград, 1999 год. 7. «Сумерки», автор - Г.В.Розенберг, из введения Параграфа 2, Физмат-гиз, 1963 8. «Оптика и атмосфера», автор П. Р. Трубников и Н. В. Покусаев, из-дательство «Просвещение» Санкт-Петербург 2002 год.