Оптические явления в атмосфере. Человек и атмосфера
Электрические и оптические явления в атмосфере. Атмосферные явления. Электрические и оптические явления в атмосфере удивительные, а иногда опасные атмосферные явления.
Электрические явления в атмосфере.
3. Электрические явления это проявление атмосферного электричества (гроза, зарница, полярное сияние).
Гроза – сильные электрические разряды, происходящие в атмосфере. Сопровождается порывистым ветром, ливнем, вспышками яркого света (молнией) и резкими звуковыми эффектами (громом). Раскаты грома слышны на расстоянии до двадцати километров. Причиной являются кучево-дождевые облака. Электрические разряды могут возникать межу облаками, внутри самих облаков, между облаками и поверхностью земли. Гроза бывает фронтальной при движении холодного или теплого фронта воздушных масс или внутримассовой. Внутримассовая гроза образуется при местном прогревании воздуха. Гроза является очень опасным природным явлением для человека. По количеству унесенных человеческих жизней гроза находится на втором месте после наводнений. Любопытные ученые определили, что одновременно на Земле происходит полторы тысячи гроз. Каждую секунду возникает сорок шесть молний! Только на полюсах и в полярных районах не бывает грозы.
Зарница
это световое явление, при котором на короткое время освещаются молнией облака или горизонт. Сама молния не наблюдается. Причиной является далеко проходящая гроза (на расстоянии более двадцати километров). Гром при зарнице не слышен.
Полярное сияние
– разноцветное свечение ночного неба в высоких широтах. Причиной является значительное колебание магнитного поля Земли. При этом выделяется большое количество энергии. Длительность такого явления может составлять от нескольких минут до нескольких суток.
Оптические явления в атмосфере.
4. Оптические явления это результат дифракции (преломления) света от Солнца или Луны (мираж, радуга, гало).
Мираж это появление мнимого изображения действительно существующего предмета. Обычно мнимые предметы появляются в перевернутом виде или сильно искажены. Причиной является искривление лучей света из-за оптической неоднородности воздуха. Неоднородность атмосферы появляется при неравномерном нагреве воздуха на различной высоте.
Радуга
– большая разноцветная дуга на фоне дождевых облаков. У радуги внешняя часть красного цвета, а внутренняя – фиолетовая. Нередко с наружной стороны радуги появляется вторичная радуга, у которой обратное чередование цветов. Причиной возникновения является преломление и отражение лучей света в капельках водяного пара. Радугу можно наблюдать только в том случае, если солнце расположено низко над горизонтом.
Гало
– светлые красноватые дуги, круги, пятна, появляющиеся вокруг Солнца или Луны. Причиной возникновения является преломление и отражение лучей света от кристаллов льда в перисто-слоистых облаках.
5. Неклассифицированные атмосферные явления это все явления, которые трудно отнести к какому-нибудь другому виду (шквал, смерч, вихрь, мгла).
Шквал
это неожиданное и резкое усиление ветра в течение одной или двух минут. Ветер достигает скорости более 10 метров в секунду. Причиной является движение восходящих и нисходящих масс воздуха. Шквалу сопутствуют гроза, ливень и кучево-дождевые облака.
Вихрь
— это вращательное и поступательное движение больших масс воздуха. Диаметр вихря может достигать нескольких тысяч километров. Атмосферные вихри: циклон, тайфун.
Смерч
или торнадо – очень сильный вихрь, представляющий собой гигантскую воронку или столб из облака. Диаметр такого столба над водой может быть до 100 метров, а над землей до километра. Высота смерча достигает 10 километров.
Внутри воронки или столба, при вращении воздуха, образуется зона разреженного воздуха. Скорость движения воздуха в воронке пока не определена. Просто нет такого смельчака, рискнувшего попасть с приборами в воронку. Смерч втягивает в себя воду, песок, пыль, другие предметы и переносит их на значительные расстояния. Срок жизни смерча составляет от нескольких минут до полутора часов. Образуется в жару и исходит из кучево-дождевого облака. Люди пока полностью не определили механизм возникновения смерчей.
Конспект урока географии
«Оптические явления в атмосфере»
6 класс, ФГОС
Подготовила
учитель географии
МОБУ Молчановская СОШ
Горькавая Галина Сергеевна
Конспект урока по теме: «Оптические явления в атмосфере»
| Ф.И.О | Горькавая Галина Сергеевна |
|
| Место работы | МОБУ Молчановская СОШ |
|
| Должность | учитель географии |
|
| Предмет | география |
|
| Класс | ||
| Тема и номер урока в теме | Оптические явления в атмосфере. (в разделе VI «Атмосфера-воздушная оболочка Земли» |
|
| Базовый учебник | География Планета земля. 5-6 класс.Учебник (А. А. Лобжанидзе) |
Цель урока : Сформировать представление о взаимном влиянии атмосферы и человека, природных атмосферных явлениях;
9. Задачи :
- обучающие : Получить знания об оптических явлениях в атмосфере
- развивающие : развитие познавательных интересов учащихся, умения работать в группе с учебником, дополнительной литературой и ресурсами ЭОР.,
- воспитательные : формирование культуры общения при работе в группе
Планируемые результаты:
Личностные : осознание ценностей географического знания, как важнейшего компонента научной картины мира.
Метапредметные : умение организовывать свою деятельность, определять её цели и задачи, умение вести самостоятельный поиск, анализ, отбор информации, умение взаимодействовать с людьми и работать в коллективе. Высказывать суждения, подтверждая их фактами.овладение элементарными практическими умениями работы с учебником для исследования,
Предметные : Различать атмосферные явления,связанные с отражением солнечного света, электричеством, опасные явления,связанные с осадками, с ветрами. Называть виды загрязнения атмосфкры, возникающие в результате хозяйственной деятельности человека
Универсальные учебные действия:
Личностные: осознать необходимость изучения окружающего мира.
Регулятивные: планировать свою деятельность под руководством учителя, оценивать работу одноклассников, работать в соответствии с поставленной задачей, сравнивать полученные результаты с ожидаемыми.
Познавательные: извлекать информацию об оптических явлениях в атмосфере, опасных природных явлениях в атмосфере, роли воздушной оболочки Земли в жизни и хозяйственной деятельности человека добывать новые знания из источников ЭОР, перерабатывать информацию для получения необходимого результата.
Коммуникативные: умение общаться и взаимодействовать друг с другом.
Тип урока : комбинированный
Форма работы учащихся : коллективная, работа в парах
Техническое оборудование : мультимедийная установка, интерактивная доска, интернет, ЭОР, персональный компьютер.
Ход урока.
Учитель: Здравствуйте, ребята! Вы пришли сюда учиться, Не лениться, а трудиться. Желаю всем хорошего настроения! Садитесь.
Давайте вспомним, какой раздел мы с вами изучаем? Отгадайте загадку!
Есть ли, дети, одеяло,
Чтоб всю Землю укрывало?
Чтоб его на всех хватало,
Да при том не видно было?
Не сложить, не развернуть,
Не пощупать, не взглянуть?
Пропускало б дождь и свет,
Есть, а вроде бы и нет?
– Что это за одеяло? дети отвечают
(атмосфера)
Учитель: Правильно.
Атмосфера не однородна, в ней выделяется несколько слоев? (Тропосфера, стратосфера и верхние слои атмосферы)
Из чего состоит атмосфера Земли? (Смесь газов, мельчайших капель воды и кристалликов льда, пыль, сажа, органические вещества.)
Назовите газовый состав атмосферы? (азот – 78%; кислород 21 %; Аргон – 0,9% и другие газы 0,1 %)
Сейчас, имея небольшой багаж знаний, вы можете объяснить большинство явлений, происходящих в атмосфере. Но в древности люди не имели возможности сделать это, поэтому атмосферные явления пугали суеверных людей, их считали предвестниками катастроф, несчастий.
| А что это за загадочный сосуд стоит у меня на столе? Вы не знаете? Давайте посмотрим? |
| Музыка. (Открывает сосуд, из него валит дым, появляется старик Хоттабыч.) |
| Хоттабыч: Апчхи! Приветствую тебя, о мудрый мой повелитель! (Д
алее словаХоттабыча
, которого играет один из учащихся, выделены подчеркнутым шрифтом.
) – Мы очень рады этому, уважаемый Хоттабыч. Хоттабыч: Спасибо! С большим удовольствием соглашусь!(присаживается за парту) Сегодня мы познакомимся с некоторыми оптическими явлениями, заполним таблицу, которая лежит перед вами. Ну а наш уважаемый Хоттабыч расскажет нам, как древние представляли то или иное явление. |
| Итак, начинаем! |
Изучение новой темы.
Откройте свои рабочие тетради, запишите число и Оставьте место для записи темы; ниже, просматривая ролики которые я буду вам показывать, запишите, пожалуйста, названия тех атмосферных явлений, которые так пугали раньше людей, именно в той последовательности, в которой будете их просматривать (как правило, учащиеся с легкостью определяют радугу, полярное сияние, молнию, но с определением гало и миража возникают затруднения
1.Радуга –
2. Мираж
3. Гало –
4. Полярное сияние -
5. Молния –
6. Огни святого Эльма
Давайте сравним, что у вас получилось? Слайды 1- 7
7 слайд - Все эти явления называются оптическими явлениями в атмосфере.
8 слайд Запишите название темы в тетрадь .
Слайд 9 (цели и задачи) Проговорить цель!
Слайд 10
Работа по учебникам. Ваша задача вписать в карточку причины возникновения оптических явлений!
Работа с учебником стр.118 (явления, связанные с отражением солнечного света: радуга, мираж, гало)
Работа с учебником стр.119 (явления, связанные с электричеством: полярное сияние, молния, Огни Святого Эльма)
Время - мин.
Учитель: Итак, ну что готовы? Наш уважаемый Хоттабыч расскажет нам, как древние представляли то или иное явление. А выступающий от каждой группы расскажет о причинах возникновения явлений! (Выходят к доске )
Первое явление, которое вы определили – это радуга. Первое слово предоставляется вам Хоттабыч!
Хоттабыч: Считали, что радугу создал Бог древнего Вавилона в знак того, что он решил прекратить всемирный потоп.
Учитель: Давайте узнаем причину возникновения радуги!
Выступающий: Солнечный свет кажется нам белым, но в действительности он состоит из световых волн 7 цветов: красного, оранжевого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Проходя сквозь капли воды, солнечный луч преломляется и распадается на разные цвета. Вот отчего после дождя или около водопадов можно наблюдать радугу.
– Многие путешественники по пустыням становятся свидетелями другого атмосферного явления – Миража.
Хоттабыч: Древние египтяне верили, что мираж– это призрак страны, которой больше нет на свете.
- Почему же возникают миражи?
Выступающий: Это происходит, когда раскаленный над поверхностью воздух поднимается вверх. Его плотность начинает возрастать. Воздух при различной температуре обладает различной плотностью, и луч света, переходя из слоя в слой, будет изгибаться, зрительно приближая объект. М. возникают над раскаленной(пустыня, асфальт), либо, напротив, над охлажденной поверхностью (водой)
В морозную погоду вокруг Солнца и Луны появляются ярко выраженные кольца – Гало .
Хоттабыч: Раньше думали, что в это время происходил шабаш ведьм.
Выступающий:Они возникают, когда свет отражается в кристаллах льда перисто-слоистых облаков. Венцы – несколько вложенных вдруг друга колец.
- Спасибо. (выступающий уходит, Хоттабыч остается)
А сейчас кто желает рассказать о явлениях связанные с электричеством? приглашаю выступающего от следующей группы).
(Выходит выступающий)
- Жители приполярных районов могут любоваться Полярным сиянием.
Хоттабыч: Индейцы Северной Америки считали, что это костры колдунов, на которых они в котлах кипятили своих пленников.
Выступающий: Солнце посылает на Землю поток электрически заряженных частиц, которые сталкиваются с частичками воздуха и начинают светиться.
- Молния – "Летит огневая стрела, никто ее не поймает - ни царь, ни царица, ни красна девица.
Хоттабыч: Считалось, что это Бог Перун поражает своим каменным оружием змея.
Выступающий: Видимый электрический разряд между облаками, или между облаком и земле. Молния – гром.
А какие бывают Виды молнии (линейная и шаровая), чем опасны?
- И последнее явление это "Огни Святого Эльма".
Хоттабыч: "Огни Святого Эльма" моряки считали его дурным знаком.
Где можно наблюдать такое явление?
Выступающий: Это свячение может наблюдаться в грозовую погоду на высоких шпилях башен, а также вокруг корабельных мачт.
- Спасибо вам Хоттабыч, благодаря вам ребята узнали о взглядах древних на оптические явления.
Хоттабыч: И вам спасибо, что пригласили меня поучаствовать в вашем уроке.!
ФИЗМИНУТКА.
Закрепление пройденного материала:
Работа в парах! Разгадать кроссворд
Учащиеся разгадывают кроссворд. У кого, что получилось?
Итог урока: (рефлексия )
Что нового вы сегодня узнали на уроке? Приходилось ли вам наблюдать какое-либо явление?
Ребята обратите внимание на доску. Солнышко совсем без лучиков! У каждого на парте лежит 3 лучика оцените свою работу (выбрав себе один) и прикрепите его к солнышку.
Молодцы! Сегодня вы поработали хорошо, тема эта очень сложная, и более глубоко вы ее будете изучать в курсе физики.
Ребята, скажите, а какую оценку вы поставили бы нашему гостю Хоттабычу? (Пять!!!) Я с вами полностью согласна! Другим учащимся оценки.
Слайд 11 А теперь запишите домашнее задание. Параграф 46 повторить, ответить на вопросы.
Спасибо всем за урок!
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.
Атмосфера нашей планеты представляет собой достаточно интересную оптическую систему, показатель преломления которой уменьшается с высотой вследствие уменьшения плотности воздуха. Таким образом, земную атмосферу можно рассматривать как «линзу» гигантских размеров, повторяющую форму Земли и имеющую монотонно изменяющийся показатель преломления.
Это обстоятельство приводит к появлению целого ряда оптических явлений в атмосфере , обусловленных преломлением (рефракцией) и отражением (рефлекцией) лучей в ней.
Рассмотрим некоторые наиболее существенные оптические явления в атмосфере.
Атмосферная рефракция
Атмосферная рефракция - явление искривления световых лучей при прохождении света через атмосферу.
С высотой плотность воздуха (значит, и показатель преломления) убывает. Представим себе, что атмосфера состоит из оптически однородных горизонтальных слоев, показатель преломления в которых меняется от слоя к слою (рис. 299).
Рис. 299. Изменение показателя преломления в атмосфере Земли
При распространении светового луча в такой системе он будет в соответствии с законом преломления «прижиматься» к перпендикуляру к границе слоя. Но плотность атмосферы уменьшается не скачками, а непрерывно, что приводит к плавному искривлению и повороту луча на угол α при прохождении атмосферы.
В результате атмосферной рефракции мы видим Луну, Солнце и другие звезды несколько выше того места, где они находятся на самом деле.
По этой же причине увеличивается продолжительность дня (в наших широтах на 10-12 мин), сжимаются диски Луны и Солнца у горизонта. Интересно, что максимальный угол рефракции составляет 35" (для объектов у линии горизонта), что превышает видимый угловой размер Солнца (32").
Из этого факта следует: в тот момент, когда мы видим, что нижний край светила коснулся линии горизонта, на самом деле солнечный диск находится уже под горизонтом (рис. 300).
Рис. 300. Атмосферная рефракция лучей на закате Солнца
Мерцание звезд
Мерцание звезд также связано с астрономической рефракцией света. Давно было подмечено, что мерцание наиболее заметно у звезд, находящихся вблизи линии горизонта. Воздушные потоки в атмосфере изменяют плотность воздуха с течением времени, что приводит к кажущемуся мерцанию небесного светила. Космонавты, находящиеся на орбите, никакого мерцания не наблюдают.
Миражи
В жарких пустынных или степных районах и в полярных областях сильный прогрев или охлаждение воздуха у земной поверхности приводит к появлению миражей : благодаря искривлению лучей становятся видимыми и кажутся близко расположенными предметы, которые на самом деле расположены далеко за горизонтом.
Иногда подобное явление называется земной рефракцией . Возникновение миражей объясняется зависимостью показателя преломления воздуха от температуры. Различают нижние и верхние миражи.
Нижние миражи можно увидеть в жаркий летний день на хорошо прогретой асфальтовой дороге: нам кажется, что впереди на ней есть лужи, которых на самом деле нет. В данном случае мы принимаем за «лужи» зеркальное отражение лучей от неоднородно разогретых слоев воздуха, находящихся в непосредственной близости от «раскаленного» асфальта.
Верхние миражи отличаются значительным разнообразием: в одних случаях они дают прямое изображение (рис. 301, а), в других - перевернутое (рис. 301, б), могут быть двойными и даже тройными. Эти особенности связаны с различными зависимостями температуры воздуха и показателя преломления от высоты.
Рис. 301. Образование миражей: а - прямой мираж; б - обратный мираж
Радуга
Атмосферные осадки приводят к появлению в атмосфере эффектных оптических явлений. Так, во время дождя удивительным и незабываемым зрелищем является образование радуги , которое объясняется явлением различного преломления (дисперсии) и отражения солнечных лучей на мельчайших капельках в атмосфере (рис. 302).
Рис. 302. Образование радуги
В особо удачных случаях мы можем увидеть сразу несколько радуг, порядок следования цветов в которых взаимообратен.
Световой луч, участвующий в формировании радуги, испытывает два преломления и многократные отражения в каждой дождевой капле. В данном случае, несколько упрощая механизм образования радуги, можем сказать, что сферические дождевые капельки играют роль призмы в опыте Ньютона по разложению света в спектр.
Вследствие пространственной симметрии радуга видна в виде полуокружности с углом раствора около 42°, при этом наблюдатель (рис. 303) должен находиться между Солнцем и каплями дождя, спиной к Солнцу.
Разнообразие цветов в атмосфере объясняется закономерностями рассеяния света на частичках различных размеров. Вследствие того, что синий цвет рассеивается сильнее, чем красный, - днем, когда Солнце находится высоко над горизонтом, мы видим небо голубым. По этой же причине вблизи линии горизонта (на закате или восходе) Солнце становится красным и не таким ярким, как в зените. Появление цветных облаков также связано с рассеянием света на частичках различных размеров в облаке.
Литература
Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летнми сроком обучения (базовый и повышенный)/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2008. - С. 334-337.
Атмосфера представляет собой мутную, оптически неоднородную среду. Оптические явления – это результат отражения, преломления и дифракции световых лучей в атмосфере.
В зависимости от причин возникновения все оптические явления делят на четыре группы:
1) явления, обусловленные рассеиванием света в атмосфере (сумерки, заря);
2) явления, обусловленные преломлением световых лучей в атмосфере (рефракцией) – миражи, мерцание звезд и др.;
3) явления, обусловленные преломлением и отражением световых лучей на каплях и кристаллах облаков (радуга, гало);
4) явления, обусловленные дифракцией света в облаках и тумане – венцы, глории.
Сумерки обусловлены рассеиванием солнечного света в атмосфере. Сумерки – это переходный период ото дня к ночи (вечерние сумерки) и от ночи ко дню (утренние сумерки). Вечерние сумерки начинаются с момента захода Солнца и до наступления полной темноты, утренние – наоборот.
Продолжительность сумерек определяется углом между направлением видимого суточного движения Солнца и горизонтом; таким образом, продолжительность сумерек зависит от географической широты: чем ближе к экватору, тем короче сумерки.
Различают три периода сумерек:
1) гражданские сумерки (погружение Солнца под горизонтом не превышает 6 о) – светло;
2) навигационные (погружение Солнца под горизонтом до 12 о) – условия видимости сильно ухудшены;
3) астрономические (погружение Солнца под горизонтом до 18 о) – у земной поверхности уже темно, но на небе еще заметна заря.
Заря – совокупность красочных световых явлений в атмосфере, наблюдаемых перед восходом Солнца или при его заходе. Разнообразие красок зари зависит от положения Солнца относительно горизонта и от состояния атмосферы.
Цвет небесного свода определяется рассеянными видимыми лучами Солнца. В чистой и сухой атмосфере рассеивание света происходит по закону Рэлея. Синие лучи рассеиваются примерно в 16 раз сильнее, чем красные, поэтому цвет неба (рассеянный солнечный свет) – синий (голубой), а цвет Солнца и его лучей у горизонта – красный, т.к. свет в этом случае проходит больший путь в атмосфере.
Большие частицы в атмосфере (капли, пылинки и т.п.) рассеивают свет нейтрально, поэтому облака и туман имеют белый цвет. При большой влажности, запыленности весь небосвод становится не голубым, а белесоватым. Следовательно, по степени синевы неба можно судить о чистоте воздуха и о характере воздушных масс.
Атмосферная рефракция – атмосферные явления, связанные с преломлением световых лучей. Рефракцией обусловлены: мерцание звезд, сплющивание видимого диска Солнца и Луны у горизонта, увеличение продолжительности дня на несколько минут, а также миражи. Мираж – это видимые мнимые изображения на горизонте, над горизонтом или под горизонтом, обусловленные резким нарушением плотности слоев воздуха. Различают нижние, верхние, боковые миражи. Редко наблюдаются движущиеся миражи – «фата-моргана».
Радуга – это светлая дуга, окрашенная во все цвета спектра, на фоне освещенного Солнцем облака, из которого выпадают капли дождя. Внешний край дуги красный, внутренний – фиолетовый. Если Солнце стоит низко над горизонтом, то мы видим лишь половину окружности. Когда Солнце находится высоко, то дуга становится меньше, т.к. центр окружности опускается за горизонт. При высоте Солнца больше 42 о радуга не видна. С самолета можно наблюдать радугу почти полного круга.
Радуга образуется при преломлении и отражении солнечных лучей в капельках воды. Яркость и ширина радуги зависит от размеров капелек. Крупные капли дают менее широкую, но более яркую радугу. При мелких каплях она почти белая.
Гало – это круги или дуги вокруг Солнца и Луны, возникающие в ледяных облаках верхнего яруса (чаще всего в перисто-слоистых).
Венцы – светлые, слегка окрашенные кольца вокруг Солнца и Луны, возникающие в водяных и ледяных облаках верхнего и среднего ярусов, обусловленные дифракцией света.