Аномальные оптические феномены, порождаемые окололунным «зыбким пространством. Оптические явления: примеры в природе и интересные факты

Многим людям нравятся забавные картинки, обманывающие их визуальное восприятие. Но знаете ли вы, что природа также умеет создавать оптические иллюзии? Причём, выглядят они на порядок более внушительно, чем сделанные человеком. К ним можно отнести десятки природных явлений и формаций, как редких, так и достаточно распространённых. Северное сияние, гало, зелёный луч, линзовидные облака - лишь малая часть из них. К вашему вниманию - 25 потрясающих оптических иллюзий, созданных природой.
Огненный водопад «Лошадиный хвост»

Каждый год в феврале потоки воды окрашиваются в огненно-оранжевый цвет

Этот красивый и в то же время пугающий водопад расположен в центральной части Национального Парка Йосемити. Он носит название Horsetail Fall (в переводе - «лошадиный хвост»). Каждый год на протяжении 4-5 февральских дней туристы могут увидеть редчайшее явление - лучи закатного солнца отражаются в ниспадающих потоках воды. В эти моменты водопад окрашивается в огненно-оранжевый цвет. Кажется, что с верха горы стекает раскалённая лава, но это всего лишь оптический обман.

Водопад «Лошадиный хвост» состоит из двух ниспадающих потоков, его общая высота достигает 650 метров.

Ложное Солнце

Настоящее Солнце и два ложных

Если Солнце находится на малой высоте над горизонтом, а в атмосфере присутствуют микроскопические кристаллы льда, наблюдатели могут заметить несколько светлых радужных пятнышек справа и слева от Солнца. Эти причудливые гало преданно следуют за нашим светилом по небосводу, в какую бы сторону оно не направлялось.

В принципе, это атмосферное явление считается довольно распространённым, но заметить эффект трудно.

Это интересно: В редких случаях, когда солнечный свет проходит сквозь перистые облака под необходимым углом, эти два пятна становятся настолько же яркими, как и само Солнце.

Эффект лучше всего наблюдать ранним утром или поздним вечером в полярных районах.
Фата-моргана

Фата-моргана — редчайшая оптическая иллюзия

Фата-морганой называют сложное оптическое атмосферное явление. Наблюдается оно крайне редко. По сути, фата-моргана «состоит» из нескольких форм миражей, благодаря которым отдалённые объекты искажаются и «раздваиваются» для наблюдателя.

Известно, что фата-моргана возникает тогда, когда в нижнем слое атмосферы образуются (как правило, из-за разницы температур) несколько количество чередующихся слоёв воздуха, имеющих различную плотность. В определённых условиях они дают зеркальные отражения.

Вследствие отражения и преломления лучей света, реально существующие объекты могут создавать на горизонте или даже над ним сразу несколько искажённых изображений, которые частично накладываются друг на друга и стремительно меняются со временем, тем самым создавая поразительную картину фата-морганы.
Световой столб

Световой столб, исходящий от опускающегося за горизонт Солнца

Свидетелями световых (или солнечных) столбов мы становимся достаточно часто. Так называется распространённый вид гало. Этот оптический эффект выглядит, как вертикальная полоса света, которая тянется от солнца при закате или восходе. Световой столб можно наблюдать, когда свет в атмосфере отражается от поверхности мельчайших кристаллов льда, имеющих форму ледяных пластин или миниатюрных стержней с 6-угольным сечением. Кристаллы подобной формы образуются чаще всего в высоких перисто-слоистых облаках. Но если температура воздуха достаточно низкая, они могут появляться и в менее высоких слоях атмосферы. Думаем, не стоит объяснять, почему световые столбы чаще всего наблюдаются в зимний период.
Брокенский призрак

При соблюдении определённых условий тень может выглядеть, как привидение

Когда на улице стоит густой туман, вы можете наблюдать интересное оптическое явление - так называемый брокенский призрак. Для этого необходимо просто повернуться спиной к основному источнику света. Наблюдатель сможет увидеть собственную тень, лежащую на тумане (или облаке, если вы находитесь в горной местности).

Это интересно: Если источник света, а также объект, на который отбрасывается тень, статичны, она будет повторять любое движение человека. Но совершенно по-другому тень будет отображаться на движущейся «поверхности» (к примеру, на тумане). В таких условиях она может колебаться, создавая иллюзию, что тёмный туманный силуэт перемещается. Создаётся впечатление, что это не тень, принадлежащая наблюдателю, а самый настоящий призрак.

Атлантическая дорога в Норвегии

Вероятно, в мире нет более живописных автотрасс, чем Атлантическая дорога, расположенная в норвежском округе Мёре-ог-Ромсдал.

Уникальное шоссе пролегает через северное побережье Атлантического океана и включает в себя целых 12 мостов, соединяющих дорожным покрытием отдельные острова.

Самое удивительное место Атлантической дороги - мост Storseisundet Bridge. С определённого ракурса может показаться, что он не достроен, а все проезжающие автомобили, поднимаясь наверх, приближаются к обрыву, а потом обрушиваются вниз.

Общая протяжённость этого моста, открытого в 1989 году, составляет 8.3 километра.

В 2005 году Атлантическая дорога была названа «Строением века в Норвегии». А журналисты британского издания The Guardian присудили ей звание лучшей туристической трассы этой северной страны.
Лунная иллюзия

Кажется, что Луна, расположенная над горизонтом, имеет большие размеры

Когда полная Луна склоняется низко над горизонтом, она визуально имеет намного больший размер, чем когда находится высоко в небе. Это явление серьёзно озадачивает тысячи пытливых умов, пытающихся найти ему какое-то разумное объяснение. Но на самом деле это - обычная иллюзия.

Самый незамысловатый способ подтвердить иллюзорность данного эффекта — подержать в вытянутой руке маленький округлый объект (к примеру, монету). Сравнивая размеры этого объекта с «огромной» Луной у горизонта и «крошечной» Луной в небе, вы удивитесь, ведь поймёте, что её относительный размер не претерпевает никаких изменений. Можно также свернуть лист бумаги в форме трубы и смотреть через образованное отверстие исключительно на Луну, без любых окружающих её объектов. Опять же, иллюзия исчезнет.

Это интересно: Большинство учёных, объясняя Лунную иллюзию, ссылаются на теорию «относительного размера». Известно, что визуальное восприятие размеров видимого человеком объекта определяется габаритами других предметов, наблюдаемых им в то же время. Когда Луна находится низко над горизонтом, в поле зрения человека попадают иные объекты (дома, деревья и т. д.). На их фоне наше ночное светило кажется большим, чем в действительности.

Тени облаков

Тени облаков выглядят, как небольшие островки

В солнечный день с большой высоты очень интересно наблюдать за тенями, отбрасываемыми облаками на поверхности нашей планеты. Они напоминают небольшие постоянно перемещающиеся острова в океане. К сожалению, наземным наблюдателям оценить всё великолепие этой картины не удастся.
Мотылёк атлас

Мотылёк атлас

Огромная моль атлас встречается в тропических лесах на Юге Азии. Именно это насекомое является рекордсменов по площади поверхности крыльев (400 квадратных сантиметров). В Индии эту моль разводят для получения шёлковых нитей. Исполинское насекомое производит коричневый шёлк, внешне напоминающий шерсть.

Из-за больших размеров мотыльки атлас отвратительно летают, передвигаясь в воздухе медленно и неуклюже. Зато уникальная расцветка их крыльев помогает маскироваться в естественной среде обитания. Благодаря ей атлас буквально сливается с деревьями.
Роса на паутине

Роса на паутине

По утрам или после дождя на паутинках можно увидеть крошечные капельки воды, напоминающие ожерелье. Если паутина очень тонкая - у наблюдателя может создаться иллюзия, что капли буквально парят в воздухе. А в холодное время года паутина может быть покрыта инеем либо замёрзшей росой, такая картина выглядит не менее впечатляюще.
Зелёный луч

Зелёный луч

Кратковременную вспышку зелёного света, наблюдаемую за мгновение до появления солнечного диска из-за горизонта (чаще всего, на море) или в момент, когда солнце скрывается за ним, называют зелёным лучом.

Стать свидетелем этого удивительного явления можно при соблюдении трёх условий: горизонт должен быть открытым (степь, тундра, море, горная местность), воздух - чистым, а область захода или восхода Солнца - свободной от облаков.

Как правило, зелёный луч виден не более 2-3 секунд. Чтобы значительно увеличить временной интервал его наблюдения в момент захода Солнца, нужно сразу после появления зелёного луча начать быстро взбегать по земляной насыпи или подниматься по лестнице. Если Солнце восходит - двигаться нужно в противоположном направлении, то есть, вниз.

Это интересно: В ходе одного из полётов над Южным полюсом известный американский лётчик Ричард Бэрд видел зелёный луч на протяжении целых 35 минут! Уникальный случай произошёл в конце полярной ночи, тогда верхний край солнечного диска впервые показался из-за горизонта и медленно передвигался вдоль него. Известно, что на полюсах солнечный диск перемещается практически горизонтально: скорость его вертикального подъёма очень мала.

Физики объясняют эффект зелёного луча рефракцией (то есть, преломлением) солнечных лучей при прохождении через атмосферу. Интересно, что в момент захода или восхода Солнца мы должны были бы раньше всего увидеть синие или фиолетовые лучи. Но длина их волн настолько мала, что при проходе через атмосферу они практически полностью рассеиваются и не доходят до земного наблюдателя.
Околозенитная дуга

Околозенитная дуга

По сути, околозенитная дуга выглядит, как радуга, перевёрнутая вверх ногами. Некоторым людям она даже напоминает огромный разноцветный смайлик на небе. Это явление образуется благодаря преломлению солнечных лучей, проходящих через парящие в облаках кристаллики льда определённой формы. Дуга сосредотачивается в зените параллельно горизонту. Верхний цвет этой радуги - синий, нижний - красный.
Гало

Гало вокруг Луны

Гало - один из самых известных оптических феноменов, наблюдая за которым, человек может видеть светящееся кольцо вокруг мощного источника света.

Днём гало появляется вокруг Солнца, ночью - вокруг Луны или других источников, к примеру, уличных фонарей. Существует огромное количество разновидностей гало (одной из них является упоминавшаяся выше иллюзия ложного Солнца). Практически все гало вызваны преломлением света при прохождении через ледяные кристаллы, сосредотачивающиеся в перистых облаках (находящихся в верхних слоях тропосферы). Вид гало определяется формой и расположением этих миниатюрных кристалликов.
Розовый отблеск Солнца

Розовый отблеск Солнца

Розовый отблеск видел, наверное, каждый житель нашей планете. Это интересное явление наблюдается в момент, когда Солнце заходит за горизонт. Тогда горы или другие вертикальные объекты (например, многоэтажные дома) на небольшое время окрашиваются в нежно-розовый оттенок.
Сумеречные лучи

Сумеречные лучи

Сумеречными лучами учёные называют распространённое оптическое явление, выглядящее как чередование множества светлых и тёмных полос на небосводе. При этом все эти полосы расходятся из текущего места нахождения Солнца.

Сумеречные лучи - одно из проявлений игры света и тени. Мы уверены, что воздух совершенно прозрачный, а лучи света, которые проходят сквозь него, невидимы. Но в случае наличия в атмосфере мельчайших капелек воды или частиц пыли солнечный свет рассеивается. В воздухе образуется белесая дымка. Она практически незаметна в ясную погоду. Но в условиях облачности частицы пыли или воды, находящиеся в тени туч, освещаются слабее. Поэтому затенённые области воспринимаются наблюдателями, как тёмные полосы. Чередующиеся с ними хорошо освещённые области, наоборот, кажутся нам яркими световыми полосами.

Похожий эффект наблюдается, когда солнечные лучи, пробиваясь сквозь щели в тёмную комнату, образуют яркие световые дорожки, освещая парящие в воздухе частицы пыли.

Это интересно: Сумеречные лучи называют в разных странах по-разному. Немцы используют выражение «Солнце пьёт воду», голландцы - «Солнце стоит на ножках», а британцы именуют сумеречные лучи «лестницей Иакова» либо «лестницей ангелов».

Противосумеречные лучи

Противосумеречные лучи исходят из точки на горизонте, противоположной заходящему Солнцу

Эти лучи наблюдаются в момент заката Солнца на восточной стороне небосвода. Они, как и сумеречные лучи, расходятся веером, единственное отличие между ними - расположение относительно небесного светила.

Может показаться, что противосумеречные лучи сходятся в какой-то точке за горизонтом, но это только иллюзия. В действительности, лучи Солнца распространяются строго по прямым линиям, но при проекции этих линий на сферическую атмосферу Земли образуются дуги. То есть иллюзия их веерообразного расхождения обуславливается перспективой.
Северное сияние

Северное сияние в ночном небе

Солнце очень нестабильно. Иногда на его поверхности случаются мощные взрывы, после которых в сторону Земли на огромной скорости направляются мельчайшие частицы солнечного вещества (солнечный ветер). Чтобы достичь Земли, им требуется около 30 часов.

Магнитное поле нашей планеты отклоняет эти частицы к полюсам, вследствие чего там начинаются обширные магнитные бури. Протонные и электроны, проникающие в ионосферу из космического пространства, взаимодействуют с ней. Разрежённые слои атмосферы начинают светиться. Всё небо окрашивается разноцветными динамично движущимися узорами: дугами, причудливыми линиями, коронами и пятнами.

Это интересно: Наблюдать за северным сиянием можно в высоких широтах каждого полушария (поэтому будет правильнее называть данное явление «полярным сиянием»). География мест, в которых люди могут лицезреть это впечатляющее природное явление, значительно расширяется лишь в периоды высокой активности Солнца. Удивительно, но полярные сияния бывают и на других планетах нашей Солнечной системы.

Формы и цвета красочного свечения ночного неба быстро меняются. Интересно, что полярные сияния происходят исключительно в интервалах высот от 80 до 100 и от 400 до 1000 километров над уровнем земли.
Крушинница

Крушинница — бабочка с невероятно реалистичным природным камуфляжем

В начале апреля, когда устанавливается стабильно тёплая и солнечная погода, можно заметить красивое светлое пятнышко, порхающее от одного весеннего цветка к другому. Это - бабочка, называемая крушинницей или лимонницей.

Размах крыльев крушинницы составляет порядка 6 сантиметров, длина крыльев - от 2,7 до 3,3 сантиметров. Интересно, что расцветка самцов и самок отличается. Мужские особи имеют яркие зеленовато-лимонные крылышки, а женские - более светлые, практически белые.

Крушинница обладает удивительно реалистичным природным камуфляжем. Её очень трудно отличить от листьев растений.

Магнитный холм

Кажется, что автомобили под действием неизвестной силы катятся вверх по склону

В Канаде есть холм, на котором происходят экстраординарные вещи. Припарковав автомобиль возле его подножия и включив нейтральную передачу, вы увидите, что машина начинает катиться (без какой-либо помощи) вверх, то есть в сторону подъёма. Многие люди объясняют удивительное явление воздействием невероятно мощного магнитного, заставляющего машины катиться вверх на холм и развивать скорость до 40 километров в час.

К сожалению, ни магнетизма, ни волшебства здесь нет. Всё дело в обычной оптической иллюзии. Благодаря особенностям рельефа небольшой уклон (примерно в 2,5 градуса) воспринимается наблюдателем, как подъём наверх.

Основной фактор создания подобной иллюзии, наблюдаемой и во многих других местах земного шара, - нулевая или минимальная видимость горизонта. Если человек не видит его, то судить о наклонности поверхности становится достаточно трудно. Даже объекты, в большинстве случаев расположенные перпендикулярно земле (к примеру, деревья), могут склоняться в любую сторону, вводя наблюдателя в ещё большее заблуждение.
Соляные пустыни

Создаётся впечатление, будто все эти люди парят в небесах

Соляные пустыни встречаются во всех уголках Земли. У людей, находящихся посреди них, искажается восприятие пространства по причине отсутствия любых ориентиров.

На фотографии вы можете увидеть высохшее соляное озеро, расположенное в южной части равнины Альтиплано (Боливии) и носящее название солончак Уюни. Это место находится на высоте в 3,7 километра над уровнем моря, а его общая площадь превышает 10,5 тысяч квадратных километров. Уюни - самый крупный солончак на нашей планете.

Самые распространённые минералы, встречающиеся здесь - галит и гипс. А толщина слоя поваренной соли на поверхности солончака местами достигает 8 метров. Общие запасы соли оцениваются в 10 миллиардов тонн. На территории Уюни есть несколько отелей, построенных из соляных блоков. Мебель и другие предметы интерьера также сделаны из неё. А на стенах номеров висят объявления: администрация вежливо просит гостей ничего не облизывать. Кстати, переночевать в таких гостиницах можно всего лишь за 20 долларов.

Это интересно: В сезон дождей Уюни покрывается тонким слоем воды, благодаря чему превращается в крупнейшую на Земле зеркальную поверхность. Посреди бесконечного зеркального пространства у наблюдателей создаётся впечатление, что они парят в небесах или вообще находятся на другой планете.

Волна

Песчаные дюны превратились в камень

Волна — образованная естественным путём галерея из песка и скальных пород, располагающаяся на границе американских штатов Юта и Аризона. Поблизости находятся популярные в США национальные парки, поэтому Волна ежегодно привлекает сотни тысяч туристов.

Учёные уверяют, что эти уникальные скалистые образования формировались не один миллион лет: песчаные дюны под воздействием условий окружающей среды постепенно затвердевали. А ветер и дожди, длительное время воздействовавшие на эти образования, отшлифовали их формы и придали им столь необычный вид.
Голова индейца Апаче

Трудно поверить, что это скалистое образование сформировалось без вмешательства человека

Это естественное горное образование во Франции ярко иллюстрирует нашу способность узнавать знакомые формы, например, человеческие лица, в окружающих объектах. Учёные недавно выяснили, что у нас даже имеется специальный участок мозга, отвечающий за распознавание лиц. Интересно, что визуальное восприятие человека устроено так, что любые объекты, схожие по очертаниям с лицами, замечаются нами ‎быстрее, чем остальные визуальные раздражители.

В мире существуют сотни природных образований, эксплуатирующих данную способность человека. Но согласитесь: горный массив в форме головы индейца Апаче - наверняка, самое поразительное из них. Кстати, туристы, которым выпала возможность лицезреть эту необычную скалистую формацию, расположенную во французских Альпах, не могут поверить, что она сформировалась без вмешательства человека.‎
Страж Пустоши

Индеец в традиционном головном уборе и с наушниками в ушах — где ещё такое увидишь?

Страж Пустоши (другое название - «Голова Индейца») - уникальная геоформация, находящееся вблизи от канадского города Мэдисен Хэт (юго-восточная часть провинции Альберта). При взгляде на неё с большой высоты становится очевидно, что рельеф местности формирует очертания головы местного аборигена в традиционном индейском головном уборе, пристально смотрящего куда-то на запад. Причём этот индеец ещё и слушает современные наушники.

На самом деле, то, что напоминает провод от наушников, является тропой, ведущей к нефтяной вышке, а вкладыш - это непосредственно сама скважина. Высота «головы индейца» - 255 метров, ширина - 225 метров. Для сравнения: высота знаменитого барельефа в горе Рашмор, на котором высечены лица четырёх американских президентов, составляет лишь 18 метров.

Страж Пустоши образовался природным путём в ходе выветривания и эрозии мягкой почвы, богатой глиной. По оценкам учёных, возраст этой геоформации не превышает 800 лет.
Линзовидные (лентикулярные) облака

Линзовидные облака похожи на огромные НЛО

Уникальная особенность линзовидных облаков заключается в том, что каким бы сильным не был ветер, они остаются неподвижными. Потоки воздуха, проносящиеся над земной поверхностью, обтекают препятствия, благодаря этому образуются воздушные волны. На их краях и образуются лентикулярные облака. В их нижней части происходит непрерывный процесс конденсации водяного пара, поднимающегося с поверхности земли. Поэтому линзовидные облака не изменяют своего положения. Они просто зависают в небе на одном месте.

Лентикулярные облака чаще всего формируются на подветренной стороне горных хребтов или над отдельными вершинами на высоте от 2 до 15 километров. В большинстве случаев их появление сигнализирует о приближающемся атмосферном фронте.

Это интересно: Из-за необычной формы и абсолютной неподвижности люди часто принимают линзовидные облака за НЛО.

Облака с грозовым валом

Такое зрелище внушает страх, согласитесь!

Нагоняющие ужас облака с грозовым валом наблюдаются на равнинных территориях довольно часто. Они опускаются очень низко над землёй. Возникает ощущение, что если подняться на крышу здания, можно дотянуться до них рукой. А иногда может казаться, что такие тучи вообще соприкасаются с поверхностью земли.

Грозовой вал (другое название - шкваловый ворот) визуально похож на смерч. К счастью, в сравнении с этим природным явлением, он не настолько опасен. Грозовой вал - это просто низкая, горизонтально ориентированная область грозового облака. Образуется она в его передней части при быстром движении. А ровную и гладкую форму шкваловый ворот приобретает в условиях активного восходящего движения воздуха. Такие облака, как правило, формируются в тёплый период года (с середины весны до середины осени). Интересно, что период жизни грозовых валов очень короткий - от 30 минут до 3 часов.

Согласитесь, многие из перечисленных выше явлений кажутся поистине волшебными, даже несмотря на то, что их механизмы можно легко объяснить с научной точки зрения. Природа без малейшего участия человека создаёт удивительные оптические иллюзии, поражающие воображение даже много чего повидавших на своём веку исследователей. Как тут не восхититься её величием и могуществом?

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: отражение, ослабление, полное внутреннее отражение, радуга, мираж.

Российский Государственный Аграрный Университет Московская Сельскохозяйственная Академия имени К.А. Тимирязева

Тема: Оптические явления в природе

Выполнила

Бахтина Татьяна Игоревна

Преподаватель:

Момджи Сергей Георгиевич

Москва, 2014

1. Виды оптических явлений

3. Полное внутреннее отражение

Заключение

1. Виды оптических явлений

Оптическое явление каждого видимого события является результатом взаимодействия света и материальных сред физической и биологической. Зелёный луч света является примером оптического явления.

Общие оптические явления часто происходят из-за взаимодействия света от солнца или луны с атмосферой, облаками, водой, пылью и другими частицами. Некоторые из них как зеленый луч света настолько редкое явление, что его иногда считают мифическим.

Оптические явления включают те, вытекающие из оптических свойств атмосферы, остальной природы (другие явления); из объектов, будь то природного или человеческого характера (оптические эффекты), где наши глаза имеют энтоптический характер явлений.

Есть много явлений, которые возникают в результате либо квантовой или волновой природой света. Некоторые из них довольно тонкие и наблюдаемое только при помощи точных измерения с помощью научных приборов.

В своей работе я хочу рассмотреть и рассказать об оптических явлениях, связанных с зеркалами (отражение, ослабление) и с атмосферными явлениями (мираж, радуга, полярные сияния), с которыми мы часто и много сталкиваемся в повседневной жизни.

2. Зеркальные оптические явления

Свет мой, зеркальце, скажи…

Если брать простое и точное определение, то Зеркало -- гладкая поверхность, предназначенная для отражения света (или другого излучения). Наиболее известный пример -- плоское зеркало.

Современную историю зеркал отсчитывают с XIII века, а точнее -- с 1240 года, когда в Европе научились выдувать сосуды из стекла. Изобретение настоящего стеклянного зеркала следует отнести к 1279 году, когда францисканец Джон Пекам описал способ покрывать стекло тонким слоем олова.

Кроме зеркал, изобретенных и созданных человеком, список отражающих поверхностей велик и обширен: гладь водоема, иногда - лед, иногда - отшлифованный металл, просто стекло, если взглянуть на него под определенным углом, но, тем не менее, именно рукотворное зеркало можно назвать практически идеальной отражающей поверхностью.

Принцип хода лучей, отражённых от зеркала прост, если применять законы геометрической оптики, не учитывая волновую природу света. Луч света падает на зеркальную поверхность (рассматриваем полностью непрозрачное зеркало) под углом альфа к нормали (перпендикуляру), проведённой к точке падения луча на зеркало. Угол луча отражённого будет равен тому же значению - альфа. Луч, падающий на зеркало под прямым углом к плоскости зеркала, отразится сам в себя.

Для простейшего -- плоского -- зеркала изображение будет расположено за зеркалом симметрично предмету относительно плоскости зеркала, оно будет мнимым, прямым и такого же размера, как сам предмет.

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 также 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 ярко освещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза.

3. Полное внутреннее отражение света

Красивое зрелище представляет собой фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаются изнутри. Это можно изобразить в обычных условиях, проделав следующий опыт. В высокой консервной банке на высоте 5 см от дна надо просверлить круглое отверстие 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, 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. 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.

Я приведу здесь физическое объяснение этому явлению. Пусть абсолютный показатель преломления первой среды больше, чем абсолютный показатель преломления второй среды n1 > n2, то есть первая среда оптически более плотная. Здесь абсолютные показатели сред соответственно равны:

Тогда, если направить луч света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то по мере увеличения угла падения преломленный луч будет приближаться к границе раздела двух сред, затем пойдет по границе раздела, а при дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч исчезнет, т.е. падающий луч будет полностью отражаться границей раздела двух сред.

Предельный угол (альфа нулевое)- это угол падения, которому соответствует угол преломления 90 градусов. Для воды предельный угол составляет 49 градусов. Для стекла - 42 градуса. Проявления в природе: - пузырьки воздуха на подводных растениях кажутся зеркальными - капли росы вспыхивают разноцветными огнями - «игра» бриллиантов в лучах света - поверхность воды в стакане при рассматривании снизу через стенку стакана будет блестеть.

4. Атмосферные оптические явления

Мираж -- оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко различными по плотности слоями воздуха. Для наблюдателя такое отражение заключается в том, что вместе с отдалённым объектом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещённое относительно.

То есть мираж - не что иное, как игра световых лучей. Дело в том, что в пустыне земля прогревается очень сильно. Но при этом температура воздуха над землей на различных от нее расстояниях очень колеблется. Например, температура слоя воздуха на десять сантиметровом над уровнем земли на 30-50 градусов меньше, чем температура поверхности.

Все законы физики гласят: свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Однако, при таких экстремальных условиях, закон не действует. А что же происходит? Лучи при таких разностях температур начинают преломляться, а у самой земли вообще начинают отражаться, при этом создавая иллюзии, которые мы привыкли называть миражами. То есть воздух у самой поверхности становится зеркалом.

Хотя миражи принято ассоциировать с пустынями, их очень часто можно наблюдать над водной поверхностью, в горах, а иногда даже в крупных городах. Другими словами, везде, где возникает резкие изменения температур, можно наблюдать эти сказочные картинки.

Это явление довольно частое. Например, в самой большой пустыне нашей планеты ежегодно наблюдается около 160 тысяч миражей.

Очень интересно, что хотя миражи считают детьми пустынь, бесспорным лидером по их возникновению уже давным-давно признали Аляску. Чем холоднее, тем четче и красивее наблюдаемый мираж.

Как бы ни было часто данное явление, изучать его очень сложно. Почему? Да все очень просто. Никто не знает где и когда он появится, каков он будет и сколько проживет.

После того, как появилось множество всевозможных записей о миражах, естественно, их пришлось классифицировать. Оказалось, что, несмотря на все их многообразие, удалось выделить всего шесть видов миражей: нижние (озерные), верхние (возникают в небе), боковые, «Фата-Моргана», миражи-призраки и миражи-оборотни.

Более сложный вид миража называется Фата-Моргана. Объяснений ему пока не найдено.

Нижний (озерный) мираж.

Это самые распространенные миражи. Свое название они получили из-за мест своего возникновения. Они наблюдаются на поверхности земли и воды.

Верхние миражи (миражи дальнего видения).

Этот вид миражей по происхождению так же прост, как и предыдущий вид. Однако такие миражи намного многообразнее и красивее. Они появляются в воздухе. Самые захватывающие из них знаменитые города-призраки. Очень интересно, что они обычно представляют собой изображения объектов - городов, гор, островов - которые находятся за много тысяч километров.

Боковые миражи

Они возникают возле вертикальных поверхностей, которые сильно прогреваются солнцем. Это могут быть скалистые берега моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней еще холодные. Этот вид миражей - очень частое явление Женевского озера.

Фата-Моргана

Фата-Моргана - самый сложный вид миражей. Оно представляет собой совокупность сразу нескольких форм миражей. При этом предметы, которые изображает мираж, многократно увеличиваются и довольно сильно искажаются. Интересно, что свое название этот вид миражей получил от Морганы - сестры знаменитого Артура. Она, якобы, обиделась на Ланцелота за то, что он отверг её. Назло ему она поселилась в подводном мире и стала мстить всем мужчинам, обманывая их призрачными видениями

К фата-морганам можно отнести и многочисленных «летучих голландцев», которых до сих пор видят мореплаватели. Они обычно показывают корабли, которые находятся за сотни и даже тысячи километров от наблюдателей.

Пожалуй, о разновидностях миражей больше сказать нечего.

Хотелось бы добавить, что хотя это чрезвычайно красивое и таинственное зрелище, оно так же очень опасно. Миражи убиваю и доводят до сумасшествия своих жертв. Особенно это касается пустынных миражей. И объяснение этого явления не облегчает участь путников.

Однако, люди пытаются с этим бороться. Создают специальные путеводители, на которых указаны места наиболее частого появления миражей, а иногда и их форм.

Кстати, миражи получают в лабораторных условиях.

Например, простой опыт, опубликованный в книге В.В. Майра "Полное отражение света в простых опытах" (Москва, 1986 г.), здесь дано подробное описание получения моделей миража в самых различных средах. Проще всего наблюдать мираж в воде (рис. 2). Закрепите на дне сосуда с белым дном темную, лучше черную, жестяную банку из-под кофе. Глядя сверху вниз, почти вертикально, вдоль ее стенки, быстро налейте в банку горячей воды. Поверхность банки сразу же станет блестящей. Почему? Дело в том, что показатель преломления воды возрастает с температурой. У горячей поверхности банки температура воды много выше, чем в отдалении. Вот и происходит искривление луча света так же, как при миражах в пустыне или на раскаленном асфальте. Банка кажется нам блестящей из-за полного отражения света.

Каждый оформитель желает знать, где скачать фотошоп.

Атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре, но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков.

Центр окружности, описываемой радугой, лежит на прямой, проходящей через наблюдателя и Солнце, притом при наблюдении радуги (в отличие от гало) Солнце всегда находится за спиной наблюдателя, и одновременно видеть Солнце и радугу без использования оптических приспособлений невозможно. Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга, часть окружности, и чем выше точка наблюдения -- тем она полнее (с горы или самолёта можно увидеть и полную окружность). Когда Солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, радуга с поверхности Земли не видна.

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее всего отклоняется красный свет -- на 137°30", а сильнее всего фиолетовый -- на 139°20"). В результате белый свет разлагается в спектр (происходит дисперсия света). Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).

Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40-42°.

Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, которая образована светом, отражённым в каплях два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов -- снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50-53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра.

Появление радуги третьего порядка в естественных условиях случается чрезвычайно редко. Считается, что за последние 250 лет было только пять научных сообщений о наблюдении данного феномена. Тем более удивительным представляется появление в 2011 г. сообщения о том, что удалось не только наблюдать радугу четвёртого порядка, но и зарегистрировать её на фотографии. В лабораторных условиях удаётся получать радуги гораздо более высоких порядков. Так, в статье, опубликованной в 1998 г., утверждалось, что авторам, используя лазерное излучение, удалось получить радугу двухсотого порядка.

Свет первичной радуги поляризован на 96% вдоль направления дуги. Свет вторичной радуги поляризован на 90%.

В яркую лунную ночь можно наблюдать и радугу от Луны. Поскольку рецепторы человеческого глаза, работающие при слабом освещении, -- «палочки» -- не воспринимают цвета, лунная радуга выглядит белесой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы -- «колбочки»).

При определённых обстоятельствах можно увидеть двойную, перевёрнутую или даже кольцевую радугу. На самом деле это явления другого процесса -- преломления света в кристаллах льда, рассеянного в атмосфере, и относятся к гало. Для появления в небе перевернутой радуги (околозенитной дуги, зенитной дуги -- одного из видов гало) необходимы специфические погодные условия, характерные для Северного и Южного полюсов. Перевернутая радуга образуется за счет преломления света, проходящего через льдинки тонкой завесы облаков на высоте 7 -- 8 тысяч метров. Цвета в такой радуге располагаются тоже наоборот: фиолетовый вверху, а красный -- внизу.

Полярное сияние

Полярное сияние (северное сияние) -- свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.

В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера -- линии излучения водорода в ультрафиолете.

Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с увеличением высоты в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200--400 км, а совместное свечение азота и кислорода -- на высоте ~110 км. Кроме того, эти факторы обусловливают и форму полярных сияний -- размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.

Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли -- авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10--16°, на ночной -- 20--23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67--70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах -- на 20--25° южнее или севернее границ их обычного проявления. Например, на острове Стюарт, лежащем лишь на 47° параллели, сияния происходят регулярно. Маори даже назвали его «Пылающие ».

В спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы -- азота и кислорода, при этом наблюдаются их линии излучения как в атомарном, так и молекулярном (нейтральные молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота.

Свечение кислорода обусловлено излучением возбужденных атомов в метастабильных состояниях с длинами волн 557.7 нм (зелёная линия, время жизни 0.74 сек.) и дублетом 630 и 636.4 нм (красная область, время жизни 110 сек). Вследствие этого красный дублет излучается на высотах 150--400 км, где вследствие высокой разреженности атмосферы низка скорость гашения возбужденных состояний при столкновениях. Ионизированные молекулы азота излучают при 391.4 нм (ближний ультрафиолет) 427.8 нм (фиолетовый) и 522.8 нм (зелёный). Однако, каждое явление обладает своей неповторимой гаммой, в силу не постоянства химического состава атмосферы и погодных факторов.

Спектр полярных сияний меняется с высотой и зависимости от преобладающих в спектре полярного сияния линий излучения полярные сияния делятся на два типа: высотные полярные сияния типа A с преобладанием атомарных линий и полярные сияния типа B на относительно небольших высотах (80-90 км) с преобладанием молекулярных линий в спектре вследствие гашения от столкновения атомарных возбужденных состояний в сравнительно плотной атмосфере на этих высотах.

Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии. Так, за одно из зарегистрированных в 2007 году возмущений выделилось 5·1014 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.

При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

Считалось, что полярные сияния в северном и южном полушарии являются симметричными. Однако одновременное наблюдение полярного сияния в мае 2001 из космоса со стороны северного и южного полюсов показало, что северное и южное сияние существенно отличаются друг от друга.

оптический свет квантовый радуга

Заключение

Естественные оптические явления очень красивы и разнообразны. В древние времена, когда люди не понимали их природу, они придавали им мистическое, магическое и религиозное значения, боялись и страшились их. Но теперь, когда каждое из явлений мы способны даже произвести собственными руками в лабораторных (а иногда и вполне кустарных) условиях, ушел первобытный ужас, и мы можем с удовольствием замечать в повседневной жизни мелькнувшую в небе радугу, уезжать на север полюбоваться полярным сиянием и с любопытством отмечать мелькнувший в пустыне таинственный мираж. А зеркала стали ещё более значимой частью нашей повседневной жизни - как в быту (например, дома, в автомобилях, в видеокамерах), так и в различных научных приборах: спектрофотометрах, спектрометрах, телескопах, лазерах, медицинском оборудовании.

Подобные документы

Что такое оптика? Ее виды и роль в развитии современной физики. Явления, связанные с отражением света. Зависимость коэффициента отражения от угла падения света. Защитные стёкла. Явления, связанные с преломлением света. Радуга, мираж, полярные сияния.

реферат , добавлен 01.06.2010


Виды оптики. Земная атмосфера, как оптическая система. Солнечный закат. Цветовое изменение неба. Образование радуги, разнообразие радуг. Полярные сияния. Солнечный ветер, как причина возникновения полярных сияний. Мираж. Загадки оптических явлений.

курсовая работа , добавлен 17.01.2007


Воззрения древних мыслителей о природе света на простейших наблюдениях явлений природы. Элементы призмы и оптические материалы. Демонстрация влияния показателей преломления света материала призмы и окружающей среды на явление преломления света в призме.

курсовая работа , добавлен 26.04.2011


Исследование корпускулярной и волновой теорий света. Изучение условий максимумов и минимумов интерференционной картины. Сложение двух монохроматических волн. Длина световой волны и цвет воспринимаемого глазом света. Локализация интерференционных полос.

реферат , добавлен 20.05.2015


Явления, связанные с преломлением, дисперсией и интерференцией света. Миражи дальнего видения. Дифракционная теория радуги. Образование гало. Эффект "бриллиантовая пыль". Явление "Брокенское видение". Наблюдение на небе паргелии, венцы, полярное сияние.

презентация , добавлен 14.01.2014


Дифракция механических волн. Связь явлений интерференции света на примере опыта Юнга. Принцип Гюйгенса-Френеля, который является основным постулатом волновой теории, позволившим объяснить дифракционные явления. Границы применимости геометрической оптики.

презентация , добавлен 18.11.2014


Теория явления. Дифракция – совокупность явлений при распространении света в среде с резкими неоднородностями. Нахождение и исследование функции распределения интенсивности света при дифракции от круглого отверстия. Математическая модель дифракции.

курсовая работа , добавлен 28.09.2007


Основные законы оптических явлений. Законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света, независимости световых пучков. Физические принципы применения лазеров. Физические явления и принципы квантового генератора когерентного света.

презентация , добавлен 18.04.2014


Особенности физики света и волновых явлений. Анализ некоторых наблюдений человека за свойствами света. Сущность законов геометрической оптики (прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления света), основные светотехнические величины.

курсовая работа , добавлен 13.10.2012


Исследование дифракции, явлений отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Характеристика огибания световыми волнами границ непрозрачных тел и проникновения света в область геометрической тени.

МОУ «Средняя общеобразовательная школа №3»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

на тему: «ОПТИКА. ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРИРОДЕ»

по физике

Ученик 8 б класса Кендик Михаил Александрович

Руководитель: Базалей Наталия Дмитриевна

г. Воскресенск 2014

Содержание

где n - абсолютный показатель преломления данного вещества.

Этот результат принципиально отличался от результата корпускулярной теории, согласно которой свет в более плотной среде должен распространяться быстрее, чем в вакууме. Однако в XVII-XVIII вв. проверить это соотношение экспериментально не удавалось. Лишь в 1850 г. Ж. Фуко поставил опыты по сравнению скорости света в воздухе и воде и доказал, что в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Это было серьезным аргументом в пользу волновой теории.

4 .Исследования явлений интерференции и дифракции света, которые весьма просто объясняются на основе волновых представлений, проведенные Т. Юнгом и особенно О. Френелем (1818-1821), привели к окончательному утверждению волновой природы света. Вместе с тем возникла новая трудность - проблема эфира, т. е. той упругой среды, в которой, как предполагалось, распространяются световые волны. Теория упругого эфира приводила к ряду неразрешимых противоречий, в частности она не согласовывалась с тем экспериментальным фактом, что свет - чисто поперечная волна, не содержащая продольной составляющей (это обнаружилось в явлении поляризации света,). Между тем упругая волна должна обязательно иметь продольную составляющую.

Не удавалось также объяснить, почему планеты и другие небесные тела, двигаясь в упругом эфире, не испытывают сил сопротивления. Именно эти соображения и вызывали у Ньютона критическое отношение к волновой теории, основанной на идее упругого эфира.

5 . Эту трудность теоретически удалось разрешить Дж. К. Максвеллу, который в 1863-1864 гг. пришел к выводу, что свет - это электромагнитные волны в диапазоне примерно от 780 до 400 нм, а Г. Герц доказал это экспериментально. При этом Максвелл исходил из двух твердо установленных фактов: во-первых, скорость света в вакууме совпадает со скоростью электромагнитных волн, во-вторых, световые волны, как и электромагнитные, строго поперечные.

Трудами Максвелла был заложен фундамент современных представлений о природе света, а само учение о свете - оптика - оказалось разделом электромагнетизма. За сто с лишним лет, прошедших со дня открытия Максвелла, на основе электромагнитных представлений были объяснены все известные в оптике волновые явления.

6 . В начале XX в. было обнаружено, что свет обладает квантовыми свойствами; он состоит из отдельных порций - квантов, или фотонов, причем в некоторых отношениях фотоны ведут себя как частицы. Однако это не есть возврат к старой корпускулярной теории - фотоны не являются обычными механическими частицами, они обладают двойственными корпускулярно-волновыми свойствами, характеризующими их квантовую природу. Открытие квантовых свойств света нисколько не препятствует применению электромагнитной волновой теории для объяснения ряда оптических явлений.

Превращения света

Сделаем простой и эффектный оптический опыт. Положим на дно пустого стеклянного стакана металлическое кольцо или монету и поставим стакан так, чтобы его край мешал нам видеть их сверху. Начнем наливать в стакан воду. Мы с удивлением обнаружим, что кольцо или монета начнут появляться из-за края стакана. Трудно удержаться, чтобы не посмотреть на стакан сбоку: нет, кольцо или монета по-прежнему спокойно лежат на дне, а ведь нам казалось, что они всплывают. Всплывают, повинуясь таинственному оптическому закону преломления света. Только что рассказанный опыт впервые описал великий геометр Евклид в III веке до нашей эры.

Размышляли об искажении пути световых лучей при переходе из воздуха в воду, из воды в стекло (и наоборот) и другие крупные ученые древности - Аристотель, Птолемей, Клеомед. Они первыми начали изучать отражение и преломление лучей на границе двух оптических сред. Птолемей даже измерил, как отклоняется световой луч от первоначального пути при переходе из воздуха в воду, с помощью опущенного в воду диска с делениями и подвижными линейками, вращающимися вокруг центра диска. По данным Птолемея, если падающий луч отклоняется в воздухе от вертикали на 50 градусов, то угол между вертикалью к поверхности раздела двух сред и преломленным лучом в воде составляет 35 градусов. Измерения, сделанные в наше время, через 18 веков после исследований Птолемея, дали для преломленного луча цифру 34 градуса и 3 минуты. Неплохой точности измерений достигли древнегреческие ученые!

Еще до нашей эры был установлен закон отражения от зеркальной поверхности: угол падения равен углу отражения (оба угла отсчитываются от вертикали к поверхности). Этому закону подчиняются любые зеркала: металлические и стеклянные, плоские, выпуклые и вогнутые. С помощью этого закона, впервые сформулированного в труде Евклида «Катоптрика» (от греческого слова «катоптрон» - зеркало), ученые научились рассчитывать форму и размер изображений в зеркалах, определять фокус вогнутых зеркал - жаркую точку, где сходятся отраженные таким зеркалом солнечные лучи.

Древнегреческие исследователи природы доказали, что при переходе из менее плотной среды (воздуха) в более плотную (стекло, воду) световой луч отклоняется от вертикали к поверхности раздела двух сред на меньший угол, чем луч падающий. Они понимали, что уловленную ими закономерность можно выразить в виде четко сформулированного простого закона, но сделать это удалось лишь в первой половине XVII века Виллебро- ду, Снеллиусу и Рене Декарту.

Падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости для всех углов падения. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная и равная показателю преломления одной среды по отношению к другой. Например, относительно воздуха вода имеет показатель преломления - 1,33, а кварцевое стекло - 1,52.

Прошло еще полвека, и ученые открыли, что явление преломления света связано с изменением скорости света при переходе из одной среды в другую.

Показатель преломления больше единицы означает, что луч света, попадая в более плотную среду, немного замедляет свой стремительный бег.

Почему уменьшение скорости приводит к изменению направления лучей?

На первый взгляд это не кажется очевидным, и на помощь полезно призвать образное сравнение. Например, с автомобилем, прямолинейный путь которого, как свидетельствует печальный опыт некоторых водителей, заметно искажается при резком торможении на скользкой дороге... Или часто приводимая аналогия с отрядом солдат, идущих по ровной гладкой дороге, после которой (под большим углом к дороге) внезапно начинается рыхлое поле. Солдаты, вступившие на поле, естественно, замедляют ход, и те, кто еще идет по ровной дороге, начинают их догонять. Затем и они вступят на поле, скорость всех снова сравняется, но идти вся колонна будет уже немного отклонившись от первоначального направления. Как говорил в своей речи при получении Нобелевской премии в 1933 году известный физик Э. Шредингер, описывая движение светового луча в среде с переменной плотностью с помощью того же примера с отрядом солдат: «...и поворот фронта осуществится сам собой».

Преломление лучей на границе двух прозрачных сред полностью обратимо: когда луч переходит из более плотной среды, например воды, льда, стекла, в менее плотную, в воздух, то он сильнее отклонится от вертикали, чем первоначальный луч.

Вы догадываетесь, что здесь скрывается одна очень интересная техническая возможность, которую только во второй половине XX века научились по-настоящему использовать. Если луч из стекла в воздух направлять под все большим углом к вертикали, то можно наконец добиться такого положения, что преломленный луч сначала заскользит вдоль поверхности раздела, а затем и вовсе останется в стекле, начнет отражаться обратно. То же самое произойдет при переходе луча из стекла с высоким показателем преломления в стекло с низким показателем преломления.

Явление полного отражения лучей от границы двух прозрачных сред сначала воспринималось просто как забавный оптический парадокс. Ведь мы привыкли к тому, что сильно отражать свет могут только хорошо отполированные металлы и блестящие пленки, например, алюминия или серебра. И вдруг, соединив два прозрачных стекла, получаем поверхность, которая не на 89%, как алюминий, и не на 94%, как серебро, а на все 100% отражает солнечные лучи! С этим оптическим явлением можно познакомиться не только в физической лаборатории. Для этого достаточно... нырнуть в морскую или речную воду (лучше в летний солнечный день), открыть под водой глаза и посмотреть из воды наверх - на зыбкую, волнующуюся водную поверхность. Мы увидим серебристые блики, которые на некотором расстоянии от нас сольются в переливающийся блестящий слой, будто к поверхности воды над нами кто-то прислонил серебряное зеркало.

Древнеримский ученый Плиний в своей «Естественной истории», написанной девятнадцать веков тому назад, рассказывает, что ловцы жемчуга, которым мешали серебристые блики, набирали перед погружением в рот оливковое масло и на дне выпускали его изо рта. Пленка масла растекалась по поверхности моря, яркость бликов резко уменьшалась, и ныряльщики гораздо лучше видели все, что лежит на дне моря. Сейчас мы можем объяснить эту интуитивную техническую находку с научной точки зрения: показатель преломления оливкового масла больше показателя преломления воды, а при переходе лучей из менее плотной среды в более плотную полного отражения света не происходит даже при очень больших углах падения света. Обычное же отражение от границы вода - воздух или вода - оливковое масло совсем невелико, не больше 3 - 4%.

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. Отражают свет любые поверхности, не только гладкие. Именно благодаря этому мы видим все тела. Поверхности, которые отражают большую часть светового потока, выглядят светлыми или белыми. Поверхности, которые поглощают большую часть света, выглядят тёмными или черными. Если пучок параллельных световых лучей падает на шершавую поверхность (даже если шероховатости микроскопически малы, как на поверхности листка бумаги) свет отражается в различных направлениях, то есть отраженные лучи не будут параллельными, поскольку углы падения лучей на неровности поверхности разные. Такое отражение света называют рассеянным или диффузным. Закон отражения выполняется и в этом случае, но на каждом маленьком участке поверхности. Из-за диффузного отражения во всех направлениях обычный предмет можно наблюдать под разными углами. Стоит сдвинуть голову в сторону, как из каждой точки предмета в глаз будет попадать другой пучок отраженных лучей. Но если узкий пучок света падает на зеркало, то вы увидите его только в том случае, если глаз занимает положение, для которого выполняется отражения. Этим и объясняются необычные свойства зеркал. (Используя аналогичные аргументы, Галилей показал, что поверхность Луны должна быть шероховатой, а не зеркально гладкой, как полагали некоторые.)

Все несветящиеся тела, освещаемые каким-нибудь источником, становятся видимыми только благодаря рассеиваемому ими свету. Хорошо отшлифованную поверхность стекла, поверхность спокойной воды трудно увидеть потому, что такие поверхности рассеивают очень мало света. Мы видим в них чёткие изображения окружающих освещенных предметов. Однако стоит только поверхности зеркала покрыться пылью, а поверхности воды зарябить, как они становятся хорошо видимыми.

Солнечный «зайчик»

Известно, что в солнечный день при помощи зеркала можно получить световой «зайчик» на стене, на полу или потолке.

Объясняется это тем, что пучок света, падая на зеркало, отражается от него, то есть изменяет направление. Световой «зайчик» - это след отражённого пучка света на каком-либо экране. Опыт показывает, что свет всегда отражается от границы, разделяющей две среды разной оптической плотности.

Сверкание алмазов и самоцветов

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 и вызывает разложение белого света на простые цвета. Это явление называется дисперсией.

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.

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.

Появление «призрака» на сцене театра

На передней части сцены ставится огромное плоское зеркало. Актёр, облачённый в костюм привидения, находится в углублении под сценой. При сильном освещении актёра отражённый свет будет падать на зеркало и почти целиком отражаться в зрительный зал. Зрители в слабо освещённом зале зеркала не видят, а замечают только отражение актёра, принимая его за призрак.

Цвет неба и зорь.

Изменение спектрального состава света, отраженного или рассеянного поверхностью тел, связано с наличием избирательного поглощения и отражения.

В природе играет большую роль еще одно явление, ведущее к изменению спектрального состава солнечного света. Свет, доходящий до наблюдателя от участков безоблачного небесного свода, далеких от Солнца, характеризуется довольно насыщенным голубым или даже синим оттенком. Несомненно, что свет неба есть солнечный свет, рассеиваемый в толще воздушной атмосферы и поэтому доходящий до наблюдателя со всех сторон, даже по направлениям, далеким от направления на Солнце. Рисунок поясняет происхождение рассеянного света неба.

Теоретическое исследование и опыты показали, что такое рассеяние происходит благодаря молекулярному строению воздуха; даже вполне свободный от пыли воздух рассеивает солнечный свет.

Происхождение цвета неба (свет Солнца, рассеянный атмосферой). До поверхности Земли (например, точки А) доходит как прямой свет Солнца, так и свет, рассеянный в толще атмосферы. Цвет этого рассеянного света и называется цветом неба.

Спектр рассеянного воздухом света заметно отличается от спектра прямого солнечного света: в солнечном свете максимум энергии приходится на желто- зеленую часть спектра, а в свете неба максимум передвинут к голубой части. Причина лежит в том, что короткие световые волны рассеиваются значительно сильнее длинных. По расчетам английского физика Джона Стретта лорда Рэлея (1842-1919), подтвержденным измерениями, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, если рассеивающие частицы малы по сравнению с длиной волны света, следовательно, фиолетовые лучи рассеиваются почти в 9 раз сильнее красных. Поэтому желтоватый свет Солнца при рассеянии превращается в голубой цвет неба.Так обстоит дело при рассеянии в чистом воздухе (в горах, над океаном). Наличие в воздухе сравнительно крупных частичек пыли (в городах) добавляет к рассеянному голубому свету свет, отраженный частичками пыли, т. е. почти неизмененный свет Солнца. Благодаря этой примеси цвет неба становится в этих условиях более белесоватым.

Преимущественное рассеяние коротких волн приводит к тому, что доходящий до Земли прямой свет Солнца оказывается более желтым, чем при наблюдении с большой высоты. На пути через толщу воздуха свет Солнца частично рассеивается в стороны, причем сильнее рассеиваются короткие волны, так что достигший Земли свет становится относительно богаче излучением длинноволновой части спектра. Это явление особенно резко сказывается при восходе и закате Солнца (или Луны), когда прямой свет проходит значительно большую толщу воздуха). Благодаря этому Солнце и Луна на восходе (или закате) имеют медножелтый, иногда даже красноватый оттенок. В тех случаях,

Объяснение красного цвета Луны и Солнца на восходе и закате: «Si - светило в зените - короткий путь в атмосфере (АВ)\ S2 - светило на горизонте - длинный путь в атмосфере (СВ)

когда в воздухе имеются очень мелкие (значительно меньшие длины волны) частички пыли или капельки влаги (туман), рассеяние, вызываемое ими, также идет по закону,

Белый

Рассеяние света мутной жидкостью: падающий свет - белый, рассеянный свет - синеватый, проходящий свет - красноватый

близкому к закону Рэлея, т. е. по преимуществу рассеиваются короткие волны. В этих случаях восходящее и заходящее Солнце может быть совершенно красным. В красный же цвет окрашиваются и плавающие в атмосфере облака. Таково происхождение прекрасных розовых и красных оттенков утренней и вечерней зорь.

Можно наблюдать описанное изменение цвета при рассеянии, если пропустить пучок света от фонаря через сосуд, наполненный мутной жидкостью, т. е. жидкостью, содержащей мелкие взвешенные частицы (например, водой с несколькими каплями молока). Свет, идущий в стороны (рассеянный), заметно синее, чем прямой свет фонаря. Если толща мутной жидкости довольно значительна, то свет, прошедший сквозь сосуд, теряет при рассеянии столь значительную часть коротковолновых лучей (синих и фиолетовых), что оказывается оранжевым и даже красным.

В 1883 г. произошло сильнейшее извержение вулкана на острове Кракатау, наполовину разрушившее остров и выбросившее в атмосферу огромное количество мельчайшей пыли. На протяжении нескольких лет пыль эта, развеянная воздушными течениями на огромные расстояния, засоряла атмосферу, обусловливая интенсивные красные зори.

Явления, связанные с преломлением света

Радуга

Радуга - это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги.

Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область - в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга - более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область). Для наблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радуга появляется при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 42°. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем, следовательно, больше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 52. Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя.

Таким образом, положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к Солнцу, а угловые размеры радуги определяются высотой Солнца над горизонтом. Наблюдатель есть вершина конуса, ось которого направлена по линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем. Радуга есть находящаяся над линией горизонта часть окружности основания этого конуса. При передвижениях наблюдателя указанный конус, а значит, и радуга, соответствующим образом перемещаются. Здесь необходимо сделать два пояснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем, то имеем в виду не истинное, а наблюдаемое направление на Солнце. Во-вторых, когда мы говорим о радуге над линией горизонта, то имеем в виду относительно далекую радугу - когда завеса дождя удалена от нас на несколько километров. Можно наблюдать также и близкую радугу, например радугу, возникающую на фоне большого фонтана. В этом случае концы радуги как бы уходят в землю.

Гало

Гало - это более редкое оптическое явление, поэтому многие из вас, наверное, не только не видели его, но и не слышали о нём. Между тем, гало и радуга имеют одну и ту же физическую природу. Гало - это светящийся круг вокруг Солнца или Луны.

Гало возникает в результате преломления света в шестигранных ледяных кристалликах, застилающих пеленою светило. Такие круги света возникают в морозную ночь около уличных фонарей.

Наибольшей яркостью обладают лучи, отклонённые кристалликами льда на 22° от начального направления. Такие лучи попадают в глаз наблюдателя, и он видит светило смещённым на 22°. При непрерывном движении большого числа кристалликов глаз видит круг из этих лучей.

Глория

Одно из впечатляющих явлений природы - брокенский призрак;- впервые описано в 1891 г. по наблюдениям на горе Брокен в горном массиве Гарц. Утром, когда солнечные лучи падают почти горизонтально, можно подняться на холм и увидеть свою собственную тень на слое тумана или облаке, окутывающих горные вершины. Тень окружена ярко окрашенными концентрическими кольцами - красное кольцо в наружной области и фиолетовое во внутренней. Это есть глория (от лат. gloria - украшение).

Громадные призрачные фигуры людей, окружённые многоцветными кольцами, иногда наблюдают альпинисты в горах. Они производят мистическое впечатление. Суеверным людям эти тени кажутся выходцами из потустороннего мира.

Между тем, это тени самих альпинистов. Они возникают, когда солнце находится позади людей, а впереди - густые облака. Тогда на облаках, как на экране, появляются огромные фигуры.

Жители небольшого бельгийского городка Вервье со страхом и удивлением наблюдали однажды утром изображение на небе военного сражения. Позже они узнали, что это было утро сражения при Ватерлоо (июнь, 1815 г.). По прямой между Вервье и Ватерлоо более 100 км. Облако пыли и дыма с поля боя послужило экраном, видимым на большом расстоянии.

Глория возникает при рассеянии света назад. Невозможно объяснить эффект глории в рамках геометрической оптики. В 1957 г. голландец ван де Хюлст предположил, что глория возникает при почти скользящем падении луча. После преломления и одного отражения образуется преломленная волна, которая распространяется по небольшому участку поверхности капли и покидает ее.

Миражи

Слово «мираж» французского происхождения и имеет два значения: отражение и обманчивое явление (mirage). Подобно сказке, мираж восхищает людей, влечёт к себе и бесследно исчезает, когда к нему пробуют приблизиться.

Мираж представляет собой изображение реально существующего на земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Миражи бывают верхние, нижние и сложные...

Миражи - это отражения каких-то вещей или явлений на поверхности раскаленного песка, асфальта, моря и т.д.

Как мне стало известно, что это происходит от того, что в разных слоях воздуха температура разная, а разность температуры действует как зеркало.

Мираж - это нечто иное, как отраженные предметы или явления, которые мы принимаем за реальность.

Нижний мираж

Наблюдается при очень большом вертикальном градиенте температуры (падении её с высотой) над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или дорогой. Мнимое изображение неба создаёт при этом иллюзию воды на поверхности. Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой.

Верхний мираж

Наблюдается над холодной земной поверхностью при инверсионном распределении температуры (температура воздуха понижается с повышением высоты).

Верхние миражи случаются в целом реже, чем нижние, но чаще всего бывают более стабильными, поскольку холодный воздух .

Верхние миражи являются наиболее распространенными в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Они также наблюдаются в более умеренных широтах, хотя в этих случаях, они слабее, менее четкие и стабильные. Верхний мираж может быть прямым или перевернутым, в зависимости от расстояния до истинного объекта и градиента температуры. Часто изображение выглядит как фрагментарная мозаика прямых и перевернутых частей.

Верхние миражи могут иметь поразительный эффект за счет кривизны Земли. Если изгиб лучей примерно такой же, как кривизна Земли, лучи света могут перемещаться на большие расстояния, в результате чего наблюдатель видит объекты, находящиеся далеко за горизонтом. Это наблюдалось и задокументировано в первый раз в 1596 году, когда судно под командованием в поисках застряло во льдах на . Экипаж был вынужден пережидать . При этом восход Солнца после полярной ночи наблюдался на две недели раньше, чем ожидалось. В 20-м веке это явление было объяснено, и получило название " ".

Таким же образом, корабли, находящиеся на самом деле так далеко, что они не должны быть видны над горизонтом, могут появиться на горизонте, и даже над горизонтом, как верхние миражи. Это может объяснить некоторые истории о полетах кораблей или прибрежных городов в небе, как описано некоторыми полярниками.

Боковой мираж

О существовании бокового миража обычно даже не подозревают. Это - отражение от нагретой отвесной стены.

Такой случай описан одним французским автором. Приближаясь к форту крепости, он заметил, что ровная бетонная стена форта вдруг заблистала, как зеркало, отражая в себе окружающий ландшафт, почву, небо. Сделав еще несколько шагов, он заметил ту же перемену и с другой стеной форта. Казалось, будто серая неровная поверхность внезапно заменяется полированной. Стоял знойный день, и стены должны были сильно накалиться, в чем и заключалась разгадка их зеркальности. Оказалось, что мираж наблюдается всякий раз, когда стена достаточно нагреется солнечными лучами. Удалось даже сфотографировать это явление.

В знойные летние дни следовало бы обращать внимание на накалившиеся стены больших зданий и искать, не обнаружатся ли явления миража. Без сомнения, при некотором внимании число замеченных случаев бокового миража должно участиться.

Фата-моргана

Сложные явления миража с резким искажением вида предметов носят название .

Фата-моргана (итал. fata morgana), сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые предметы видны многократно и с разнообразными искажениями. Фата-моргана возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также и преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по нескольку

искажённых изображений, частично налагающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создаёт причудливую картину такого миража.

Объёмный мираж

В горах очень редко, при стечении определённых условий, можно увидеть «искажённого себя» на довольно близком расстоянии. Объясняется это явление наличием в воздухе «стоячих» паров воды.

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.сияния

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса. Выявлением причин, приводящим к высыпаниям заряженных частиц из плазменного слоя, занимается космическая физика. Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпаний играет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмы солнечного ветра.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосферы планеты: так, например, для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне. Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, 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. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет

Вспышки сияний происходят обычно через день-два после вспышек на Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительная ионизация газов электронами.

В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей

Но научное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков.

Выводы

Я выполнил исследовательский проект по физике на тему «Оптика и оптические явления в природе», так как эта тема показалась мне интересной и увлекательной, ведь Оптика окружает нас везде.

Осуществление данного проекта позволило мне развить свои навыки работы с дополнительной литературой, умение проводить эксперименты, проводить анализ полученных результатов, обосновывать итоги исследований.

Сделав, этот проект я многое узнал - что такое Оптика, какие оптические явления бывают в природе и выяснил: почему появляется солнечный «зайчик», что такое радуга, гало, миражи, полярные сияния, чем объясняется цвет неба и зорь. Этот проект открыл во мне новые интересы к физике как увлекательной науке, которая привлекает необычными явлениями и интересными опытами.

Цель – исследовать оптические явления в природе – была мною достигнута. Я расширил свой кругозор и совершил интересное путешествие в мир Оптики. Научное познание природы, ее поэтическое восприятие идут рука об руку, взаимно обогащая друг друга. Знание физики природных явлений позволяет нам еще сильнее ощутить их внутреннюю гармонию и красоту; в свою очередь, ощущение этой красоты есть дополнительный и притом мощный стимул к дальнейшему исследованию, пробуждению интереса к такому предмету как физика.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные материалы могут быть использованы при проведении недели физики в школе, физических турниров, КВНов и т.п. – а также для занятий по ознакомлению с окружающим миром.

Литература

Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2006г., CD

Википедия (Свободная энциклопедия),

Загадки природных явлений,

Колтун М., Мир физики, издательство «Детская литература», 1987г.

Ландсберг Г.С., Элементарный учебник физики, издательство «Физматлит», 2003г. Можно ли получить Радугу дома? Какого цвета небо?

Почему небо голубого цвета?

Какого цвета небо на Заре?

Почему небо красное на Заре?

Что такое Гало?

Что такое Глория?

Волгоградская муниципальная гимназия №1

Экзаменационная работа

по физике на тему:

«Оптические явления в природе»

Выполнили

ученицы 9класса «Б»

Покусаева В.О.

Трубникова М.В.

План

1. Введение

а) Что такое оптика?

б) Виды оптики

в) Роль оптики в развитии современной физики

2. Явления, связанные с отражением света

а) Предмет и его отражение

б) Зависимость коэффициента отражения от угла падения света

в) Защитные стекла

д) Полное отражение света

е) Цилиндрический световод

ж) Алмазы и самоцветы

3. Явления, связанные с преломлением света

б) Радуга

4. Полярные сияния

Введение

Что такое оптика?

Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальцы и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки о зрении превратилась в науку о свете, этому способствовало изобретение линз и камеры-обскуры. В современное время оптика - это раздел физики, в котором исследуется испускание света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением, устройство и функционирование глаза, то они выделились в специальное научное направление, называемое физиологической оптикой.

Виды оптики

При рассмотрении многих оптических явлений можно пользоваться представлением о световых лучах – геометрических линиях, вдоль которых распространяется световая энергия. В этом случае говорят о геометрической (лучевой) оптике.

Геометрическая оптика широко используется в светотехнике и при рассмотрении действий многочисленных приборов и устройств – начиная от лупы и очков и кончая сложнейшими оптическими микроскопами и телескопами.

В начале XIX века развернулись интенсивные исследования открытых ранее явлений интерференции, дифракции и поляризации света. Эти явления не находили объяснения в рамках геометрической оптики, необходимо было рассматривать свет в виде поперечных волн. Так возникла волновая оптика. Первоначально полагали, что свет - это упругие волны в некоторой среде (мировом эфире), которая будто бы заполняет все мировое пространство.

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

Исследования, выполненные в начале XX века, показали, что для объяснения некоторых явлений, например фотоэффекта, необходимо представить световой пучок в виде потока своеобразных частиц – световых квантов (фотонов). Еще 200 лет назад Исаак Ньютон придерживался аналогичной точки зрения на природу света в своей «теории истечения света». Теперь представление о световых квантах изучает квантовая оптика.

Роль оптики в развитии современной физики.

Роль оптики в развитии современной физики велика. Возникновение двух наиболее важных и революционных теорий двадцатого столетия (квантовой механики и теории относительности) в существенной мере связано с оптическими исследованиями. Оптические методы анализа вещества на молекулярном уровне породили специальное научное направление – молекулярную оптику. К ней тесно примыкает оптическая спектроскопия, применяемая в современном материаловедении, при исследованиях плазмы, в астрофизике. Существуют также электронная и нейтронная оптики; созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало. Разработаны оптические модели атомных ядер.

Способствуя развитию разных направлений современной физики, оптика в то же время и сама переживает сегодня период бурного развития. Основной толчок этому развитию дало изобретение интенсивных источников когерентного света – лазеров. В результате волновая оптика поднялась на более высокую ступень, соответствующую когерентной оптике. Трудно даже перечислить все новейшие научно-технические направления, развивающиеся благодаря появлению лазеров. Среди них нелинейная оптика, голография, радиооптика, пикосекундная оптика, адаптивная оптика и другие. Радиооптика возникла на стыке радиотехники и оптики; она исследует оптические методы передачи и обработки информации. Эти методы обычно сочетают с традиционными электронными методами; в результате сложилось научно-техническое направление, называемое оптоэлектронникой. Передача световых сигналов по диэлектрическим волокнам составляет предмет волоконной оптики. Используя достижения нелинейной оптики, можно исправлять волновой фронт светового пучка, искажающийся при распространении света в той или иной среде, например в атмосфере или в воде. В результате возникла и интенсивно развивается так называемая адоптивная оптика. К ней 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

Мираж

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

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 дополнительные неустойчивые магнитные поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Как возникают полярные сияния. Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» – поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетаю на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию. Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадают внутрь тероида и движутся внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20эв. Для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, а для возбуждения еще меньше.

Возбужденные атомов газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, 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. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет.

Вспышки сияний происходят обычно через день-два после вспышек на Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительная ионизация газов электронами.

В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.

Но научное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков.

Литература:

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.