Курсовая работа: Оптические атмосферные явления
Наша планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем атмосферой. Обладая наибольшей плотностью у земной поверхности и постепенно разрежаясь с поднятием вверх, она достигает толщины более сотни километров. И это не застывшая газовая среда с однородными физическими данными. Наоборот, атмосфера земли находится в постоянном движении. Под воздействием различных факторов, её слои перемешиваются, меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются на большие расстояния с различной скоростью.
Для лучей света, идущих от солнца или других небесных светил, земная атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оказываясь на их пути, она и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные явления. Наиболее необычные красочные из них это солнечный закат, радуга, северное сияние, мираж, солнечное и лунное гало.
Солнечный закат
Самым простым и доступным для наблюдения атмосферным явлением является закат нашего небесного светила – Солнца. Необычайно красочный, он никогда не повторяется. А картина неба и изменение её в процессе заката столь ярка, что вызывает восхищение у каждого человека.
Приближаясь к горизонту, Солнце не только теряет яркость, но и начинает постепенно менять свой цвет - в его спектре во все возрастающей степени подавляется коротковолновая часть (красные цвета). Одновременно начинает окрашиваться и небо. В окрестности Солнца оно приобретает желтоватые и оранжевые тона, а над противосолнечной частью горизонта появляется бледная полоса со слабо выраженной гаммой цветов.
К моменту захода Солнца, уже принявшего темно-красный цвет, вдоль солнечного горизонта вытягивается яркая полоса зари, окраска которой изменяется снизу вверх от оранжево-желтой до зеленовато голубой. Над ней раскидывается округлое яркое почти неокрашенное сияние. В то же время у противоположного горизонта начинает медленно подниматься синевато-серый тусклый сегмент тени Земли, окаймленный розовым поясом ( "Пояс Венеры").
По мере того как Солнце опускается глубже под горизонт, возникает быстро расплывающееся розовое пятно - так называемый "пурпурный свет" , достигающий наибольшего развития при глубине Солнца под горизонтом около 4-5o . Облака и вершины гор заливают алые и пурпурные тона, а если облака или высокие горы находятся за горизонтом, то их тени протягиваются около солнечной стороны неба и становятся насыщеннее. У самого горизонта небо густо краснеет, а по ярко окрашенному небу от горизонта к горизонту тянутся светлые лучи в виде отчетливых радиальных полос ( "Лучи Будды"). Тем временем тень Земли быстро надвигается на небо, ее очертания становятся расплывчатыми, а розовое окаймление еле заметным.
Постепенно пурпурный свет затухает, облака темнеют, их силуэты отчетливо выступают на фоне блекнущего неба и только у горизонта, там где скрылось Солнце, сохраняется яркий разноцветный сегмент зари. Но и он постепенно сокращается и бледнеет и к началу астрономических сумерек превращается в зеленовато-белесую узкую полосу. Наконец, исчезает и она - наступает ночь.
Описанную картину следует рассматривать лишь как типичную для ясной погоды. В действительности характер течения заката подвержен широким вариациям. При повышенной замутненности воздуха цвета зари обычно бывают блеклыми, особенно у горизонта, где вместо красных и оранжевых тонов иногда появляется только слабая бурая окраска. Нередко одновременные заревые явления развиваются по-разному в различных участках неба. Каждый закат обладает неповторимой индивидуальностью, и это следует рассматривать как одну из наиболее характерных их черт.
Крайняя индивидуальность течения заката и многообразие сопровождающих его оптических явлений зависит от различных оптических характеристик атмосферы - в первую очередь ее коэффициентов ослабления и рассеяния, которые по-разному проявляется в зависимости от зенитного расстояния Солнца, направления наблюдения и высоты наблюдателя.
Радуга
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.
 |
| Рисунок из работы Р. Декарта, поясняющий наблюдение радуги |
Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя – на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу и противосолнечной линией составляет 41º - 42º
В момент восхода солнца противосолнечная точка 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.
Основная радуга образуется за счёт отражения света в каплях воды. А побочная радуга образуется в результате двукратного отражения света внутри каждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чем те, которые дают основную радугу, и цвета в побочной радуге располагаются в обратной последовательности.
Ход лучей в капле воды: а - при одном отражении, б - при двух отражениях
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.
Образование радуги
Можно рассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучок параллельных солнечных лучей. Луч, падающий на поверхность капли в точке А, преломляется внутри нее по закону преломления: n sin α = n sin β , гдеn =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 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 в капле различны для лучей различной окраски.
Радуга возникает вследствие дисперсии солнечных лучей в капельках воды. В каждой капельке луч испытывает многократное внутреннее отражение, но при каждом отражении часть энергии выходит наружу. Поэтому чем больше внутренних отражений испытают лучи в капле, тем слабее радуга. Наблюдать радугу можно, если Солнце находится позади наблюдателя. Поэтому самая яркая, первичная радуга формируется из лучей, испытавших одно внутреннее отражение. Они пересекают падающие лучи под углом около 42°. Геометрическим местом точек, расположенных под углом 42° к падающему лучу, является конус, воспринимаемый глазом в его вершине как окружность. При освещении белым светом будет получаться цветная полоса, причем красная дуга всегда выше фиолетовой.
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. 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.
Некоторое 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.