Оптические явления в атмосфере. Реферат: Оптические явления в природе

Всем нам хорошо известно, что одними из главных показателей ценности камней, используемых при изготовлении ювелирных украшений, являются их чистота или прозрачность, а так же яркость, устойчивость цвета. С давних времен до наших дней дошли такие выражения, как «алмазы чистой воды», «рубины голубиной крови», «васильковые сапфиры». Однако есть драгоценные камни, основной изюминкой которых является способность к проявлению необычных оптических эффектов. Одни из них могут менять цвет в зависимости от длины волны источника освещения (александрит), на поверхности других появляются многолучевые «звездочки», третьи переливаются подобно радужным оболочкам глаз, в четвертых мелкие вкрапления слюды создают золотисто-серебристое «авантюриновое» мерцание. Кроме того, существуют еще такие природные явления как иризация (опалы, лунные камни и пр.), преломление света на кристаллических гранях роста минералов (астрофиллит, малахит, эвдиалит, чароит), отражение от поверхностей внутренних включений в прозрачном кварце («волосатики», горный хрусталь с серицитом и хлоритом) или халцедоне (огненный агат, содержащий чешуйки гематита), и многое другое. Даже мелкие пузырьки газово-жидких включений, послойно располагающиеся в вулканическом стекле-обсидиане, придают ему переливчатую седину.

Сейчас все эти явления находят свое объяснение с точки зрения науки об оптических свойствах минералов. Однако на протяжении долгих лет человечество придавало таким камням многочисленные мистические свойства именно из-за необычности световых эффектов. Так, «глазковые» камни должны были защищать своих владельцев от сглаза, авантюрины приносить богатство, «астерики» обеспечивать связь с другими мирами….

АЛЕКСАНДРИТОВЫЙ ЭФФЕКТ ИЛИ ЭФФЕКТ СМЕНЫ ЦВЕТА
Александритовый эффект - изменение видимой окраски минерала в зависимости от характера освещения. Минералы с таким эффектом демонстрируют один цветовой оттенок при естественном освещении и совершенно иной - при искусственном свете. Самый яркий представитель этого феномена - александрит (разновидность хризоберилла), меняющий свою окраску от желтоватого, коричневатого, сероватого и синевато-зеленого (при дневном солнечном освещении) до оранжевато-красного, коричневато-красного и пурпурно-красного (при искусственном). Чем сильнее изменение цвета (реверс), тем ценнее камень.
В Минералогическом музее имени А. Е. Ферсмана (г. Москва) находится самая большая в мире глыба александрита. Она весит 5 килограммов и состоит из 22 кристаллов, темно-зеленых днем и ярко-красных вечером. Самый крупный ограненный кристалл александрита весом 66 карат хранится в Смитсоновском институте в Вашингтоне.
Аналогичный эффект известен также у некоторых корундов, шпинели, турмалина, гранатов, кианита, флюорита.

Фото: www.wiki.web.ru		Фото: www.wiki.web.ru

АСТЕРИЗМ ИЛИ ЭФФЕКТ ЗВЕЗДЫ
Астеризм (назв. от греч. aster - звезда), или эффект звезды, звездчатый эффект - оптическое явление, свойственное некоторым драгоценным камням. Эффект «звезды» появляется благодаря отражению света от внутренних включений в камне. Количество и направление лучей зависит от типа, расположения и ориентации включений.
Астеризм бывает двух видов:
. диастеризм, возникает при прохождении света сквозь камень;
. эпиастеризм, возникает при обратном отражении света (источник света находится непосредственно над полированной поверхностью), в этом случае может наблюдаться только 12-ти лучевая звезда.
Рубинам и сапфирам, обработанным в форме кабошона свойственна 6-ти лучевая звезда (в основном за счет игольчатых включений рутила и/или гематита), но может проявляться и 12-ти лучевая звезда.
В кристаллах диопсида и энстатита причиной проявления 4-х лучевой звезды являются включения магнетита. Хотя и редко, встречаются 4-х и 6-ти лучевые звездчатые гранаты. 6-ти лучевую звезду можно увидеть и в розовом кварце. Встречается звездчатая шпинель с 6-ти лучевой звездой, и значительно реже с 4-х лучевой. Астеризм у нее вызван упорядоченно ориентированными включениями рутила, силлиманита и др.минералов. А вот 6-ти лучевых звездчатых изумрудов в мире насчитывается не более десятка.
К сожалению, популярность «звездчатых камней» привела к всплеску производства синтетических аналогов, в основном - рубинов и сапфиров. В синтетических камнях звезды очень яркие, контрастные, лучи сильно выраженные и четкие. Все более широкое распространение получают природные корунды, ограненные в кабошоны, с искусственно созданной звездой.

ИРИЗАЦИЯ
Иризация (от лат. «iris» - радужная оболочка глаза), оптический эффект, проявляющийся у некоторых минералов в виде внутреннего радужного цветового сияния при ярком освещении на ровном сколе камней и особенно после их полировки. Этот эффект лучше всего проявляется в благородном опале - опалесценция .
Адуляресценция - частный случай иризации, наблюдаемый у иризирующего адуляра, - собственно «лунного камня». Адуляром называется полупрозрачная до непрозрачной разновидность калиевого полевого шпата с волнообразным переливом в белых и голубых тонах. В настоящее время в магазинах под видом лунного камня часто продаются его имитации, их массовое производство давно налажено в Индии и Китае на основе матового полупрозрачного подкрашенного стекла или пластика. Характерное отличие от натуральных - отсутствие специфических отсверков при вращении, имитация равномерно блестит под любым углом.
Лабрадоресценция - ещё один частный случай иризации, который можно увидеть в лабрадоре (минерал из группы полевых шпатов) и спектролите (красивой разновидности финского лабрадора), в виде радужной игры цветов на гранях и плоскостях спайности кристаллов.

Фото: из фондов ВО "Мир камня"

Человек - большой мастер строить воздушные замки на песке. Однако практика показывает: до матушки природы ему далеко. Мастерица от Бога способна на такой обман наших чувств, что дух захватывает! Но как бы волшебно ни выглядели оптические явления, примеры которых мы рассмотрим, они не фантасмагория, а результат течения физических процессов. В неоднородной атмосфере Земли лучи света искривляются, вызывая сонм иллюзий. Но разве можно представить себе мир без грез и видений? Он был бы таким серым…

Свет и цвет

Говоря про свет и формы которых наблюдает не одно поколение людей, подчеркнем, что цвета появляются в атмосфере вследствие того, что белый свет в ходе взаимодействия с материалами в атмосфере разбивается на составные части (спектр). Это взаимодействие осуществляется при помощи одной из трех основных форм: отражения, преломления (рефракции) и дифракции.

Если уж речь зашла о спектре, подумайте о том, как научить своего ребенка запомнить совокупности цветных полос, получающихся при прохождении светового луча через преломляющую среду. Поможет простая фраза: «Каждый (красный) охотник (оранжевый) желает (желтый) знать (зеленый), где (голубой) сидит(синий) фазан (фиолетовый)».

Есть возникновение вторичных волн, распространяющихся от границы двух сред обратно в первую среду. Рефракция - преломление лучей на границе двух сред. Дифракция - отгибание световыми потоками твердых частиц, капель жидкости, а также других материалов, присутствующих в атмосфере. Все это и есть причина процветающего во Вселенной «оптического обмана зрения». Примеров множество: начиная от синего цвета неба, миражей и радуги до ложных солнц и солнечных столбов.

Внутреннее отражение

Оптические явления в физике - важный раздел, достойный глубокого изучения. Так что продолжим. Отражение имеет место, когда падают на гладкую поверхность и возвращаются под углом, равным входящему. Этот феномен объясняет происхождение цвета: некоторые части белого легче абсорбируются и отражаются, чем другие. Например, объект, который, как представляется, имеет зеленый цвет, кажется таковым потому, что поглощает все длины волн белого света, за исключением зеленого, который и находит свое отражение.

Одна из форм - внутреннее отражение - часто присутствует в объяснении оптических явлений. Свет входит в прозрачное физическое тело (материал), например каплю воды, через внешнюю поверхность и отсвечивает уже от внутренней. Затем, во второй раз - от материала. Цвет радуги частично можно объяснить с точки зрения внутреннего отражения.

Радуга-дуга

Радуга - оптическое явление, которое случается, когда солнечный свет и дождь специфическим образом объединяются. Лучи солнечного света разделяются на цвета, которые мы видим в радуге, когда они входят в дождевые капли. Это происходит тогда, когда луч падает на устремленные к Земле «дождинки» под определенным углом, цвета разделяются (белый свет разлагается в спектр), и мы видим яркую, праздничную радугу, напоминающую гигантский полукруглый мост.

Кажется, пестрота из изогнутых полос повисает прямо над головой. Излучающий источник всегда будет позади нас: видеть сразу ясное солнышко и красотку-радугу нельзя (разве что, если использовать для этой цели зеркало). Явление не чуждо Луне. Когда лунная ночь ярка, можно увидеть радужный «веер» и поблизости от Селены.

Когда вокруг почти ничего не видно, работают самые восприимчивые к свету фоторецепторы глаза человека - «палочки». Они чувствительны к изумрудно-зеленой части спектра, других цветов «не видят». В результате радуга выглядит белесой. Когда освещение усиливается, подключаются «колбочки», благодаря этим нервным окончаниям дуга смотрится более цветастой.

Мираж

С Земли мы наблюдаем только часть окружности первичной радуги. Свет при этом претерпевает одно отражение. В горах можно увидеть круглую радугу. А знаете ли вы, что «красавиц» бывает две и даже три? Радуга, взметнувшаяся над радугой, менее яркая и «перевернутая» (ведь это отражение первой). Третья случается там, где воздух кристально чист и прозрачен (например, в горах). Это что касается привычного зрелища.

Мираж - оптическое явление, которое обыденным не назовешь. В России оно относительно редко встречается. Каждый раз, произнося магическое слово, мы вспоминаем легенду о корабле-призраке "Летучий голландец". Согласно сказаниям, за преступления капитана он будет бороздить океанские просторы вплоть до второго пришествия.

А вот еще один «голландец». Летучим стал крейсер «Рипалс», затонувший в декабре 1941 года у берегов Цейлона. Его увидел "совсем рядом" экипаж британского судна "Вендор", находившийся в районе Мальдивских островов. На деле корабли разделяли 900 километров!

Фата Моргана

"Летучий голландец" и другие - оптические явления, примеры из когорты потрясающих миражей «фата-моргана» (названы в честь героини британского эпоса). Необычное оптическое явление есть сочетание сразу нескольких форм. В небе образуется сложное, быстро меняющееся изображение. Глядя на виды того, что находится далеко за горизонтом, кажется, можно сойти с ума, настолько они «осязаемы».

Чудеса, вызванные атмосферными условиями, могут сбить с толку кого угодно. Особенно такие, как появление "слоя воды" в пустыне или на горячей дороге, вызванные преломлением лучей. Не только дети, но и взрослые не могут отделаться от ощущения, что животные, колодцы, деревья, строения реальны. Но, увы!

Свет проходит через слои неравномерно нагретого воздуха, создавая своеобразное изображение 3D. Миражи бывают нижние (отдаленная ровная поверхность обретает вид открытой воды), боковые (возникают рядом с сильно прогретой вертикальной поверхностью), хроно- (воспроизводят события прошлого).

Северное сияние

Размышляя о том, какие бывают оптические явления, невозможно не сказать о северном (полярном) сиянии. Оно имеет две основные формы: красивые сверкающие ленты и пятна, напоминающие облака. Интенсивное сияние, как правило, «ленточное». Случается, что цветные светящиеся полосы перестают существовать, так и не разбившись на составляющие.

В темноте небесного пространства занавес, как правило, тянется по направлению с востока на запад. «Шлейф» может достигать нескольких тысяч километров в ширину, и несколько сотен - в высоту. Это не плотный, а тонкий «заслон», сквозь который сверкают звездочки. Очень красивое зрелище.

Нижний край «кулисы» четок, имеет красноватый или розовый оттенок, верхний как будто растворяется в темноте, благодаря чему хорошо ощущается невыразимая глубина пространства. Обсудим четыре вида полярных сияний.

Однородная структура

Спокойной, простой формы сияние, яркое снизу и растворяющееся вверху, называют однородной дугой; активное, подвижное, с мелкими складками и струйками - лучистой дугой. Сияющие складки, накладывающиеся друг на друга (крупные на мелкие), называются «лучистая полоса».

И четвертый вид - когда область из складок и петель становится очень большой. После окончания активности лента обретает однородную структуру. Есть мнение, что однородность - основное свойство «его сиятельства». Складки возникают лишь в период усиления атмосферной активности.

Есть и другие оптические явления. Примеры не замедлим перечислить ниже. Шквал - сияние, придающее всей полярной шапке беловато-зеленое свечение. Он наблюдается на южном и северном полюсах Земли, в Исландии, Норвегии и т. д. Явление возникает в результате свечения намагниченных верхних слоев атмосферы при взаимодействии с заряженными частицами солнечного ветра (так называют истечение в пространство космоса плазмы из гелия и водорода).

Про можно сказать следующее: они часты в морозные дни, очень эффектны.

Святой Эльм в венцах зеленых лучей и гало

Есть и другие оптические явления. Например, гало, появление которого связано с ледяными кристалликами, образующимися в атмосфере. С радугой его роднит дисперсия (разложение света на составляющие), только уже не в капле, а в твердой структуре льда.

Радуги похожи одна на другую, ведь капли одинаковые, они только и могут, что падать. Гало насчитывает сотню видов, так как кристаллики разные и очень «шустрые»: то парят, то кружатся, то устремляются к Земле.

Мечтая в очередной раз «обмануться», можно полюбоваться на ложное солнце (паргелий) или Последние «сидят» на острых вершинах высоких зданий. Мистика тут ни при чем. Это электрический разряд в атмосфере. Он часто возникает во время грозы или в песчаную бурю (когда частички электризуются).

Фотографы любят ловить «зеленый луч» (вспышка над солнцем и преломление лучей у горизонта). Его лучше всего запечатлевать на открытых пространствах, в безоблачную погоду. Зато венцы (дифракция света) хорошо видны, когда местность заволакивает туман (радужные круги вокруг фары вашего авто - это и есть венцы), а небо затянуто пеленой облаков. В тумане из мелких капелек круги особенно красивы. Когда туман сгущается - они расплываются. Поэтому уменьшение числа радужных колец расценивается как сигнал ухудшения погоды. Какой же это огромный мир - оптические явления! Примеры, разобранные нами - лишь верхушка айсберга. Зная об этих явлениях, мы сможем научно объяснить любую атмосферную иллюзию.

Введение.

В рамках традиционных подходов до сих пор не объяснён ряд аномальных оптических феноменов в окололунном пространстве. Мы отметим пару наиболее одиозных из них – ссылки на свидетельства о которых даны ниже. Во-первых, это феномен потери цветности: предметы наблюдаются не в естественных цветах, а, практически, в оттенках серого. Во-вторых, это феномен обратного рассеяния света: под каким бы углом ни падал свет на рассеивающую поверхность, большая часть отражённого света идёт в обратном направлении – туда, откуда свет пришёл.

Мы полагаем, что причиной этих удивительных феноменов является особая организация лунного тяготения – по иному принципу, чем тяготение планет. Планетарное тяготение обусловлено, по нашей терминологии, планетарной частотной воронкой . В объёме свободного пробного тела, локальный участок частотного склона напрямую задаёт градиент собственных энергий частиц вещества, что и порождает безопорное силовое воздействие на тело. Признаки же наличия лунной частотной воронки – отсутствуют . Мы изложили модель организации лунного тяготения – через наложение, на местную область земного частотного склона, специфических вибраций «инерциального пространства» в окололунной области. Находясь в результирующем «зыбком пространстве», пробное тело имеет, в своём объёме, градиент локально-абсолютных скоростей – а, значит, через квадратично-допплеровские сдвиги квантовых уровней энергии , имеет и градиент энергий, т.е., опять же, испытывает безопорное силовое воздействие.

Вибрации «инерциального пространства» оказывают двоякое влияние на оптические явления. Во-первых, эти вибрации воздействуют на молекулы, т.е. на излучатели и поглотители света – отчего изменяются их спектры излучения и поглощения. Во-вторых, фазовая скорость света, как мы полагаем, привязана, в локально-абсолютном смысле, к местному участку «инерциального пространства» , поэтому его вибрации влияют на процесс распространения света.

В данной статье мы дадим уточнённую модель окололунного «зыбкого пространства» и поясним происхождение названных аномальных оптических феноменов.

Уточнённая модель окололунного «зыбкого пространства».

Ранняя модель окололунного «зыбкого пространства» изложена в . Уместно отметить: первые же полёты советских и американских космических аппаратов к Луне показали, что её тяготение действует лишь в небольшой окололунной области, примерно до 10000 км от поверхности Луны – и, таким образом, далеко не достаёт до Земли. Поэтому у Земли нет динамической реакции на Луну: вопреки распространённому заблуждению, Земля не обращается , в противофазе с Луной, около их общего «центра масс» – и, вопреки ещё одному распространённому заблуждению, к приливам в океанах лунное тяготение не имеет никакого отношения .

Согласно модели , в области лунного тяготения заданы, чисто программными средствами, гармонические вибрации «инерциального пространства» в направлениях вдоль местных лунныхх вертикалей. У этих радиальных вибраций, амплитудные значения скоростей и эквивалентных линейных подвижек уменьшаются по мере увеличения расстояния от центра, и на границе области лунного тяготения они становятся, практически, нулевыми. Если имитируется сферически-симметричное тяготение, подчиняющееся закону обратных квадратов, то зависимость амплитуды скорости V вибраций от длины радиус-вектора r есть

где K =4.9× 10 12 м 3 /с 2 - гравитационный параметр Луны, r max – радиус границы области лунного тяготения. Если подставить в (1) значения среднего радиуса Луны r Л =1738 км, а также r max =11738 км, то для амплитуды скорости вибраций «зыбкого пространства» на поверхности Луны мы получим V (r Л)» 3.10 км/с. Если допустить, что на поверхности Луны амплитуда эквивалентных линейных подвижек составляет d (r Л)=5 мкм, то для частоты вибраций, которую мы полагаем одинаковой во всей области лунного тяготения, мы получаем V (r Л)/2p d (r Л) » 100 МГц. Эти цифры – конечно, ориентировочные.

Ключевое уточнение модели окололунного «зыбкого пространства» связано с вопросом о фазах радиальных вибраций «инерциального фона». Ранее мы полагали , что область лунного тяготения разделена на радиальные створы, в которых фазы радиальных вибраций организованы «в шахматном порядке». Теперь же, такая организация фаз радиальных вибраций представляется нам неоправданно усложнённой и совершенно излишней. Радиальные подвижки «инерциального пространства» могут происходить синхронно во всей области лунного тяготения: «все вместе от центра – все вместе к центру». При таких, глобально синхронных вибрациях, «зыбкое пространство» будет сообщать центростремительное ускорение свободному телу не хуже, чем по модели , а программно организовать глобально синхронные вибрации – несравненно проще.

Распространение света в вибрирующем «зыбком пространстве» имеет принципиальные особенности, поскольку здесь необычны условия, в которых работает Навигатор квантовых перебросов энергии . Это – программа, которая индивидуально для каждого возбуждённого атома производит поиск атома-получателя, которому будет переброшена энергия возбуждения. Эффекты при распространении света, в том числе волновые явления, обусловлены алгоритмами расчётов, которые производит Навигатор – идентифицируя атом-получатель, на который вероятность квантового переброса энергии оказывается максимальна. Эти алгоритмы Навигатора описаны в . Сейчас для нас важно, что скорость поисковых волн, которыми Навигатор информационно сканирует пространство, равна скорости света и привязана, в локально-абсолютном смысле, к местному участку «инерциального пространства». Поэтому вибрации «инерциального пространства» сказываются на движении поисковых волн Навигатора. При ориентации этих вибраций вдоль местных лунных вертикалей, местный горизонтальный световой луч будет двигаться не по прямой, а по синусоиде – с периодом, определяемым частотой вибраций. При их частоте в 100 МГц (см. выше), период синусоиды составит около 3 м. При этом вертикальный угловой разброс направлений движения луча можно оценить через отношение амплитуды скорости вибраций к скорости света – вблизи поверхности Луны этот разброс составит примерно одну угловую секунду.

Учёт этого вертикального разброса направлений движения светового луча, идущего рядом с поверхностью Луны, легко объясняет, на наш взгляд, следующие оптические эффекты . Во-первых, это невозможность «предсказать наступления и продолжительности покрытий звёзд Луной с такой точностью, с которой предвычисляются многие другие небесные явления » . Во-вторых, это снижение качества изображения поверхности Луны вблизи краёв диска (см., например, фотографии в ). «Замывание» изображения на краях лунного диска было бы неудивительно, если бы Луна имела атмосферу – но атмосферы у неё нет. Оба названных эффекта так и не нашли разумного объяснения в рамках традиционных подходов.

Феномен потери цветности в окололунном «зыбком пространстве».

Как мы излагали ранее , процесс распространения света представляет собой цепочку квантовых перебросов энергии возбуждения с атома на атом. Последовательные звенья в этой цепочке, т.е. пары атом-отправитель и атом-получатель, устанавливаются, по определённым алгоритмам, Навигатором . Расстояние между пиками поисковых волн Навигатора – это то, что в оптике называется длиной волны «излучения» (мы взяли это слово в кавычки, потому что поисковые волны Навигатора имеют не физическую природу, а программную). В условиях обычного, не вибрирующего, пространства, длина волны полностью определяется энергией возбуждения атома, если этот атом покоится – в локально-абсолютном смысле. Если же вектор его локально-абсолютной скорости не равен нулю, то длины поисковых волн, идущих от него в разных направлениях, имеют соответствующие линейно-допплеровские сдвиги. Подчеркнём, что, при движении возбуждённого атома, линейному эффекту Допплера подвержены лишь поисковые волны – энергия же перебрасываемого кванта остаётся неизменной . Так, поисковая волна, имеющая некоторый линейно-допплеровский сдвиг, может удачно преодолеть узкополосный фильтр, и квант энергии может быть переброшен на атом, находящийся за этим фильтром, но энергия этого переброшенного кванта будет всё той же энергией возбуждения, как и в случае покоящегося возбуждённого атома – когда поисковая волна через фильтр не прошла бы.

Теперь вернёмся к случаю «зыбкого пространства». Его радиальные вибрации могут дать линейно-допплеровские сдвиги длин поисковых волн Навигатора, имеющие порядок вплоть до V (r Л)/c ~ 10 -5 . Эффекты такого порядка – с учётом того, что видимый диапазон занимает октаву – не могли бы приводить к радикальным изменениям цветов. Но заметим, что подавляющая часть цветовой палитры, в том числе и на Луне, обеспечивается веществом, образующим молекулярные соединения. Не может ли оказаться, что «зыбкое пространство» влияет на молекулярные спектры излучения-поглощения?

Как мы излагали ранее , химическая связь представляет собой процесс циклических переключений составов валентных связок «протон-электрон» у связуемых атомов, при котором каждый из двух задействованных электронов попеременно входит в состав того или другого атома. Этот циклический процесс стабилизируется перебросами кванта энергии возбуждения из одного атома в другой, и обратно. При тепловом равновесии, наиболее вероятная энергия этого кванта соответствует максимуму равновесного спектра, т.е. равна 5kT , где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. Как мы постарались показать в , т.н. колебательные и вращательные молекулярные линии соответствуют не различным энергиям связи атомов в молекуле: они соответствуют тем или иным резонансам у циклического процесса химической связи – при подходящей энергии кванта, который циклически передают друг другу связанные атомы. Типичной особенностью молекулярных спектров поглощения являются полосы сплошного спектра – полосы диссоциации. У большинства молекул нижний край первой полосы диссоциации отстоит от уровня основного состояния на 4-5 эВ , т.е. энергии квантов возбуждения, соответствующие всему видимому диапазону, приходятся на промежуток между основным состоянием и первой полосой диссоциации. В «обычных» условиях, этот промежуток более или менее плотно заполнен дискретными уровнями энергии. Малоизвестен тот факт, что соответствующие молекулярные линии, в отличие от атомных, не являются характеристическими – их положения «плавают» в зависимости от температуры и давления . Вибрации же «зыбкого пространства», на наш взгляд, должны приводить к сильному уширению молекулярных линий; поясним это.

Напомним, что, в условиях «обычного» тяготения, изменение локально-абсолютной скорости свободного тела однозначно соответствует изменению гравитационного потенциала. В окололунном «зыбком пространстве» ситуация иная: свободные тела там испытывают гармонические изменения локально-абсолютной скорости (отсчитываемой в геоцентрической системе координат), находясь, практически, в одном и том же гравитационном потенциале (земной области тяготения). Мы полагаем, что эта аномальная, с точки зрения энергетических превращений, ситуация разрешается следующим образом. Буфером для периодической компоненты кинетической энергии молекулы является энергия её возбуждения – т.е. того самого кванта, который передают друг другу связанные атомы. Тогда, для молекул из лёгких элементов с одинарными связями, амплитудному значению кинетической энергии на поверхности Луны (V (r Л)» 3 км/с) должно соответствовать амплитудное значение энергии возбуждения ~ 1 эВ на одну связь. Из-за этой периодической компоненты у энергии возбуждения, «колебательные» и «вращательные» молекулярные линии должны испытывать настолько значительные уширения, что промежуток от основного состояния до первой полосы диссоциации должен занимать сплошной спектр . Так и есть: «Лунный спектр почти лишён полос, которые могли бы дать информацию о составе Луны » .

Уточним, почему при сплошных молекулярных спектрах должен иметь место феномен потери цветности. Известно, что в сетчатке человеческого глаза имеется три типа светочувствительных клеток, ответственных за цветовосприятие – которые различаются положениями максимумов полос поглощения: в красно-оранжевой, зелёной и сине-фиолетовой областях. Цветовое ощущение определяется не энергией квантов монохроматического света – оно определяется соотношением количеств «срабатываний» клеток названных трёх типов за некоторое «время цветовой реакции». Если, в условиях «зыбкого пространства», молекулярные линии поглощения расплываются на весь видимый диапазон, то для каждого из трёх типов клеток становятся одинаковы вероятности «сработать» на квант из любой области видимого диапазона.

Отсюда немедленно следует, что все предметы на Луне должны видеться с потерей цветности – практически, в оттенках серой шкалы. Потеря цветности должна иметь место не только при живом визуальном наблюдении на Луне, но и при фотографировании там на цветную плёнку, причём – даже через светофильтры. Действительно, «цветные фильтры на борту… [«Сервейеров»] были использованы для получения цветных фотографий лунного ландшафта… Удивительно отсутствие цвета в любой части этих изображений, особенно при сравнении с разнообразием цвета типичных земных пустынных или горных пейзажей » . Может, автор что-то путает? Отнюдь, в официальном отчёте NASA по «Сервейеру-1» утверждается то же самое. Кривые пропускания трёх светофильтров были близки к стандартным – мы воспроизводим соответствующую диаграмму из на Рис.1 . Каковы же

оказались результаты? В разделе «Фотометрия и колориметрия», собственно колориметрии уделены всего три фразы. А именно: «Предварительная обработка колориметрических измерений на основе данных фотоплёнок показывает, что у материалов лунной поверхности могут присутствовать лишь незначительные цветовые различия. Отсутствие богатой цветовой гаммы у поверхностных лунных материалов - это нечто поразительное, учитывая наблюдаемые различия в альбедо. Повсеместно цвет лунной поверхности - тёмно-серый » (перевод наш). Впрочем, изумление специалистов NASA длилось недолго. Уже автор пишет: «Сервейер имел более острый и незамутнённый взор. И, впервые, он видел в цвете. Три отдельные фотографии, снятые через оранжевый, зелёный и синий фильтры, при совмещении давали вполне натуральную передачу цвета. Как и ожидали учёные, этот цвет оказался никаким иным, кроме как серым – однородным, нейтрально-серым » (перевод наш). Одну из этих сереньких фотомозаик от «Сервейера-1» мы воспроизводим на Рис.2 .

Может возникнуть подозрение, что лишь лунные материалы имеют натуральный серый цвет, а земные предметы, доставленные на Луну, выглядят там в таких же цветах, как и на Земле. Отнюдь, мы воспроизводим фрагмент ещё одной фотографии с «натуральной передачей цвета» - см. Рис.3 . Это – весьма примечательный документ. На фоне «блина» опорной «лапы» аппарата, в правой части снимка виден участок диска с секторной разметкой. Это как раз диск для калибровки цветопередачи: на Земле его четыре сектора имели белый,

Рис.3.

красный, зелёный и синий цвета. Но, вместо них, мы видим лишь оттенки серой шкалы.

Добавим, что потеря цветности имеет место даже при наблюдениях Луны из-за пределов её области тяготения. Правда, в этом случае к серым цветам подмешивается оттенок коричневого: «В телескоп Луна имеет однородный коричневато-серый оттенок и почти лишена цветовых различий » . Предпринимались попытки получить цветные фотографии Луны при фотографировании из-за пределов области её тяготения через светофильтры, с последующим совмещением изображений. По этой методике, действительно, получаются великолепные цветные картинки – но, с учётом вышеизложенного, наивно полагать, что цвета на них демонстрируют настоящую цветовую гамму Луны.

Следует уточнить, что феномен потери цветности в окололунном пространстве никоим образом не опровергается при фото- и видеосъёмках цифровой аппаратурой – которая позволяет «сделать» любые желаемые цвета «из ничего». При традиционной же фотосъёмке, т.е. при натуральной цветопередаче, феномен потери цветности в окололунном пространстве – это неоспоримый факт. Причём, если верить чиновникам NASA , отсутствие богатой цветовой гаммы на Луне специалисты даже ожидали заранее. Запомним это!

Феномен обратного рассеяния света в окололунном «зыбком пространстве».

Альбедо лунной поверхности, т.е. её способность отражать солнечный свет, невелика: она составляет, в среднем, 7% . И для этого небольшого количества отражаемого света имеет место феномен обратного рассеяния. А именно: под каким бы углом ни падал свет на рассеивающую поверхность – вплоть до почти скользящего падения! – большая часть отражённого света идёт туда, откуда свет пришёл.

Свидетельством об этом удивительном феномене для земного наблюдателя является тот хорошо известный факт, что «яркость всех областей лунного диска достигает резкого максимума в полнолуние, когда источник света находится точно позади наблюдателя » . Интегральная кривая яркости свечения Луны, как функция фазового угла, приведена на Рис.4 (, нулевая фаза соответствует полнолунию).

Рис.4

Феномен обратного рассеяния не объяснить обычным рассеянием на шероховатостях поверхности Луны. Шероховатая поверхность рассеивала бы свет по закону Ламберта, и тогда в полнолуние наблюдалось бы потемнение к краям лунного диска – что не имеет места . Яркость в полнолуние аномально увеличивается для каждой области лунного диска, «независимо от её положения на лунной сфере, наклона поверхности и морфологического типа » . Из-за отсутствия потемнения к краям, Луна в полнолуние кажется «плоской, как блин». Феномен обратного рассеяния света имеет место не только для видимой с Земли стороны Луны, но и для противоположной, о чём свидетельствуют фотографии последней, сделанные с помощью космических аппаратов. Индикатрисы обратного рассеяния света Луной приведены, например, в .

Иногда феномен обратного рассеяния путают с т.н. оппозиционным эффектом, который заключается просто в том, что «скорость увеличения яркости особенно велика при малых фазовых углах » – как это хорошо иллюстрирует Рис.4 . Оппозиционный эффект характеризует скорость изменения яркости – а не само изменение яркости – при изменении фазового угла. Оппозиционный эффект лишь подчёркивает остронаправленность действия эффекта обратного рассеяния – из-за которого, при аномально ярком лунном свете в полнолуние можно читать книгу.

Считалось, что феномен обратного рассеяния обусловлен какими-то необычными свойствами лунного грунта – и это при том, что феномен одинаково проявляется для всех областей лунного диска, хотя морфологии лунных морей и материков различаются. Предпринималось множество попыток найти минерал или материал, дающий лунный закон рассеяния. Разнообразные образцы земного и космического происхождения исследовались «в различных видах: твёрдые, распылённые, расплавленные и вновь затвердевшие, облучённые ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами и протонами… » Ни один не рассеивал свет назад так сильно, как Луна. Наконец, было обнаружено, что закон рассеяния, подобный лунному, дают мелкодисперсные структуры с чрезвычайно развитой пористостью . Но едва ли можно было ожидать, что существование подобного «пуха» поддерживается в реальных условиях поверхности Луны. Не говоря уже о частых слабых «лунотрясениях» , там играет немалую роль электростатическая эрозия и «оползание» поверхностного материала . Исследования лунного грунта – как «на местах», с помощью «Сервейеров», так и в земных лабораториях – показали, что никаких «пушистых структур» в нём нет. Грунт Луны «мелкозернистый, слабосвязный с примесью гравия и мелких камней » . Лунный «реголит легко слипается в отдельные рыхлые комки и легко формуется. Несмотря на заметную слипаемость, он обладает неустойчивой, легко нарушаемой структурой » . В довершение этих обескураживающих открытий, в земных лабораториях лунные образцы отнюдь не демонстрировали лунного закона рассеяния . Исследования феномена зашли в тупик.

Между тем, этот феномен находит простое естественное объяснение – как результат вибраций «зыбкого пространства». Вспомним, что, в «обычных» условиях, зеркальное отражение объясняется следующим образом. Участок плоского волнового фронта падает на плоскую поверхность – чьи точки, до которых дошёл этот фронт, немедленно становятся источниками вторичных сферических волн, по принципу Гюйгенса-Френеля. Огибающая вторичных сферических волновых фронтов является участком плоского фронта – который и является зеркально отражённым. Заметим, что это классическое объяснение подразумевает интерференцию вторичных волновых фронтов – а для этого необходимо, чтобы площадь когерентности была больше того участка отражающей поверхности, на который падает исходный участок фронта. Но в «зыбком пространстве», с учётом вышеизложенного, понятие «когерентность» теряет всякий смысл. Для каждого канала Навигатора, просчитывающего адрес переброса одного кванта, уже при характерном размере «площадки когерентности», меньшем длины волны, будет иметь место не набор вторичных сферических волн, исходящих из различных точек рассеивающей поверхности – вторичные сферические волны будут исходить из одной точки этой поверхности. По логике алгоритмов Навигатора, расчёты продолжаются лишь для наиболее вероятных направлений поиска атома-адресата – а таковыми являются те, на которые приходятся наложения различных пиков поисковых волн (одного и того же канала Навигатора). В рассматриваемом случае, выходящие из одной точки вторичные сферические волны смогут наложиться лишь на пики падающей волны – давая всплески вероятностей на линии, по которой идёт эта падающая волна. Таким образом, если квант света не будет поглощён поверхностью, и Навигатор будет вынужден продолжить поиск адресата для его переброса, то «отражение» от поверхности будет, с наибольшей вероятностью, обратное – независимо от угла падения.

Каковы физические следствия феномена обратного рассеяния? Если Луна отражает всего около 7% от падающего солнечного света, и если почти весь этот отражённый свет идёт в том направлении, откуда он пришёл, то наблюдатель на Луне никоим образом не увидит залитых солнечным светом пейзажей. Для наблюдателя даже на освещённой Солнцем стороне Луны царят сумерки – что демонстрируют, например, первые же фотографические панорамы, сделанные на поверхности Луны советскими аппаратами, начиная с «Луны-9» (см, например, ), а также большой архив телевизионных изображений, переданных «Луноходом-1» . Наблюдатель на Луне сможет увидеть ярко освещёнными либо те объекты, которые находятся вблизи воображаемой прямой, проведённой от Солнца через его голову, либо те, которые он подсвечивает сам, держа источник света вблизи своих глаз. Помимо сумерек, царящих даже на освещённой Солнцем стороне Луны, из-за феномена обратного рассеяния там наблюдаются совершенно чёрные тени – а не серые, как на Земле, поскольку на Луне области тени не подсвечиваются рассеянным светом ни от освещённых участков, ни от атмосферы, которой на Луне нет. Рис.5 воспроизводит одну из панорам, снятых Луноходом-1 – сразу бросается в

Рис.5

глаза характерная чернота с противосолнечной стороны – на платформе, с которой съехал Луноход-1, а также на неровностях лунной поверхности. Рис.5 хорошо передаёт типичные признаки настоящего лунного освещения.

Небольшое обсуждение.

Выше мы постарались дать объяснения феноменам потери цветности и обратного рассеяния света, имеющим место в окололунном пространстве. Возможно, кому-то удастся объяснить эти феномены лучше, чем это удалось нам, но само наличие этих феноменов является бесспорным научным фактом – что подтверждают даже первые отчёты NASA по лунной программе .

Учёт факта наличия этих феноменов предоставляет новые, убийственные аргументы в поддержку тех, кто считает подделками кино- и фотоматериалы, которые, якобы, свидетельствуют о пребывании американских астронавтов на поверхности Луны. Ведь мы даём ключи для проведения простейшей и беспощадной независимой экспертизы. Если нам демонстрируют, на фоне залитых солнечным светом (!) лунных пейзажей, астронавтов, на скафандрах которых нет чёрных теней с противосолнечной стороны, или неплохо освещённую фигуру астронавта в тени «лунного модуля», или цветные (!) кадры с колоритной передачей цветов американского флага – то это всё неопровержимые улики, кричащие о фальсификации. Фактически, нам не известно ни одного кино- или фотодокумента, изображающего астронавтов на Луне при настоящем лунном освещении и с настоящей лунной цветовой «палитрой».

Слишком аномальны физические условия на Луне – и нельзя исключить, что окололунное пространство губительно для земных организмов. На сегодня нам известна единственная модель, объясняющая короткодействие лунного тяготения, а заодно и происхождение сопутствующих аномальных оптических феноменов – это наша модель «зыбкого пространства». И если эта модель верна, то вибрации «зыбкого пространства», ниже некоторой высоты над поверхностью Луны, вполне способны разрывать слабые связи в молекулах белков – с разрушением их третичной и, возможно, вторичной структур. Насколько нам известно, из окололунного пространства живыми вернулись черепашки на борту советского аппарата «Зонд-5», который произвёл облёт Луны с минимальным удалением от её поверхности примерно в 2000 км. Возможно, что, при более близком к Луне прохождении аппарата, животные погибли бы в результате денатурации белков в их организмах. Если от космической радиации защититься весьма сложно, но всё-таки возможно – то от вибраций «зыбкого пространства» физической защиты нет.

Автор благодарит Ивана, автора сайта http://ivanik3.narod.ru , за любезную помощь в доступе к первоисточникам, а также О.Ю.Пивовара – за полезное обсуждение.

1. А.А.Гришаев. Межпланетные полёты и концепция локально-абсолютных скоростей. – Доступна на данном сайте.

2. А.А.Гришаев. «Зыбкое пространство», порождающее собственное тяготение Луны. – Доступна на данном сайте.

3. А.А.Гришаев. Эксперимент Майкельсона-Морли: детектирование локально-абсолютной скорости? – Доступна на данном сайте. П.Г.Куликовский. Справочник астронома-любителя. «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М., 1953.

9. З.Копал. Луна. Наш ближайший небесный сосед. «Изд-во иностранной литературы», М., 1963.

10. А.А.Гришаев. Новый взгляд на химическую связь и на парадоксы молекулярных спектров. – Доступна на данном сайте.

11. Т.Коттрелл. Прочность химических связей. «Изд-во иностранной литературы», М., 1956.

12. O.W.Richardson. Molecular Hydrogen and its Spectrum. 1934.

13. Р.Пирс, А.Гейдон. Отождествление молекулярных спектров. «Изд-во иностранной литературы», М., 1949.

14. Б.Хапке. Оптические свойства лунной поверхности. В: «Физика и астрономия Луны», З.Копал, ред. «Мир», М., 1973.

15. L. D. Jaffe, E. M. Shoemaker, S. E. Dwornik et al. NASA Technical Report No. 32-1023. Surveyor I Mission Report, Part II. Scientific Data and Results. Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, September 10, 1966.

16. H.E.Newell. Surveyor: Candid Camera on the Moon. Natl . Geograph . Mag., 130 (1966) 578.

17. В.Н.Жарков, В.А.Паньков и др. Введение в физику Луны. «Наука», М., 1969.

18. М.У.Сагитов. Лунная гравиметрия. «Наука», М., 1979.

19. Т.Голд. Эрозия, транспортировка поверхностного материала и природа морей. В сб.: «Луна», С.Ранкорн и Г.Юри, ред. «Мир», М., 1975.

20. И.И.Черкасов, В.В.Шварев. Грунт Луны. «Наука», М., 1975.

21. Веб-ресурс

“Оптические явления в природе”

1. Введение

а) Понятие оптики

б) Классификация оптики

в) Оптика в развитии современной физики

2. Явления, связанные с отражением света

4. Полярные сияния

Введение

Понятие оптики

Весьма наивными были первые представления древних ученых о свете. Они думали, что зрительные впечатления возникают при ощупывании предметов особыми тонкыми щупальцами, которые выходят из глаз. Оптика была наука о зрении, именно так наиболее точно можно перевести это слово.

Постепенно в средние века оптика из науки о зрении превратилась в науку о свете, способствовало этому изобретение линз и камеры-обскуры. На настоящий момент времени оптика - это раздел физики, исследующий испускание света и его распространение в различных средах, а также взаимодействие его с веществом. Вопросы, связанные со зрением, устройством и функционированием глаза, выделились в отдельное научное направление - физиологическая оптика.

Классификация оптики

Cветовые лучи – геометрические линии, вдоль которых распространяется световая энергия, при рассмотрении многих оптических явлений можно пользоваться представлением о них. В этом случае говорят о геометрической (лучевой) оптике. Широкое распространение геометрическая оптика получила в светотехнике, а также при рассмотрении действий многочисленных приборов и устройств – от лупы и очков до сложнейших оптических телескопов и микроскопов.

Интенсивные исследования открытых ранее явлений интерференции, дифракции и поляризации света развернулись в начале XIX века. Данные процессы не объяснялись в рамках геометрической оптики, поэтому необходимо было рассматривать свет в виде поперечных волн. В следствии этого появилась волновая оптика. Изначально считали, что свет - это упругие волны в некоторой среде (мировом эфире), заполняющей мировое пространство.

Но английский физик Джеймс Максвелл в 1864 году создал электромагнитную теорию света, по которой волны света – это электромагнитные волны с соответствующим диапазоном длин.

А уже в начале XX века, новые проведенные исследования показали, что для объяснения некоторых явлений, например фотоэффекта, существует необходимость представить световой пучок в виде потока своеобразных частиц – световых квантов. Исаак Ньютон имел аналогичную точку зрения на природу света еще 200 лет назад в своей “теории истечения света”. Сейчас этим занимается квантовая оптика.

Роль оптики в развитии современной физики.

В развитии современной физики немалую роль сыграла и оптика. С оптическими исследованиями связано в приципе возникновение двух наиболее важных и революционных теорий двадцатого столетия (квантовой механики и теории относительности). Оптические методы анализа вещества на молекулярном уровне породили специальное научное направление – молекулярную оптику, к ней также относится оптическая спектроскопия, применяемая в современном материаловедении, при исследованиях плазмы, в астрофизике. Также существуют электронная и нейтронная оптики.

На современном этапе развития созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало, разработаны оптические модели атомных ядер.

Оптика, влияя на развитие разных направлений современной физики, и сама сегодня находится в периоде бурного развития. Главным толчком к этому развитию послужило изобретение лазеров - интенсивных источников когерентного света. В итоге волновая оптика поднялась на более высокую ступень, ступень когерентной оптики.

Благодаря появлению лазеров появилось очень много научно-технических развивающихся направлений. Среди которых находятся такие, как нелинейная оптика, голография, радиооптика, пикосекундная оптика, адаптивная оптика и др.

Радиооптика зародилась на стыке радиотехники и оптики и занимается исследованием оптических методов передачи и обработки информации. Данные методы находятся в сочетании с традиционными электронными методами; в итоге получилось научно-техническое направление, называемое оптоэлектронникой.

Предмет волоконной оптики, представляет передача световых сигналов по диэлектрическим волокнам. Применяя достижения нелинейной оптики, можно изменять волновой фронт светового пучка, модифицирующийся при распространении света в той или иной среде, например в атмосфере или в воде. Следовательно, возникла и интенсивно развивается адоптивная оптика. К которой тесно примыкает зарождающаяся на наших глазах фотоэнергетика, занимающаяся, в частности, вопросами эффективной передачи световой энергии по лучу света. Современная лазерная техника позволяет получать световые импульсы длительностью порядка всего лишь пикосекунды. Такие импульсы оказываются уникальным “инструментом” для исследования целого ряда быстропротекающих процессов в веществе, и в частности в биологических структурах. Возникло и развивается специальное направление – пикосекундная оптика; к нему тесно примыкает фотобиология. Можно без преувеличения сказать, что широкое практическое использование достижений современной оптики – обязательное условие научно-технического прогресса. Оптика открыла человеческому разуму дорогу в микромир, она же позволила ему проникнуть в тайны звездных миров. Оптика охватывает все стороны нашей практической деятельности.

Явления, связанные с отражением света.

Предмет и его отражение

То, что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут “вверх ногами” далеко не так.

Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем “исчезнет”, если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.

Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.

Часто людям кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок и насыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить, наблюдая отражение предметов в зеркале. Здесь большую роль играет психологическое восприятие, чем физическая сторона явления. Рама зеркала, берега пруда ограничивают небольшой участок пейзажа, ограждая боковое зрение человека от избыточного рассеянного света, поступающего со всего небосвода и ослепляющего наблюдателя, то есть он смотрит на небольшой участок пейзажа как бы через темную узкую трубу. Уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает людям наблюдение неба, облаков и других яркоосвещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза.

Зависимость коэффициента отражения от угла падения света.

На границе двух прозрачных сред свет частично отражается, частично проходит в другую среду и преломляется, частично поглощается средой. Отношение отраженной энергии к падающей называют коэффициентом отражения. Отношение энергии света, прошедшего через вещество, к энергии падающего света называют коэффициентом пропускания.

Коэффициенты отражения и пропускания зависят от оптических свойств, граничащих между собой сред и угла падения света. Так, если свет падает на стеклянную пластинку перпендикулярно (угол падения α=0), то отражается всего лишь 5% световой энергии, а 95% проходит через границу раздела. При увеличении угла падения доля отраженной энергии возрастает. При угле падения α=90˚ она равна единице.

Зависимость интенсивности отраженного и проходящего через стеклянную пластинку света можно проследить, располагая пластинку под различными углами к световым лучам и оценивая интенсивность на глаз.

Интересно также оценить на глаз интенсивность света, отраженного от поверхности водоема, в зависимости от угла падения, пронаблюдать отражение солнечных лучей от окон дома при различных углах падения днем, при закате, восходе светила.

Защитные стекла

Обычные оконные стекла частично пропускают тепловые лучи. Это хорошо для использования их в северных районах, а также для парников. На юге же помещения настолько перегреваются, что работать в них тяжело. Защита от Солнца сводится либо к затемнению здания деревьями, либо к выбору благоприятной ориентации здания при перестройке. И то и другое иногда бывает затруднительным и не всегда выполнимым.

Для того чтобы стекло не пропускало тепловые лучи, его покрывают тонкими прозрачными пленками окислов металлов. Так, оловянно-сурьмяная пленка не пропускает более половины тепловых лучей, а покрытия содержащие окись железа, полностью отражают ультрафиолетовые лучи и 35-55% тепловых.

Растворы пленкообразующих солей наносят из пульверизатора на горячую поверхность стекла во время его тепловой обработки или формования. При высокой температуре соли переходят в окиси, крепко связанные с поверхностью стекла.

Подобным образом изготовляют стекла для светозащитных очков.

Полное внутреннее отражение света

Красивое зрелище представляет собой фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаются изнутри. Это можно изобразить в обычных условиях, проделав следующий опыт (рис. 1). В высокой консервной банке на высоте 5 см от дна надо просверлить круглое отверстие ( а ) диаметром 5-6 мм. Электрическую лампочку с патроном надо аккуратно обернуть целлофановой бумагой и расположить ее напротив отверстия. В банку надо налить воды. Открыв отверстие а, получим струю, которая будет освещена изнутри. В темной комнате она ярко светится и опят выглядит очень эффектно. Струе можно придать любую окраску, поместив на пути лучей света цветное стекло б . Если на пути струи подставить палец, то вода разбрызгивается и эти капельки ярко светятся.

Объяснение этого явления довольно простое. Луч света проходит вдоль струи воды и попадает на изогнутую поверхность под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение, а затем опять попадает на противоположную сторону струи под углом опять больше предельного. Так луч проходит вдоль струи изгибаясь вместе с ней.

Но если бы свет полностью отражался внутри струи, то она не была бы видна извне. Часть света рассеивается водой, пузырьками воздуха и различными примесями, имеющимися в ней, а также вследствие неровностей поверхности струи, поэтому она видна снаружи.

Цилиндрический световод

Если направить световой пучок в один торец сплошного стеклянного изогнутого цилиндра, можно заметить, что свет будет выходить из его другого торца (рис. 2); через боковую поверхность цилиндра свет почти не выходит. Прохождение света по стеклянному цилиндру объясняется тем, что, падая на внутреннюю поверхность цилиндра под углом, больше предельного, свет многократно испытывает полное отражение и достигает конца.

Чем тоньше цилиндр, тем чаще будут происходить отражения луча и тем большая часть света будет падать на внутреннюю поверхность цилиндра под углами, большими предельного.

Алмазы и самоцветы

В Кремле существует выставка алмазного фонда России.

В зале свет слегка приглушен. В витринах сверкают творения ювелиров. Здесь можно увидеть такие алмазы, как “Орлов”, “Шах”, “Мария”, “Валентина Терешкова”.

Секрет прелестной игры света в алмазах, заключается в том, что этот камень имеет высокий показатель преломления (n=2,4173) и вследствие этого малый угол полного внутреннего отражения (α=24˚30′) и обладает большей дисперсией, вызывающей разложение белого света на простые цвета.

Кроме того, игра света в алмазе зависит от правильности его огранки. Грани алмаза многократно отражают свет внутри кристалла. Вследствие большой прозрачности алмазов высокого класса свет внутри них почти не теряет своей энергии, а только разлагается на простые цвета, лучи которых затем вырываются наружу в различных, самых неожиданных направлениях. При повороте камня меняются цвета, исходящие из камня, и кажется, что сам он является источником многих ярких разноцветных лучей.

Встречаются алмазы, окрашенные в красный, голубоватый и сиреневый цвета. Сияние алмаза зависит от его огранки. Если смотреть сквозь хорошо ограненный водяно-прозрачный бриллиант на свет, то камень кажется совершенно непрозрачным, а некоторые его грани выглядят просто черными. Это происходит потому, что свет, претерпевая полное внутреннее отражение, выходит в обратном направлении или в стороны.

Если смотреть на верхнюю огранку со стороны света, она сияет многими цветами, а местами блестит. Яркое сверкание верхних граней бриллианта называют алмазным блеском. Нижняя сторона бриллианта снаружи кажется как бы посеребренной и отливает металлическим блеском.

Наиболее прозрачные и крупные алмазы служат украшением. Мелкие алмазы находят широкое применение в технике в качестве режущего или шлифующего инструмента для металлообрабатывающих станков. Алмазами армируют головки бурильного инструмента для проходки скважин в твердых породах. Такое применение алмаза возможно из-за большой отличающей его твердости. Другие драгоценные камни в большинстве случаев являются кристаллами окиси алюминия с примесью окислов окрашивающих элементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они также отличаются твердостью, прочностью и обладают красивой окраской и “игрой света”. В настоящее время умеют получать искусственным путем крупные кристаллы окиси алюминия и окрашивать их в желаемый цвет.

Явления дисперсии света объясняют многообразием красок природы. Целый комплекс оптических экспериментов с призмами в XVII веке провел английский ученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной (“неоднородный”); основными же являются различные цвета (“однородные” лучи, или “монохроматические” лучи). Разложение белого света на различные цвета происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Эти выводы, сделанные Ньютоном, согласуются с современными научными представлениями.

Наряду с дисперсией коэффициента преломления наблюдается дисперсия коэффициентов поглощения, пропускания и отражения света. Этим объясняются разнообразные эффекты при освещении тел. Например, если имеется какое-то прозрачное для света тело, у которого для красного света коэффициент пропускания велик, а коэффициент отражения мал, для зеленого же света наоборот: коэффициент пропускания мал, а коэффициент отражения велик, тогда в проходящем свете тело будет казаться красным, а в отраженном свете – зеленым. Такими свойствами обладает, например, хлорофилл – зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обуславливающее зеленый цвет. Раствор хлорофилла в спирту при рассматривании на просвет оказывается красным. В отраженном свете этот же раствор выглядит зеленым.

Если у какого-то тела коэффициент поглощения велик, а коэффициенты пропускания и отражения малы, то такое тело будет казаться черным и непрозрачным (например, сажа). Очень белое, непрозрачное тело (например, окись магния) имеет коэффициент отражения близкий к единице для всех длин волн, и очень малые коэффициенты пропускания и поглощения. Вполне прозрачное для света тело (стекло) имеет малые коэффициенты отражения и поглощения и близкий к единицы для всех длин волн коэффициент пропускания. У окрашенного стекла для некоторых длин волн коэффициенты пропускания и отражения практически равны нулю и, соответственно, значение коэффициента поглощения для этих же длин волн близко к единице.

Явления, связанные с преломлением света

Некоторые виды миражей. Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: “озерные” миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

Нижние (“озерные”) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и степях, то верхние наблюдают в северных широтах.

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 изображения, простое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает еще одно - третье изображение.

Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге “Атмосфера” описывает пример подобного миража: “Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, 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 Ватерлоо!” Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. “Летучего голландца” следует отнести именно к таким миражам.

Объяснение нижнего (“озерного”) миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности для рассматриваемого случая показано на рисунке 3, а.

В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке A находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное 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 представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой “озерный” мираж.

Простые верхние миражи. Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями; изменение n с высотой h показано на рисунке 4, а. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Показанное на рисунке прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом можно убедится, рассмотрев гипотетический случай – показатель преломления на некоторой высоте h уменьшается скачком (рис. 5). Лучи объекта, прежде чем попасть к наблюдателю А испытывают полное внутреннее отражение от границы ВС ниже которой в данном случае находится более плотный воздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переход совершается постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхний мираж даст перевернутое изображение (рис. 5).

Двойные и тройные миражи. Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области I будут искривляться быстрее, чем в области II. В результате возникают два изображения (рис. 6, 7). Световые лучи 1, распространяющиеся в пределах воздушной области I, формируют перевернутое изображение объекта. Лучи 2, распространяющиеся в основном в пределах области II, искривляются в меньшей степени и формируют прямое 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 показатель преломления снова уменьшается медленно. На рисунке представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой. На рисунке показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области I. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадаю в воздушную область II, эти лучи испытывают сильное искривление. Лучи 3 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 плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча на рисунке 8 все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных “световодов”, которые иногда создает природа.

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 дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя – на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу и противосолнечной линией составляет 41-42º(рис. 9).

В момент восхода солнца противосолнечная точка (точка М) находится на линии горизонта и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности.

Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около 52º и обратным расположением цветов.

При высоте Солнца 41º главная радуга перестает быть видимой и над горизонтом выступает лишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца более 52º не видна и побочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах в околополуденные часы это явление природы никогда не наблюдается.

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 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 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 Партнером.

Можно рассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучок параллельных солнечных лучей (рис. 10). Луч, падающий на поверхность капли в точке А, преломляется внутри нее по закону преломления:

n sin α=n sin β , где n=1, n≈1,33 –

соответственно показатели преломления воздуха и воды, α – угол падения, а β – 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 преломленного луча.

Луч АВ после отражения в точке В происходит под углом β`= β b попадает в точку С, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли под углом γ, 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 интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но наблюдать 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 первичная.

При рассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление – неодинаковое преломление волн света различной длины, то есть световых лучей разного цвета. Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления γ и угла отклонения лучей Θ в капле различны для лучей различной окраски.

Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно. Это интересное явление наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда во второй половине дня среди туч над Невой появились четыре радуги. 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 красивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.

Не следует думать, что радугу можно наблюдать только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть такую радугу можно после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна.

Некоторой 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 видимой даже спустя десять минут после заката.

Красивое зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать при восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму гиперболы.

Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное 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 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 этого занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает нескольких сотен метров, причем так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо 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:

Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга – лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

При повышении активности складки или петли расширяются до огромных 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 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-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 сияния, 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, что сказалось на усиленном торможении искусственных спутников Земли, проходящих эти зоны.

Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают магнитные бури, так называемые дополнительные неустойчивые магнитные поля. Когда атмосфера сияет, она излучает рентгеновские лучи, являющиеся, скорей всего результатом торможения электронов в атмосфере.

Частые вспышки сияния практически всегда сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния оказывают большое влияние на сильные изменения в ионосфере, влияющие в свою очередь на условия радиосвязи, т. е. радиосвязь сильно ухудшается, в результате чего возникают сильные помехи, или даже полная потеря приема.

Возникновение полярных сияний.

Земля - это огромный магнит, северный полюс которого находится вблизи южного географического полюса, а южный – вблизи северного. А силовые линии магнитного поля Земли - это геомагнитные линии, выходящие из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли. Они охватывают весь земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Считалось в течение длительного периода времени, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Но на самом деле оказалось, что так называемый “солнечный ветер”, т. е. поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетает на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км. Он оттягивает ее в сторону от Солнца, тем самым у Земли образуется своеобразный магнитный “хвост”.

Попавшие в магнитное поле Земли, электрон или протон движутся по спирали, навиваясь на геомагнитную линию. Эти частицы, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части: одна часть вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли, а другая - попадает внутрь тероида и движется внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС. В конце концов, эти протоны и электроны по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где появляется их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они обладают достаточной энергией. Поскольку протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20эв. А для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, для возбуждения же еще меньше.

По принципу того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов, возбужденные атомы газов отдают обратно полученную энергию в виде света.

Зеленое и красное свечение, по результатам спектрального исследования принадлежит возбужденным атомам кислорода, а инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400 км. Следующим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Такой протон, после захвата электрона, превращается в возбужденный атом водорода и дает излучение красным светом.

После вспышек на Солнце обычно через день-два происходят вспышки сияний. Это указывает на связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности сияний сохраняется более высокий уровень ионизации газов электронами. По мнению ученых, максимальная интенсивность полярных сияний достигается у берегов океанов и морей.

Существует ряд трудностей для научного объяснения всех явлений, связанных с полярными сияниями. То есть, неизвестен полностью механизм ускорения частиц до определенных энергий, не ясны их траектории движения в околоземном пространстве, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц.

Используемая литература:

1. “Физика в природе”, автор - Л. В. Тарасов, издательство “Просвещение”, 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. “Энциклопедический словарь юного физика”, составитель В. А. Чуянов, издательство “Педагогика”, Москва, 1984 год.
6. “Справочник школьника по физике”, составитель - , филологическое общество “Слово”, Москва, 1995 год.
7. “Физика 11”, Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, издательство “Просвещение”, Москва, 1991 год.
8. “Решение задач по физике”, В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград, 1999 год.

Издавна миражи, мерцающие фигуры в воздушной среде настораживали и ужасали людей. В наши дни ученые раскрыли многие тайны природы, в том числе и оптических явлений. Их не удивляют природные загадки, суть которых давно изучена. В средней школе сегодня проходят оптические явления на физике в 8 классе, так что понять их природу может любой ученик.

Основные понятия

Ученые древности считали, что человеческий глаз видит благодаря ощупыванию предметов тончайшими щупальцами. Оптика в то время была учением о зрении.

В средневековье оптика изучала свет и его суть.

Сегодня оптика - это часть физики, изучающая распространение света по разнообразным средам и его взаимодействие с другими веществами. Все вопросы, касающиеся зрения, изучает физиологическая оптика.

Оптические явления же - это проявления разноплановых действий, совершаемых лучами света. Их изучает атмосферная оптика.

Необычные процессы в атмосфере

Планету Земля окружает газовая оболочка, называемая атмосферой. Ее толщина составляет сотни километров. Ближе к Земле атмосфера более плотная, по направлению вверх разрежается. Физические свойства атмосферной оболочки постоянно меняются, слои смешиваются. Изменяют температурные показатели. Плотность, степень прозрачности сдвигаются.

От Солнца и прочих небесных светил по направлению к Земле идут световые лучи. Они проходят через атмосферу Земли, которая для них служит специфической оптической системой, меняющей свои характеристики. отражаются, рассеиваются, проходят через атмосферу, освещают землю. При определенных условиях путь лучей изгибается, поэтому возникают разнообразные феномены. Наиболее оригинальными оптическими явлениями физики считают:

• закат солнечного светила;
• появление радуги;
• северное сияние;
• мираж;
• гало.

Рассмотрим их подробнее.

Гало вокруг Солнца

Само слово «гало» по-гречески означает «круг». Какое оптическое явление лежит в его основе?

Гало - это процесс светопреломления и отражения лучей, возникающий в облачных кристаллах высоко в атмосфере. Выглядит явление как светящиеся лучи около Солнца, ограниченные темным интервалом. Обычно гало образуются перед циклонами и могут быть их предвестниками.

Водные капли замерзают в воздухе и принимают правильную призменную форму с шестью сторонами. Все знакомы с сосульками, появляющимися в нижних атмосферных слоях. Наверху такие ледяные иголочки свободно опускаются в вертикальном направлении. Кристаллические льдинки кружатся, спускаются на землю, при этом они имеют параллельное расположение по отношению к земле. Человек направляет зрение через кристаллы, которые выступают в роли линз и преломляют свет.

Другие призмы получаются плоскими или выглядят как звезды с шестью лучами. Лучи света, попадая на кристаллы, могут не подвергнуться преломлению или испытать ряд других процессов. Редко случается, чтобы все процессы были хорошо видны, обычно та или иная часть явления проявляется отчетливее, а другие представлены слабо.

Малое гало - это окружность вокруг солнца с радиусом примерно в 22 градуса. Цвет круга - красноватый изнутри, далее перетекает в желтый, белый и смешивается с голубым небом. Внутренняя область круга темная. Он образуется в результате светопреломления в иглах изо льда, летающих в воздухе. Лучи в призмах отклоняются под углом 22 градуса, поэтому те из них, которые прошли через кристаллы, наблюдателю показываются отклоненными на 22 градуса. Поэтому представляется темным.

Красный цвет преломляется меньше, показывается наименее отклоненным от солнца. Далее следует желтый. Прочие лучи перемешиваются и предстают взгляду белыми.

Бывает гало с углом в 46 градусов, оно располагается вокруг гало в 22 градуса. Его внутренняя область также красноватая, потому что свет претерпевает преломление в ледяных иголках, повернутых к солнцу на 90 градусов.

Известно и 90-градусное гало, оно слабо светится, почти не имеет цвета или окрашено красным с внешней стороны. Ученые данную разновидность пока не изучили в полной мере.

Гало вокруг Луны и прочие виды

Это оптическое явление часто видно, если на небе легкие облака и множество миниатюрных кристаллических льдинок. Каждый такой кристалл является своеобразной призмой. В основном их форма - вытянутые шестигранники. Свет входит в переднюю кристаллическую область и, выходя в противоположную часть, преломляется на 22 градуса.

В зимнее время около уличных фонарей в холодном воздухе можно разглядеть гало. Оно появляется из-за света фонаря.

Вокруг Солнца гало может сформироваться и в морозном заснеженном воздухе. Снежинки витают в воздухе, свет проходит сквозь облака. В вечернем закате этот свет становится красным. В прошлые века суеверные люди приходили в ужас от подобных явлений.

Гало может выглядеть как круг радужного цвета вокруг Солнца. Оно появляется, если в атмосфере много кристаллов с шестью гранями, но они не отражают, а преломляют лучи солнца. Большая часть лучей при этом рассеивается, не добираясь до нашего взгляда. Остальные лучи достигают человеческих глаз, и мы замечаем радужную окружность вокруг Солнца. Его радиус - примерно 22 градуса или 46 градусов.

Ложное Солнце

Ученые отметили, что окружность гало всегда более яркая по боковым сторонам. Это объясняется тем, что здесь встречаются вертикальное и горизонтальное гало. В местах их пересечения могут появиться ложные солнца. Особенно часто это бывает, когда Солнце находится недалеко от горизонта, в это время часть вертикального круга мы уже не видим.

Ложное солнце - это тоже оптическое явление, разновидность гало. Появляется оно из-за ледяных кристаллов с шестью гранями, имеющих форму, напоминающую гвозди. Такие кристаллы витают в атмосфере в вертикальном направлении, свет преломляется в их боковых гранях.

Может образоваться и третье «солнце», если над истинным солнцем виднеется только поверхностная часть круга гало. Оно может быть отрезком дуги или светящимся пятном непонятной формы. Порой ложные солнца настолько яркие, что их не отличишь от настоящего Солнца.

Радуга

Это виде неполного круга с разными цветами.

Религии древности считали от неба к земле. Аристотель полагал, что радуга появляется из-за отражения капель солнечного света. Какое оптическое явление еще способно так радовать человека, как это делает радуга?

В XVII веке Декарт изучил природу радуги. Позднее Ньютон проводил эксперименты со светом и дополнил теорию Декарта, но не смог понять формирования нескольких радуг, отсутствия в них отдельных цветовых оттенков.

Полная теория радуги был представлена в XIX веке астрономом из Англии Д. Эри. Именно ему удалось раскрыть все процессы радуги. Разработанная им теория принимается и в наши дни.

Радуга появляется тогда, когда свет солнца попадает на завесу дождевой воды в области неба, обратной от Солнца. Центр радуги размещается в точке с обратной стороны Солнца, то есть она не видна глазу человека. Дуга радуги - это часть круга вокруг этой центральной точки.

Цвета в радуге размещаются в определенном порядке. Он постоянен. Красный - по верхнему краю, фиолетовый - по нижнему. Между ними цвета идут в строгой расстановке. В радуге имеются не все существующие цвета. Преобладание зеленого цвета говорит о переходе к благоприятной погоде.

Полярное сияние

Это свечение в верхних магнитных слоях атмосферы из-за взаимовлияния атомов и элементов солнечного ветра. Обычно сияния обладают зеленым или синим оттенками с вкраплениями розового и красного. Они могут иметь форму ленты или пятна. Их всплески часто сопровождают шумные звуки.

Мираж

Простые миражные обманы знакомы любому человеку. Например, при езде по нагретому асфальту мираж представляется как Это ни у кого не вызывает удивления. Какое оптическое явление объясняет появление миражей? Остановимся на этом вопросе поподробнее.

Мираж - это оптическое физическое явление в атмосфере, в результате которого глаз видит предметы, скрытые от взгляда в обычных условиях. Это объясняется преломлением светового луча при протекании сквозь воздушные слои. Объекты, находящиеся на значительном удалении, при этом могут подняться или опуститься относительно своего истинного местоположения, а могут искажаться и приобретать причудливые очертания.

Брокенский призрак

Это явление, при котором на закате или восходе солнечного светила тень человека, находящегося на возвышении, приобретает непостижимые масштабы, поскольку попадает на облака, находящиеся поблизости. Это объясняется отражением и преломлением световых лучей водными каплями в туманных условиях. Феномен назвали по имени одной из высот германских гор Гарц.

Огни святого Эльма

Это светящиеся кисти голубой или фиолетовой окраски на мачтах морских суден. Огни могут появляться на горных возвышенностях, на зданиях внушительной высоты. Это явление возникает благодаря электроразрядам на концах проводников из-за того, что возрастает электрическая напряжённость.

Таковы рассматриваемые на уроках 8 класса оптические явления. Поговорим об устройствах оптики.

Конструкции в оптике

Оптическими приборами считаются устройства, преобразующие световое излучение. Обычно эти приборы работают в видимом свете.

Все оптические устройства можно подразделить на два вида:

1. Приборы, в которых изображение получается на экране. Это фотоаппараты, киноаппараты, проекционные аппараты.
2. Устройства, взаимодействующие с глазом человека, но не образующие изображений на экране. Это лупа, микроскоп, телескопы. Эти приборы считаются визуальными.

Фотоаппарат - это оптико-механическое устройство, применяемое для получения изображений предмета на фотопленке. Конструкция фотоаппарата включает в себя камеру и линзы, образующие объектив. Объектив создает перевернутое уменьшенное изображение объекта, фиксируемое на пленке. Это происходит благодаря действию света.

Изображение сначала невидимо, но, благодаря проявляющему раствору, становится видимым. Это изображение называют негативом, в нем светлые места выглядят темными, и наоборот. С негатива делают позитив на светочувствительной бумаге. С помощью фотоувеличителя изображение увеличивают.

Лупа - это линза или система линз, предназначенная для увеличения предметов в процессе их рассматривания. Лупу располагают рядом с глазом, подбирают расстояние, с которого предмет видится четко. Применение лупы основано на увеличении угла зрения, под которым рассматривается предмет.

Чтобы получить большее угловое увеличение, используют микроскоп. В этом устройстве увеличение предметов происходит благодаря оптической системе, состоящей из объектива и окуляра. Сначала угол зрения увеличивается объективом, далее - окуляром.

Итак, мы рассмотрели основные оптические явления и приборы, их разновидности и особенности.