Оптические явления

Введение

     Целью данной курсовой работы является рассмотрение оптических атмосферных явлений в природе. Из – за ограниченного объема работы, в ней описывается лишь некоторая часть подобных явлений, таких как, глория, полярные сияния, миражи. Данные явления описаны в работе достаточно подробно. Менее подробно описаны явления возникновения шаровые молнии, огней святого Эльма, зеленый луч.

     Во  второй части работы содержатся методические аспекты, касающиеся возможностей применения использованного материала в учереждениях образования.

     Большим плюсом работы, на мой взгляд, является не только ее научная направленность, но и явно выраженная направленность эстетическая. Надеюсь, Вам чтение курсовой доставит не меньшее удовольствие, чем мне – ее составление.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Глава 1

     Представления об оптике

     Первые  представления древних ученых о  свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца 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.

     Понятие "оптика", в совремённой науке, имеет многогранное значение. Это  и атмосферная оптика, и молекулярная оптика, и электронная оптика, и  нейтронная оптика, и нелинейная оптика, и голография, и радиооптика, и  пикосекундная оптика, и адаптивная оптика, и многие другие явления  и методы научных исследований, тесно  связанные с оптическими явлениями.

     Большинство из перечисленных видов оптики, как  физическое явление, доступны нашему наблюдению только при использовании специальных  технических устройств. Это могут  быть лазерные установки, излучатели рентгеновских  лучей, радиотелескопы, плазменные генераторы и многие другое. Но наиболее доступным  и, вместе с тем, наиболее красочным  оптическими явлениями являются атмосферные. Огромные по своим масштабам, они суть порождение взаимодействия света и атмосферы земли. 
 
 
 

1.1

     Науки, занимающиеся изучением  световых явлений  в атмосфере

• Метеорологическая оптика – занимается изучением атмосферных  явлений, связанных с погодой (явления  цвета неба и его окраски, поляризация  небесного свода, явления миража и неправильного преломления  и отражения света в атмосфере, мерцание звезд, радуга, круги и венцы  около светил).

• Астрономия  – подробно изучает явление рефракции (преломления света в атмосфере).

• Атмосферное электричество – занимается изучением  атмосферных явлений электрического происхождения (молния, огни святого  Эльма и др.).

• Атмосферная оптика – изучает преобразование солнечной энергии и теплового излучения самой атмосферы и подстилающей поверхности.

1.2

     Земная  атмосфера, как оптическая система

     Наша  планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем атмосферой. Обладая  наибольшей плотностью у земной поверхности  и постепенно разрежаясь с поднятием  вверх, она достигает толщины  более сотни километров. И это  не застывшая газовая среда с  однородными физическими данными. Наоборот, атмосфера земли находится  в постоянном движении. Под воздействием различных факторов, её слои перемешиваются, меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются на большие расстояния с различной скоростью.

     Для лучей света, идущих от солнца или  других небесных светил, земная атмосфера  представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися  параметрами. Оказываясь на их пути, она  и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу  атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные  явления. Наиболее необычные красочные  из них это солнечный закат, северное сияние, мираж, солнечное и лунное гало. 
 
 
 
 
 
 
 

     1.3

     Огни  святого Эльма

     Некоторые оптические явления в атмосфере (например, свечение и самое распространенное метеорологическое явление - молния) имеют электрическую природу. Гораздо  реже встречаются огни святого Эльма - светящиеся бледно-голубые или  фиолетовые кисти длиной от 30 см до 1 м и более, обычно на верхушках  мачт или концах рей находящихся  в море судов. Иногда кажется, что  весь такелаж судна покрыт фосфором и светится. Огни святого Эльма  порой возникают на горных вершинах, а также на шпилях и острых углах  высоких зданий. Это явление представляет собой кистевые электрические разряды  на концах электропроводников, когда  в атмосфере вокруг них сильно повышается напряженность электрического поля. 

1.5

     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 (рис. 2.).

       Особенно удивительны миражи  сверхдальнего видения. 

     Известны  случаи, когда они наблюдались  и на расстояниях – до 1000км.  

     1.4

     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 1, Б.

       В соответствии с установленным  правилом, световые лучи вблизи  поверхности земли будут в  данном случае изгибаться так,  чтобы их траектория была обращена  выпуклостью вниз.

       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. 
 
 
 

     1.6

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 1, 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.

     Рис. 1. А.  Б. 

       Верхний мираж может давать  как прямое, так и перевернутое  изображение. Прямое изображение  возникает, когда показатель преломления  воздуха уменьшается с высотой  относительно медленно. При быстром  уменьшении показателя преломления  образуется перевернутое изображение.  

     1.7

     Двойные и тройные миражи

     Если  показатель преломления воздуха  изменяется сначала быстро (область 1), а затем медленно (область 2), то в этом случае лучи в области 1 будут искривляться быстрее, чем в области 2. В результате возникают два изображения. Световые лучи, распространяющиеся в пределах воздушной области 1, формируют перевернутое изображение объекта. Лучи, распространяющиеся в основном в пределах области 2, 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  2.В. показано, как возникает тройной  мираж. 

     Рис.2. В. 
 
 

     1.8

     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 должна быть все время обращена выпуклостью в сторону менее  плотных областей воздуха. 

     1.9

     Полярные  сияния

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

     В эскимосских и индийских легендах говорится, что это духи животных танцуют в небе, или что это  духи падших врагов, которые хотят  пробудиться вновь.

     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 он 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.

     1.10

     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. 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.

     1.11

     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, налетают 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, вдоль замкнутой кривой. 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 10000-20000 эв (1эв = 1.6 10 дж), а  электроны с энергиями 10-20 эв. 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  атомы 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. В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.

     Полярные  сияния могут возникать не только на Земле, но и на других планетах.

     Полярное  сияние на Сатурне, комбинированный снимок в ультрафиолете и видимом свете (Hubble Space Telescope)

     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. 

     1.12

     Шаровая молния

     Шаровая молния — редкое природное явление, единой физической теории возникновения и протекания которого к настоящему времени не представлено. Существуют около 200 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами. Но о природе естественной шаровой молнии вопрос остаётся открытым. По состоянию на конец XX века не было создано ни одного опытного стенда, на котором в масштабе природное явление искусственно воспроизводилось бы тождественным описаниям очевидцев шаровой молнии.

     Широко  распространено мнение, что шаровая молния — явление электрического происхождения, естественной природы, то есть представляющая собой особого вида молнию, существующую продолжительное время и имеющую форму шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории.

     Традиционно достоверность многих свидетельств очевидцев шаровой молнии остаётся под сомнением, в том числе:

• по самому факту наблюдения хоть какого-то явления
• факту наблюдения именно шаровой молнии, а не какого-то другого явления
• отдельных подробностей приводимых в свидетельстве очевидца явления

     Сомнения  в достоверности многих свидетельств осложняют изучение явления, а также  создают почву для появления  разных спекулятивно-сенсационных материалов, якобы связанных с этим явлением.

     Шаровая молния (Рис 3) обычно появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями. Но имеется множество свидетельств её наблюдения в солнечную погоду. Чаще всего она как бы «выходит» из проводника или порождается обычными молниями, иногда спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб).

     Рис 3

     1.13

     Зеленый луч

     Зеленый луч - солнечных лучей в атмосфере сопровождается их дисперсией, то есть разложением в спектр. При этом сила рефракции зависит от длины волны луча: чем короче длина волны луча, тем сильнее он будет приподниматься за счёт рефракции.

     В результате наложения друг на друга  цветовых лучей от отдельных точек  солнечного диска центральная часть  его останется белой (а точнее, за счёт рассеяния весь диск становится красным) и только верхняя и нижняя каёмки диска оказываются в преимущественном положении. Верхняя становится сине-зелёной, нижняя — оранжево-красной. Красная и оранжевая части диска Солнца заходят за горизонт раньше зелёной и голубой

     Дисперсия солнечных лучей в наиболее явном  виде проявляется в самый последний  момент захода Солнца, когда над  горизонтом остается небольшой верхний  сегмент, а затем только самая  «макушка» солнечного диска. Последний  луч заходящего Солнца, разлагаясь в спектр, образует «веер» цветных  лучей. Расхождение крайних лучей видимого спектра — фиолетовых и красных составляет в среднем 38", но при более сильной рефракции оно может быть и значительно больше. Когда Солнце погружается под горизонт, последним лучом мы должны были бы увидеть фиолетовый. Однако самые коротковолновые лучи — фиолетовые, синие, голубые — на долгом пути в атмосфере (когда Солнце уже у горизонта), настолько сильно рассеиваются, что не доходят до земной поверхности. Кроме того, к лучам этой части спектра меньше чувствительность глаза человека. Поэтому в последний момент захода последний луч заходящего Солнца оказывается яркого изумрудного цвета. Это явление и получило название зелёного луча (рис 4).

     При восходе Солнца имеет место обратная смена цветов. Первый луч восходящего Солнца — зелёный; затем к нему добавляется жёлтый, оранжевый и, наконец, красный, вместе формирующие обычный дневной свет Солнца.

     Рис 4

     Явление зелёного луча бывает трёх форм:

• в виде зелёного края верхней части диска Солнца,
• в виде зелёного сегмента
• в виде зелёного луча, который похож на зелёное пламя, вырывающееся из-за горизонта.

Наблюдение  эффекта

     Для наблюдения зелёного луча необходимы три условия: открытый горизонт (в  степи или на море в отсутствие волнения), чистый воздух и свободная  от облаков сторона горизонта, где  происходит заход или восход Солнца.

     Обычная продолжительность зелёного луча всего  несколько секунд. Можно значительно  увеличить время его наблюдения, если при его появлении быстро взбегать по насыпи или переходить с одной палубы судна на другую с такой скоростью, чтобы сохранить  положение глаза относительно зелёного луча. Во время одной из экспедиций к Южному полюсу американский лётчик и исследователь Р. Бэрд наблюдал зелёный луч в течение 35 минут. Это произошло в конце полярной ночи, когда край солнечного диска в первый раз появился над горизонтом и передвигался вдоль него. 

     1.13

     Парад суеверий

     Теперь  уже, думается, нетрудно будет понять, как возникают на небе светящиеся кресты, которые и в наш век  пугают иных людей.

     Разгадка  здесь в том, что не всегда мы видим  на небе ту или иную форму гало полностью. Зимой, при больших морозах, как  уже было сказано, по обе стороны  солнца появляются два светлых пятна  – части вертикального гало-круга. Так бывает и с проходящим через  солнце горизонтальным кругом. Чаще всего  видна лишь та его часть, которая  примыкает к светилу, – на небе видны как бы два светлых хвоста, тянущихся от него вправо и влево. Части вертикального и горизонтального  кругов при этом пересекаются и образуют как бы два креста по обе стороны  от солнца.

     В другом случае мы видим у солнца часть горизонтального круга, пересекающегося  светящимся столбом, который от солнца идет кверху и книзу. И снова образуется крест.

     Наконец, бывает и так: на небе после захода солнца видны светящийся столб и  верхняя часть вертикального  круга. Пересекаясь, они тоже дают изображение  большого креста. А порой такое  гало напоминает старинный рыцарский  меч. И если он еще окрашен зарей, то вот вам окровавленный меч  – грозное будто бы напоминание  небес о грядущих бедах!

     Научное объяснение гало – яркий пример того, как обманчива бывает порой внешняя форма какого-либо природного явления. Кажется, что-то крайне загадочное, таинственное, а разберешься – от «необъяснимого» не остается и следа.

     Легко сказать – разберешься! На это  уходили годы, десятилетия, века. Сегодня  каждый человек, заинтересовавшись  чем-либо, может заглянуть в справочник, полистать учебник, погрузиться  в изучение специальной литературы. Спросить, наконец! А были ли такие возможности в средние, скажем, века? Ведь тогда и знаний таких еще не накопили, и наукой занимались одиночки. Господствующим мировоззрением была религия, а привычным мироощущением – вера.

     Французский ученный К.Фламмарион просмотрел под этим углом зрения исторические хроники. И вот что выяснилось: составители хроник нисколько не сомневались в существовании прямой причинной связи между таинственными явлениями природы и делами земными.

     В 1118 году, в царствование короля английского  Генриха I, на небе появились одновременно две полные луны, одна на западе, а другая на востоке. В том же году король победил в битве.

     В 1120 году среди кроваво-красных облаков  появились крест и человек, состоявшие из пламени. В том же году шел кровавый дождь; все ожидали светопреставления, но дело кончилось только гражданской войной.

     В 1156 году несколько часов подряд блестели вокруг солнца три радужных круга, а  когда они исчезли, возникли три  солнца. Составитель хроники усмотрел в этом явлении намек на ссору  короля с епископом Кентерберийским  в Англии и на разрушение после  семилетней осады Милана в Италии.

     В следующем году опять появились  три солнца, а посредине луны был  виден белый крест; понятное дело, летописец это тотчас связал с  раздорами, сопровождавшими избрание нового папы римского.

     В январе 1514 года в Вюртемберге были видны три солнца, из коих среднее  больше боковых. В то же время на небе появлялись окровавленные и  пылающие мечи. В марте того же года опять были видны три солнца и  три луны. Тогда же турки были разбиты персами в Армении.