Световые явления в атмосфере

Министерство образования РФ

Калужский государственный педагогический

университет им. К.Э. Циолковского

Кафедра физики

Оптические явления в атмосфере

Калуга 2009

Введение

Целью данной курсовой работы является рассмотрение оптических атмосферных явлений и их физической природы. Из – за ограниченного объема работы, в ней описывается лишь некоторая часть подобных явлений, таких как объяснение цвета неба (не затрагивая время утренней и вечерней зори), радуги, гало, «ложных солнц», миражей и полярных сияний. Данные явления описаны в работе достаточно подробно. Менее подробно описаны явления возникновения солнечных столбов, призраков Броккена, венцов, огней святого Эльма и блуждающих огоньков.

Во второй части работы содержатся методические аспекты, касающиеся возможностей применения использованного материала в средних общеобразовательных школах.

Для большей наглядности, мною разработана презентация, содержащая редкие фотографии оптических атмосферных явлений, которая может использоваться как приложение к существующей курсовой работе, и в дополнение к уже содержащимся в ней наглядным элементам.

Большим плюсом работы, на мой взгляд, является не только ее научная направленность, но и явно выраженная направленность эстетическая. Надеюсь, Вам чтение курсовой доставит не меньшее удовольствие, чем мне – ее составление.

Представления об оптике

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.

Науки, занимающиеся изучением световых явлений в атмосфере

·                   Метеорологическая оптика – занимается изучением атмосферных явлений, связанных с погодой (явления цвета неба и его окраски, поляризация небесного свода, явления миража и неправильного преломления и отражения света в атмосфере, мерцание звезд, радуга, круги и венцы около светил).

·                   Астрономия – подробно изучает явление рефракции (преломления света в атмосфере).

·                   Атмосферное электричество – занимается изучением атмосферных явлений электрического происхождения (молния, огни святого Эльма и др.).

·                   Атмосферная оптика – изучает преобразование солнечной энергии и теплового излучения самой атмосферы и подстилающей поверхности.

Цвет неба

Явление голубой окраски неба в течение дня, зависит исключительно от рассеяния света теми мелкими частицами, которые постоянно находятся в более чем достаточном количестве во взвешенном состоянии не только в нижних, но и в сравнительно высоких слоях атмосферы. Лордом Рэйлеем (Rayleigh) теоретически было доказано, что при достаточно малых размерах такие частицы обладают свойством отражать исключительно только лучи короткой длины волны, т. е. лучи голубые, синие, фиолетовые. Для понимания некоторых явлений субатомного мира полезно представить себе электроны прикрепленными к ядрам на жестких пружинах. Реакция электрона на воздействии электрического поля световой волны зависит от того, как частота волны соотносится с частотами собственных колебаний этой воображаемой пружины. Расчеты показывают, что чем короче длина световой волны, тем выше вероятность ее попадания в резонанс с собственными частотами возбуждения электронов и, соответственно, тем чаще электроны будут поглощать и вновь испускать фотоны соответствующей частоты. Следствием этого же эффекта взаимодействия света с атомами является и рассеяние света в среде. Свет, не вступавший во взаимодействие с атомами, доходит до нас напрямую. Поэтому, когда мы глядим не на источник света, а на рассеянный свет от этого источника, мы наблюдаем в нем преобладание коротких волн синей части спектра.

Вот почему небо выглядит синим, а Солнце желтоватым! Когда мы смотрим на небо в стороне от Солнца, вы видите там рассеянный солнечный свет, где преобладают короткие волны синей части спектра. Когда же вы смотрите непосредственно на Солнце, вы наблюдает спектр его излучения, из которого, путем рассеяния на атомах воздуха, удалена часть синих лучей, и изначально белый спектр Солнца смещается в желто-красную область при прохождении через атмосферу

 Чем больше частиц в воздухе, тем ярче кажется нам его голубая окраска; чем дальше удаляемся мы по небесному своду от светила, служащего источником света, тем больше, следовательно, отражений от частиц претерпит дошедший до нас луч и тем синее покажется нам небесный свод. Наоборот, чем дальше удаляемся мы от земной поверхности, тем меньше взвешенных частиц встречают в атмосфере доходящие до нас лучи и тем темнее кажется нам небо; при подъемах на очень высокие горы, при высоких полетах на воздушных шарах наблюдатели видят почти совершенно черное небо.

При морозах, когда воздух переполнен плавающими в нем капельками тумана, окраска небосклона является очень яркой, — особенно, если условия, например. в больших городах, где воздух содержит массу пыли и копоти, благоприятствуют появлению тумана. Явления окраски неба в голубой цвет наблюдаются только при достаточно малых размерах отражающих лучи частиц; как только размеры этих последних перейдут некоторый предел, отражаемые ими лучи будут содержать и лучи других длин волн; — голубая окраска неба в этих случаях начинает переходить в белесоватую; а при достаточном количестве сравнительно крупных частиц небо может принять совершенно белый цвет, как это наблюдается, напр., при образовании обширных скоплений мелких ледяных кристалликов и иголочек, наблюдаемых нами в виде растянутых покровов перисто-слоистых облаков.

Гало

Гало (от греч. χαλοσ — «круг», «диск»; также а́ура, нимб, орео́л) - это явление преломления и отражения света в ледяных кристалликах облаков верхнего яруса; представляют собой светлые или радужные круги вокруг Солнца или Луны, отделенные от светила темным промежутком. Гало часто наблюдаются в передней части циклонов (в перисто-слоистых облаках на высоте 5-10 км их теплого фронта) и поэтому могут служить признаком их приближения.  Иногда можно наблюдать и лунные гало.

Появляясь в воздухе при замерзании водяных капелек, ледяные кристаллы принимают обыкновенно одну из трех форм шестисторонних правильных призм: призмы, в которых длина очень велика по сравнению с их сечением; это (фиг. А на черт. 1) — всем известные ледяные иголочки, в морозные зимние дни массами реющие в самых нижних слоях атмосферы. Падая свободно в воздухе, такие иголочки располагаются длинной осью вертикально. Плоскости этих кристаллов, которые кружась, постепенно опускаются на землю, большую часть времени ориентированы параллельно поверхности. На восходе или закате, луч зрения наблюдателя может проходить через эту самую плоскость, и каждый кристалл может вести как миниатюрная линза, преломляющая солнечный свет.

 А.                                 Б.                                  В.

Черт. 1.

В другого рода призмах высота очень мала сравнительно с сечением; тогда получаются шестисторонние плоские таблички (фиг. Б на черт. 1). Иногда, наконец, ледяные кристаллики принимают форму призмы, сечение которой представляет собой шестилучевую звезду (ф. В на черт. 1). Падая на ледяные кристаллики, луч света, в зависимости от вида кристалла и его положения относительно луча, может прямо или пройти через него без преломления, или лучи должны претерпеть в них не только преломление, но и целый ряд полных внутренних отражений. Так как две смежные грани подобного кристалла образуют угол в 120°, то произвольно падающий на одну из них луч света вообще не может выйти через соседнюю грань, не претерпев полного внутреннего отражения; для того, чтобы он вышел, необходимо, чтобы при показателе преломления 1,31 (для льда) призма имела преломляющий угол не более 90°31'. Через две несмежные грани луч света пройти может, так как они составляют между собой углы в 60°, но при этом должен претерпеть преломление и разложение на цвета. Наконец, встречая ребро призмы, образуемое пересечением основания с боковыми гранями под углом в 90°, луч пройдет через кристалл после преломления. Приложенный рисунок схематически изображает наиболее часто наблюдаемые явления. В действительности очень редко, конечно, удается наблюдать явление, все части которого были бы одинаково ярки и отчетливо видны: обыкновенно то та, то другая его часть развита ярче и характернее, остальные или наблюдаются весьма слабо, или даже отсутствуют.

Черт. 2.

Обыкновенный круг или малое гало — это блестящий круг (черт. 2), окружающий светило, его радиус — около 22°; он окрашен в красноватый цвет с внутренней стороны, затем слабо заметен желтый, далее цвет переходит в белый и постепенно сливается с общим голубоватым тоном неба. Пространство внутри круга кажется сравнительно темным; внутренняя граница круга резко очерчена. Круг этот образуется преломлением света в ледяных иглах, носящихся во всевозможных положениях в воздухе. Угол наименьшего отклонения лучей в ледяной призме — приблизительно 22°, поэтому все лучи, прошедшие сквозь кристаллики, должны показаться наблюдателю отклоненными от источника света по крайней мере на 22°; отсюда — темнота внутреннего пространства. Красный цвет, как наименее преломляемый, покажется и наименее отклоненным от светила; за ним идет желтый; остальные лучи, смешиваясь между собой, дадут впечатление белого цвета. Реже встречается гало с угловым радиусом 46градусов, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае в ледяных иглах, обращенных к светилу углами в 90°; круг этот обыкновенно бледнее малого, но цвета в нем разделены резче. Ширина кольца такого гало превышает 2,5 градуса. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен.

Ложные солнца.

Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Он образуется из-за отражения солнечного света от граней поверхностей кристаллов льда. Если кристаллы достаточно равномерно распределены в воздухе, становится видимым полный круг. Паргелии, или ложные солнца, - это ярко светящиеся пятна, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического круга с гало, имеющими угловые радиусы 22, 46. и 90 градусов. Наиболее часто образующийся и самый яркий паргелий формируется на пересечении с 22-градусным гало, обычно окрашенный почти во все цвета радуги. Ложные солнца на пересечениях с 46- и 90-градусными гало наблюдаются гораздо реже.

 А.                                           Б.

  В.

Черт.3.

Говоря более подробно, паргелический круг — горизонтальная полоса (черт. 3), проходящая чрез светило, обязанная своим происхождением отражению света от вертикально направленных граней медленно падающих (черт. 3 А.) шестигранных кристалликов льда. Пересекаясь с малым гало, круг этот образует яркие, окрашенные пятна, — паргелии. В точках парагелия на расстоянии 46° от светила иногда наблюдаются подобные же, но более слабые пятна, это — вторичные паргелии. Касательные дуги получаются от преломления света, вступающего в кристаллы через одно из оснований, а выходящего через одну из граней. Различают околозенитную дугу касательную к большому гало сверху и обращенную вогнутостью к зениту; если светило достаточно высоко, удается иногда наблюдать соответственную дугу и снизу большого гало. Подробное строение парагелия можно рассмотреть на черт.3 В.

Светящийся столб

Бывает, что такое отражение солнечного света от маленьких кристалликов льда, плавающих в морозном воздухе, порождает светящийся столб.

Световой, или солнечный, столб представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами. Подвешенные в воздухе плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если солнце находится на высоте 6 градусов над горизонтом, либо позади него, столбовидные — если солнце находится на высоте 20 градусов над горизонтом. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения.

Венцы

Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой размер (он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капель в облаках) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман. Явления венцов возникают в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капель (обычно это высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счет дифракции. Венцы возникают также в тумане около искусственных источников света. Основная, а часто единственная часть венца - светлый круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила (или искусственный источник света). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю - красноватый. Его называют также ореолом или короной. Он может быть окружен одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу. Радиус ореола 1-5°. Он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капель в облаках.. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Иногда края очень высоко расположенных облаков окрашены в яркие цвета.

Страницы: 1, 2, 3