Електричні і оптичні явища в атмосфері

У школі вивчає тему «Оптичні явища в атмосфері» 6 клас. Однак вона представляє інтерес не тільки для допитливого дитячого розуму. Оптичні явища в атмосфері, з одного боку, об'єднують веселку, зміна кольору неба під час світанків і заходів, не раз бачені усіма. З іншого - в їх число входять таємничі міражі, помилкові Місяця і Сонця, вражаючі гало, в минулому наводили жах на людей. Механізм утворення деяких з них до кінця залишається незрозумілим і сьогодні, однак загальний принцип, по якому «живуть» оптичні явища в природі, сучасна фізика добре вивчила.

Повітряна оболонка

Атмосфера Землі являє собою оболонку, що складається з суміші газів і простягається приблизно на 100 км над рівнем моря. Щільність повітряного шару змінюється в міру видалення від землі: найбільше її значення у поверхні планети, з висотою воно зменшується. Атмосферу не можна назвати статичним формуванням. Шари газової оболонки постійно рухаються, перемішуються. Змінюються їхні характеристики: температура, щільність, швидкість переміщення, прозорість. Всі ці нюанси впливають на сонячні промені, що спрямовуються до поверхні планети.

Оптична система

Процеси, що відбуваються в атмосфері, а також її склад сприяють поглинанню, переломленню і відбиття світлових променів. Частина їх досягає мети — земної поверхні, інша розсіюється або ж перенаправляється назад у космічний простір. В результаті викривлення і відображення світла, розпаду частини променів на спектр і так далі утворюються різноманітні оптичні явища в атмосфері.

Атмосферна оптика

В часи, коли наука тільки зароджувалася, люди пояснювали оптичні явища виходячи з сформованих уявлень про будову Всесвіту. Веселка з'єднувала людський світ з божественним, поява на небі двох помилкових Сонць свідчило про наближення катастрофи. Сьогодні більшість феноменів, пугавших наших далеких предків, отримало наукове пояснення. Вивченням подібних феноменів займається атмосферна оптика. Оптичні явища в атмосфері ця наука описує, ґрунтуючись на законах фізики. Вона здатна пояснити, чому небо синє вдень, а під час заходу і світанку змінює колір, як утворюється веселка і звідки беруться міражі. Численні дослідження та експерименти дозволяють зрозуміти такі оптичні явища в природі, як поява світяться хрестів, Фата-моргана, райдужні гало.

Синє небо

Колір неба настільки звичним, що ми рідко замислюємося, чому він такий. Тим не менш фізикам відповідь добре відомий. Ньютон довів, що промінь світла при певних умовах розкладається на спектр. При проходженні атмосфери його частина, відповідна синього кольору, розсіюється краще. Червоний ділянку видимого випромінювання характеризується більшою довжиною хвилі і поступається фіолетового за ступенем розсіювання в 16 раз. При цьому небо ми бачимо не фіолетовим, а блакитним. Причина цього криється в особливостях пристрою сітківки і співвідношенні ділянок спектра в сонячному світлі. Наші очі більш чутливі до синього, а фіолетовий ділянку в спектрі світила менш інтенсивний, ніж синій.

Яскраво-червоний захід сонця

Коли люди розібралися, що таке атмосфера, оптичні явища перестали бути для них свідоцтвом або ознакою грізних подій. Однак науковий підхід не заважає отримувати естетичне задоволення від барвистих заходів і ніжних світанків. Яскраві червоні і помаранчеві кольори разом з рожевим і блакитним поступово поступаються нічній темряві або ранкового світла. Неможливо спостерігати два однакових світанку або заходу. А причина цього криється у все тій же рухливості атмосферних шарів і зміні погодних умов. Під час заходів і світанків сонячні промені долають більш довгий шлях до поверхні, ніж вдень. В результаті розсіяний фіолетовий, синій і зелений йдуть в сторони, а пряме світло забарвлюється в червоний і жовтогарячий. Свою лепту в картину заходу сонця і до світанку вносять хмари, пил або частинки льоду, зважені в повітрі. Світло заломлюється, проходячи через них, і фарбує небо у різні відтінки. На протилежному від Сонця ділянці горизонту нерідко можна спостерігати так званий Пояс Венери — рожеву смугу, що розділяє нічне темне небо, і блакитне денний. Красиве оптичне явище, назване на честь римської богині любові, видно перед світанком і після заходу.

Райдужний міст

Мабуть, ніякі інші світлові явища в атмосфері не викликають у пам'яті стільки міфологічних сюжетів і казкових образів, скільки пов'язані з веселкою. Дуга або коло, що складається з семи кольорів, кожній з відома дитинства. Красиве атмосферне явище, що виникає під час дощу, коли сонячні промені проходять крізь краплі, заворожує навіть тих, хто досконально вивчив його природу. А фізика веселки сьогодні ні для кого не секрет. Сонячне світло, заломлюючись краплями дощу або туману, розщеплюється. В результаті спостерігач бачить сім кольорів спектра, від червоного до фіолетового. Межі між ними визначити неможливо. Кольори плавно переходять один в одного через кілька відтінків.
При спостереженні веселки сонце завжди розташовується за спиною людини. Центр посмішки Іріди (так називали веселку стародавні греки) розташовується на лінії, що проходить через спостерігача і денне світило. Зазвичай веселка постає у вигляді півкола. Її розмір і форма залежать від положення Сонця і точки, в якій перебуває спостерігач. Чим вище світило над горизонтом, тим нижче опускається окружність можливої появи веселки. Коли Сонце долає позначку в 42? над горизонтом, спостерігач на поверхні Землі не може побачити веселку. Чим вище над рівнем моря розташовується людина, що бажає помилуватися посмішкою Іріди, тим імовірніше, що він побачить не дугу, але окружність.

Подвійна, вузька і широка веселка

Нерідко разом з основною можна побачити так звану побічну веселку. Якщо перша утворюється в результаті однократного відбиття світла, то друга є результатом подвійного. Крім того, основна веселка відрізняється певним порядком кольорів: червоний розташовується на зовнішній стороні, а фіолетовий — на внутрішній, яка ближче до поверхні Землі. Побічний ж «місток» являє собою зворотній послідовності спектр: фіолетовий виявляється вгорі. Відбувається так тому, що при подвійному відображенні з краплі дощу промені виходять під іншими кутами. Веселки розрізняються по інтенсивності кольору і ширині. Найяскравіші і досить вузькі з'являються після літньої грози. Великі краплі, характерні для такого дощу, народжують добре помітну веселку з виразно помітними квітами. Малі краплі дають більш розпливчастий і менш помітну веселку.

Оптичні явища в атмосфері: полярне сяйво

Одне з найкрасивіших атмосферних оптичних явищ — полярне сяйво. Воно характерне для всіх планет, що володіють магнітосферою. На Землі полярні сяйва спостерігаються у високих широтах обох півкуль, у зонах, що оточують магнітні полюси планети. Найчастіше можна бачити зеленувате або синьо-зелене свічення, іноді доповнене по краях сполохами червоного і рожевого. Інтенсивне полярне сяйво за формою нагадує стрічки або складки тканини, при згасанні перетворюються в плями. Смуги висотою в кілька сотень кілометрів добре виділяються по нижньому краю на тлі темного неба. Верхня межа полярного сяйва втрачається у височині. Ці гарні оптичні явища в атмосфері ще зберігають свої таємниці від людей: до кінця не вивчено механізм виникнення деяких видів світіння, причина виникає під час різких сполохів тріска. Однак загальна картина формування полярних сяйв сьогодні відома. Небо над північним і південним полюсами прикрашається зеленувато-рожевим свіченням, коли заряджені частинки сонячного вітру стикаються з атомами верхніх шарів земної атмосфери. Останні в результаті взаємодії отримують додаткову енергію і випускають її у вигляді світла.

Гало

Сонце і Місяць нерідко постають перед нами оточені світлом, що нагадує німб. Це гало — добре помітне кільце навколо джерела світла. В атмосфері найчастіше воно утворюється завдяки дрібним частинкам льоду, складовим перисті хмари високо над Землею. В залежності від форми і розмірів кристалів змінюються характеристики явища. Часто гало набуває вигляду райдужного кола в результаті розкладання світлового променя на спектр. Цікава різновид явища носить назву паргелій. В результаті заломлення світла в кристалах льоду на рівні Сонця утворюється два світлих плями, що нагадують денне світило. В історичних джерелах можна зустріти опису цього феномена. У минулому воно часто вважалося передвісником грізних подій.

Міраж

Міражі — це теж оптичні явища в атмосфері. Вони виникають внаслідок заломлення світла на кордоні між значно розрізняються по щільності шарами повітря. В літературі описано безліч випадків, коли подорожній у пустелі бачив оазиси або навіть міста і замки, яких бути поблизу не могло. Найчастіше це «нижні» міражі. Вони виникають над рівною поверхнею (пустеля, асфальт) і являють собою відбите зображення неба, що здається спостерігачеві водоймою. Так звані верхні міражі зустрічаються рідше. Вони утворюються над холодною поверхнею. Верхні міражі бувають прямими і перевернутими, іноді поєднують обидва положення. Найвідомішим представником цих оптичних феноменів є Фата-моргана. Це складний міраж, який поєднує відразу кілька типів відбиттів. Перед спостерігачем постають реально існуючі об'єкти, багаторазово відбитих і перемішані.

Атмосферний електрику

Електричні і оптичні явища в атмосфері нерідко згадуються разом, хоча причини їх виникнення різні. Поляризація хмар і освіта блискавок пов'язані з процесами, що протікають у тропосфері та іоносфері. Гігантські іскрові розряди формуються зазвичай під час грози. Блискавки виникають всередині хмар, можуть бити в землю. Вони є загрозою для життя людей, і це одна з причин наукового інтересу до подібних явищ. Деякі властивості блискавок до цих пір залишаються загадкою для дослідників. Сьогодні невідома причина виникнення кульових блискавок. Як і у випадку з деякими аспектами теорії полярних сяйв і міражів, електричні феномени продовжують інтригувати вчених. Оптичні явища в атмосфері, коротко описані в статті, з кожним днем стають все більш зрозумілими для фізиків. При цьому вони, як і блискавки, не перестають захоплювати людей своєю красою, таємничістю і часом грандіозністю.