Световые явления в природе
Реферат по физике
по теме: «Световые явления в природе»
ученицы 8 «Л 1» класса
Вступление
Почему небо голубое, а закат
– красный.
Опыт Тиндаля
Рассеяние света
Флуктуация воздуха
Зелёный луч
«Слепая» полоса
Рефракция
Гало
Ледяные кристаллы в облаках
Гало в Антарктиде
Миражи
Верхние миражи
«Призрачные» земли
«Летучий голландец»
Нижние миражи
Боковые миражи
Фата-Моргана
Радуга
Туманная радуга
Лунная радуга
Полярные сияния
Виды полярных сияний
Влияние полярного сияния
Заключение
Список литературы
Сколько в природе удивительного! Особенно необычно и завораживающе выглядят световые явления. С древнейших времён люди воспринимали это как чудо, связывая необъяснимое с мистическими силами или с богами.
Мне стало интересно: ведь есть же объяснение всем этим необычным явлениям. И я решила, по-новому, с физической точки зрения взглянуть на некоторые световые явления и найти ответы на многие интересующие вопросы.
Солнце - источник энергии для жизни растений и животных. Оно создаёт ветры, нагревая огромные массивы суши и воздушные массы над ними, и служит движущей силой круговорота воды в природе, поднимая водяные пары в атмосферу. Солнце - жизненно важная составляющая окружающей среды, без которой жизнь на Земле была бы невозможна.
Солнечные лучи освещают весь земной шар. Прекрасен мир солнечного света. Он доставляет радость всем живущим на Земле. Мир солнечного света огромен, разнообразен, неисчерпаем.
Небосвод бесконечно прекрасен, также прекрасно и удивительно выглядят световые явления: закат, «слепая полоса», зелёный луч, радуга, северное сияние, гало, миражи. В этом реферате будут рассмотрены явления, неразрывно связанные с Солнечным светом, многие чудеса природы будут объяснены.
Почему небо голубое, а закат – красный.
Солнце... Уже в древнейшие времена люди понимали, что без солнечных лучей жизнь на Земле была бы невозможна. Они называли солнце "началом жизни", обожествляли его, поклонялись ему. Во все времена закат вызывал у людей печаль, страх, тревогу, но чаще солнечный закат навеивает лёгкую грусть, граничащую с умиротворением. Наблюдаемая картина заката солнца зависит всякий раз от состояния атмосферы и в существенной мере определяется типом и формой облаков, подсвечиваемых лучами заходящего солнца. Поэтому один закат так не похож на другой. И всегда солнечные закаты необычайно красивы.
Прежде всего, бросается в глаза красноватый цвет заходящего Солнца и такой же цвет неба вблизи него. У самой линии горизонта он краснее, а в верхней части диска переходит в цвет более светлых тонов.
Опыт Тиндаля.
Небо имеет голубой цвет, а цвет заходящего солнца становится красным. В обоих случаях причина одна - рассеяние солнечного света в земной атмосфере. Это можно объяснить, если предположить, что синий свет рассеивается сильнее, чем красный. Это было доказано в 1869 г. когда Дж. Тиндаль выполнил свой знаменитый опыт. Этот опыт совсем не трудно воспроизвести. Возьмём аквариум прямоугольной формы, наполним его водой и направим на стенку аквариума слабо расходящийся узкий пучок света от диапроектора. Опыт должен проводиться в затемнённом помещении. Для усиления рассеивания светового пучка при его прохождении через аквариум добавим в воду немного молока. Содержащиеся в молоке частички жира не растворяются в воде; они находятся во взвешенном состоянии, и способствую рассеянию света. Можно наблюдать голубоватый оттенок у рассеянного света. Свет же, прошедший сквозь аквариум, приобретает красноватый оттенок. Итак, если смотреть на световой пучок в аквариуме сбоку, он представляется голубоватым, а с выходного торца - красноватым. Это можно объяснить тем, что при прохождении белого светового пучка через рассеивающую среду из него рассеивается в основном "синий компонент" поэтому в выходящем из среды пучке начинает преобладать "красный компонент".
В 1871 г. Дж. Стретт именно так объяснил результаты опытов Тиндаля. Он построил теорию рассеяния световых волн на частицах, размеры которых много меньше длины световой волны. Установленный Релеем закон утверждает: Интенсивность рассеянного света пропорциональна четвёртой степени частоты света, или, иначе говоря, обратно пропорциональна четвёртой степени длины световой волны.
Если применить закон Рэлея к рассеянию солнечного света в Земной атмосфере, то нетрудно объяснить и голубой цвет дневного неба, и красный цвет солнца при восходе и закате. Поскольку интенсивнее рассеиваются световые волны с более высокими частотами, то, следовательно, спектр рассеянного света буде сдвинут в сторону более высоких частот, а спектр света, остающегося в пучке, после того как испытавший рассеяние свет покинул пучок, будет сдвинут в обратную сторону - к более низким частотам. В первом случае белый цвет становится голубым, а во втором - красноватым. Глядя на дневное небо, наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере; согласно закону Рэлея, спектр этого света сдвинут в сторону более высоких частот, отсюда голубой цвет неба. Глядя на солнце, наблюдатель воспринимает свет, прошедший через атмосферу без рассеяния; спектр этого цвета будет сдвинут к низким частотам. Чем ближе солнце к линии горизонта, тем более длинный путь в атмосфере проходят световые лучи, прежде чем попадут к наблюдателю, тем в большей мере сдвигается их спектр. В результате заходящее и восходящее солнце мы видим в красных тонах. Вполне понятно также, почему нижняя часть заходящего солнечного диска выглядит более красной, чем его верхняя часть.
Основную роль играет зависимость интенсивности рассеяния света от его частоты. Но какова природа тех центров, на которых рассеиваются световые волны? Первоначально думали, что роль таких центров выполняют мельчайшие пылинки и капельки воды, но это не объясняет чудесного голубого цвета неба в высокогорных районах, где очень чистый и сухой воздух.
Флуктуация воздуха.
В 1899 г. Рэлей выдвинул гипотезу, по которой центрами, рассеивающими свет, являются сами молекулы воздуха. В первой половине ХХ века, благодаря работам М. Смолуховского, А. Эйнштейна и Л. И. Мандельштама, было установлено, что в действительности рассеяние света происходит не на самих молекулах воздуха, а на несколько необычных объектах, возникающих вследствие хаотичного движения теплового движения молекул, - на флуктуациях плотности воздуха, т. е. случайно возникающих микроскопических сгущениях и разряжениях воздуха. На рисунке 1 а) показано распределение молекул воздуха в пространстве в определенный момент времени. Мы видим, что некоторые ячейки оказываются почти пустыми, а некоторые относительно плотно заселены молекулами. Это есть следствие хаотичного теплового движения молекул воздуха. В результате плотность атмосферного воздуха будет случайным образом изменятся (флуктуировать) от одной ячейки к другой. Ясно, что в иной момент времени уже иные ячейки окажутся более или менее заселёнными, но по прежнему плотность воздуха будет случайно изменяться. Можно пояснить понятие флуктуации плотности воздуха и другим образом. Сосредоточим внимание не на каком-либо определённом моменте времени, а на некоторой произвольно выбранной ячейке пространства. С течением времени число молекул в ячейке будет флуктуировать, например, так, как это показано на рисунке 1 б) где рассмотрены несколько разных моментов времени. Проще говоря, плотность воздуха в данной точке будет случайно изменяться с течением времени. Вот эти локальные неоднородности плотности воздуха и являются теми рассеивающими центрами, которые обуславливают голубой цвет дневного неба и красный цвет заходящего солнца. Наличие в воздухе мелкой пыли и капелек воды приводят к дополнительному рассеянию и в какой-то степени влияет на цвет неба и заката. Однако первопричина заключается в рассеянии света на флуктуациях плотности воздуха. Характер этих флуктуаций в значительной мере зависит от состояния атмосферы: температуры различных слоёв воздуха, характера и силы ветра. Именно поэтому в тихую ясную погоду закат золотистый, а в ветреную - багровый.
Зелёный луч
Удивительное зрелище
- зелёный луч. Яркий зелёный свет
вспыхивает на несколько
Возникновение зеленого луча можно объяснить, если принять во внимание изменение показателя преломления с частотой света. Обычно показатель преломления растет с увеличением частоты. Лучи с более высокой частотой преломляются сильнее. Значит, сине-зеленые лучи претерпевают более сильную рефракцию по сравнению с красными лучами
Допустим, что рефракция света в атмосфере есть, а вот рассеяния света нет. В этом случае верхний и нижний края солнечного диска вблизи линии горизонта должны были бы быть окрашенными в цвета радуги. Пусть для простоты в спектре солнечного света имеются всего два цвета — зеленый и красный; «белый» солнечный диск можно рассматривать в данном случае в виде наложенных друг на друга зеленого и красного дисков. Рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зеленый диск в большей степени, чем красный. Верхний край солнечного диска был бы зеленым, а нижний красным; в центральной же части диска наблюдалось бы смешение цветов, т. е. наблюдался бы белый цвет.
В действительности же нельзя не учитывать рассеяние света в атмосфере. Как мы уже знаем, оно приводит к тому, что из светового пучка, идущего от солнца, выбывают более эффективно лучи с более высокой частотой. Так что зеленой каемки сверху диска мы не увидим, а весь диск будет выглядеть не белым, а красноватым. Если, однако, почти весь солнечный диск ушел за горизонт, остался лишь самый верхний его краешек, и при этом стоит ясная и тихая погода, воздух чист (так что рассеяние света минимально), то в этом случае мы можем увидеть ярко-зеленый край солнца вместе с россыпью ярких, зеленых лучей. И всё-таки мы увидим зелёный, т. К. синий рассеялся в атмосфере.
«Слепая» полоса
Ёще одно удивительное явление: иногда Солнце кажется заходящим не за чётко просматриваемую линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом (рисунок 2 а). Интересно, что это явление наблюдается в отсутствие какой либо облачности. Если быстро подняться на вершину холма, то можно наблюдать ещё боле странную картину: теперь солнце заходит за линию горизонта, но при этом солнечный диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной слепой полосой. Солнце постепенно опускается всё ниже, а положение слепой полосы по отношению к линии горизонта сохраняется неизменным (рисунок 2 б).
Картина заката, изображенная на рисунке 2 наблюдается, если воздух около земной поверхности оказывается достаточно холодным, а выше имеется слой относительно теплого воздуха. В этом случае показатель преломления воздуха, изменяется с высотой примерно так, как показано на рисунке 3 а) Переход от нижнего холодного слоя воздуха к лежащему над ним теплому может приводить к довольно резкому спаду показателя преломления. Для простоты примем, что этот спад совершается скачком, поэтому между холодным и теплым слоями существует четко выраженная поверхность раздела, находящаяся на некоторой высоте h0 над земной поверхностью. Упомянутый скачок хорошо виден на рисунке 3 б) где через nх обозначен показатель преломления воздуха в холодном слое, а через nт — в теплом слое вблизи границы с холодным.
Время восхода и захода Солнца в любом месте земного шара в любой день года рассчитывается по астрономическим формулам достаточно точно. Но на самом деле рассчитанное время восхода и захода и действительное далеко не всегда совпадают. Дело в том, что свои «коррективы» вносит атмосфера, окружающая Землю.
Плотность воздуха быстро уменьшается с высотой. Вместе с плотностью изменяется показатель преломления и скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере.
Рефракцией называется преломление электромагнитных волн в атмосфере в силу неоднородности плотности воздуха, как в горизонтальном, так и, особенно сильно, в вертикальном направлениях. Траектории электромагнитных волн в атмосфере представляют собой сложного вида кривые.
Прямым следствием рефракции солнечных лучей является увеличение продолжительности дня. При заходе Солнца, когда его диск уже опустился под горизонт, рефракция его приподнимает, и день еще продолжается. Аналогично при восходе: Солнце еще находится под горизонтом, а за счет рефракции мы его уже видим, то есть день начинается раньше действительного восхода Солнца.
Увеличение продолжительности дня зависит от широты места и склонения Солнца в данный день. В средних широтах за счет рефракции день увеличивается обычно не более чем на 8 – 12 мин. Если мы будем перемещаться по земной поверхности по направлению к полюсам, то удлинение дня становится все более и более значительным. На полюсах земного шара, где полярный день и полярная ночь должны продолжаться ровно по полгода, оказывается, что полярный день длиннее полярной ночи на 14 суток.
Гало
Если Солнце или Луна просвечивают через тонкие перисто-слоистые облака, состоящие из ледяных кристаллов, на небе часто появляются световые явления, называемые гало. Явления гало отличаются большим многообразием.
В моменты близкие к заходу или восходу Солнца, над Солнцем, а иногда и под ним, появляются световые столбы.
Повторяемость гало обусловлена частотой появления перисто-слоистых облаков. Часто на небе наблюдается одновременно несколько форм гало. Сложный комплекс из разнообразных гало наблюдался в Петербурге 18 июля 1794г. На небе одновременно наблюдалось 12 различных кругов и дуг, из них 9 цветных. Описаны и другие сложные гало, которые наблюдались в разных местах земного шара.
Появление на небе одновременно нескольких солнц, световых крестов, косых дуг, которые, особенно во время зари, казались «кровавыми мечами», в прежние времена вызывало у людей страх, рождало суеверия, воспринималось как предвестие большой беды – войны, голода.
Как же возникают гало? Все формы гало являются результатом преломления солнечных или лунных лучей в ледяных кристаллах облака либо их отражения от боковых граней или оснований кристаллов, имеющих форму шестигранных столбиков или пластинок. Строго говоря, на кристаллах происходит дифракция солнечных или лунных лучей.
Гало в Антарктиде
Наиболее часто разнообразные гало возникают на внутриконтинентальных станциях, расположенных на ледяном куполе Антарктиды и на его склоне на высотах 2700 – 3500 м над уровнем моря.
В отсутствие плотных снежных облаков, когда светит Солнце, возникают необычайно яркие цветные и белые гало. Часто видны только нижние половинки кругов гало.
Гало в Антарктиде наблюдается часто в течение целого дня, изменяется лишь их форма и яркость цветов.
Другое интересное световое явление, которое видели только в глубине антарктического континента, - радужный, или цветной, поземок. Он наблюдается только при низком положении Солнца, и чтобы лучше его рассмотреть, надо лечь на снег и смотреть в сторону Солнца. Быстро перемещаемые ветром струйки поземка, встречая на своем пути заструги снега, взлетают вверх, образуя малые и большие разноцветные фонтанчики, вспыхивающие всеми цветами радуги.
Цветной поземок возникает в результате преломления солнечного света в полых ледяных кристаллах, из которых состоит поземок, и в кристаллах, оседающих из облаков. Происхождение цветного поземка аналогично «игре» света в хрустальных люстрах, подвесках, бриллиантовых украшениях.
Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения этого слова хорошо отражают сущность явления. Мираж представляет собою изображение реально существующего на Земле предмета, часто увеличенное и сильно искаженное. Мираж можно зарисовать, сфотографировать, заснять на кинопленку, что многократно и делалось. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету. Миражи бывают: верхние, нижние, боковые и сложные.
Наиболее часто наблюдаемые верхние и нижние миражи возникают при необычном распределении плотности по высоте, когда на некоторой высоте или у самой поверхности Земли имеется сравнительно тонкий слой очень теплого воздуха, в котором лучи, идущие от наземных предметов, испытывают полное внутренне отражение.
В верхних миражах изображение располагается над предметом. Такие миражи возникают когда плотность воздуха и показатель преломления с высотой быстро уменьшаются.
Над холодными морями или над выхоложенными поверхностью суши часто наблюдается расширение горизонта. Земля как бы немного распрямляется, и из-за горизонта поднимаются и становятся видными очень далекие предметы.
К числу верхних миражей, по-видимому, следует отнести хотя бы часть так называемых призрачных земель, которые десятилетиями разыскивали в Арктике и так и не нашли. Это Земли Андреева, Джиллеса, Оскара, Санникова и другие. Особенно долго искали Землю Санникова.
В 1811 г. Санников отправился на собаках по льду к группе Новосибирских островов и с северной оконечности острова Котельный увидел в океане неизвестный остров. Достичь его он не смог – мешали громадные полыньи. Санников сообщил об открытии нового острова царскому правительству. В августе 1886г. Э.В.Толь во время своей экспедиции на Новосибирские острова тоже увидел остров Санникова.
Поискам Земли Санникова Толь отдал 16 лет жизни. Он организовал и провел три экспедиции в район Новосибирских островов. Во время последней экспедиции на шхуне «Заря» экспедиция Толя погибла, так и не найдя Земли Санникова. Больше Землю Санникова не видел никто. Возможно, это был мираж, который в определенное время года появляется в одном и том же месте. Как Санников, так и Толь, видели мираж одного и того же острова, расположенного в этом направлении, только намного дальше в океане.
Английский полярный исследователь Роберт Скотт в 1902 г. предположил, что дальше за горизонтом находится горная цепь. И действительно, горная цепь была позднее обнаружена норвежским полярным исследователем Руалем Амундсеном и как раз там, где и предполагал ее нахождение Скотт.
«Летучий голландец»
«Летучий голландец» - призрачное парусное судно необычайно больших размеров без видимой команды на борту. Оно внезапно появлялось, безмолвно шло, не отвечая на сигналы, и так же внезапно исчезало. Встреча с «Летучим голландцем» считалась роковой, надо было ждать шторма или другой беды.
Это был, без сомнения, верхний мираж, то есть изображение какого-либо обыкновенного парусного судна, которое спокойно шло где-то далеко за горизонтом, а его увеличенное и искаженное изображение, в виде верхнего миража, поднималось в воздух, и его принимали за «Летучего голландца». Мираж, естественно, не реагировал ни на какие сигналы с других кораблей. Теперь «Летучий голландец» в виде парусного судна исчез с морей и океанов, поскольку парусные суда стали редкостью. Увидеть же миражи судов, плывущих за видимым горизонтом, можно довольно часто.
Нижние миражи возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотою. Мираж называется нижним, так как изображение предмета помещается под предметом. В нижних миражах кажется, будто под предметом находится водная поверхность, и все предметы в ней отражаются.
Отражение в тонком нагретом от земной поверхности слое воздуха совершенно аналогично отражению в воде. Только роль зеркала играет сам воздух. Состояние воздуха, при котором возникают нижние миражи, крайне неустойчивое. Ведь внизу, у земли, лежит сильно нагретый, а значит, более легкий воздух, а выше него – более холодный и тяжелый. Поднимающиеся от земли струи горячего воздуха пронизывают слои холодного воздуха. За счет этого мираж меняется на глазах, поверхность «воды» кажется волнующейся. Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдет обрушивание, то есть переворачивание воздушных слоев. Тяжелый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет.
Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей являются однородная, ровная подстилающая поверхность Земли, что имеет место в степях и пустынях, и солнечная безветренная погода.
Кажущаяся водная поверхность или озеро, видимые в мираже, в действительности являются отражением неба. Участки неба отражаются в воздушном зеркале и создают полную иллюзию блестящей водной поверхности. Такие миражи видны летом, в солнечные дни над асфальтовыми дорогами или ровным песчаным пляжем.
Боковые миражи
Боковые миражи могут возникнуть, когда слои воздуха одинаковой плотности располагаются в атмосфере наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озере, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней еще холодные. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи.
Фата – Моргана
Сложного вида миражи, или фата – Моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража. Плотность воздуха с высотой сначала увеличивается, а затем также быстро уменьшается. При таком распределении плотности воздуха состояние атмосферы весьма неустойчивое и подвержено внезапным изменениям. Поэтому вид миража меняется на глазах. Самые обыкновенные скалы и дома вследствие многократных искажений и увеличения на глазах превращаются в чудесные замки феи Морганы.
Обычно наблюдаемая радуга – это цветная дуга, видимая на фоне завесы ливневого дождя или полос падения дождя, часто не достигающих поверхности земли. Радуга видна в стороне небосвода, противоположной Солнцу, и обязательно при Солнце, не закрытом облаками. Такие условия чаще всего создаются при выпадении летних ливневых дождей.
Большинство людей, наблюдавших радугу много раз, не видят, а точнее не замечают дополнительных дуг в виде нежнейших цветных арок внутри первой и снаружи второй радуг. Эти цветные дуги неправильно названы дополнительными – в действительности они такие же основные, как первая и вторая радуги. Эти дуги не образуют целого полукруга или большой дуги и видны только в самых верхних частях радуги. Именно в этих дугах, а не в основных, сосредоточено наибольшее богатство чистых цветовых тонов.
Все радуги – это солнечный свет, разложенный на компоненты и перемещенный по небосводу таким образом, что он кажется исходящим от части небосвода, противоположной той, где находится Солнце.
Весь вид радуги – ширина дуг, наличие, расположение и яркость отдельных цветовых тонов, положение дополнительных дуг очень сильно зависят от размеров капель дождя.
По виду радуги можно приближенно оценить размеры капель дождя, образовавших эту радугу. В целом, чем крупнее капли дождя, тем радуга получается уже и ярче, особенно характерным для крупных капель является наличие насыщенного красного цвета в основной радуге. Многочисленные дополнительные дуги также имеют яркие тона и непосредственно, без промежутков, примыкают к основным радугам. Чем капли мельче, тем радуга становится более широкой и блеклой с оранжевым или желтым краем. С поверхности Земли мы можем наблюдать радугу в лучшем случае в виде половины круга, когда Солнце находится на горизонте. С самолета можно наблюдать радугу в виде целого круга.
- Светодиодное освещение
- Светодиодные экраны
- Светодиодные экраны
- Светодиоды
- Светодиоды и лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур
- Светоизлучающие диоды. Светодиодное освещение
- Светоизлучающие диоды. Светодиодное освещение
- Световые диоды
- Световые приборы автомобилей и сигнализации
- Световые явления
- Световые явления
- Световые явления
- Световые явления
- Световые явления в атмосфере
