Электрические и оптические явления в атмосфере

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.

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.