Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Различные оптические (световые) явления в атмосфере обусловливаются тем, что световые лучи солнца и других небесных светил, проходя через атмосферу, испытывают рассеяние и дифракцию. В связи с этим в атмосфере возникает ряд удивительных по красоте оптических явлении:

цвет неба, окраска зари, сумерки, мерцание звезд, круги около видимого местоположения солнца и луны, радуга, мираж и др. Все они, отражая определенные физические процессы в атмосфере, очень тесно связаны с изменением и состоянием погоды и потому могут сложить хорошими местными признаками для ее предсказания.

Как известно, спектр солнечного света состоит из семи основных цветов, красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового Различные цвета лучей белого света смешаны в строго определенной пропорции. При всяком нарушении этой пропорции свет из белого превращается в окрашенный. Если лучи света падают на частицы, размеры которых меньше длин волн лучей, то они, согласно закону Рэлея, рассеиваются этими частицами обратно пропорционально длинам волн в четвертой степени. Этими частицами могут быть как молекулы газов, составляющих атмосферу, так и мельчайшие частицы пыли.

Одни и те же частицы рассеивают лучи различных цветов по- разному. Сильнее всего рассеиваются лучи фиолетовые, голубые и синие, слабее-красные. Именно поэтому небо окрашено в голубой цвет: у горизонта оно имеет светло-голубой тон, а в зените-почти синий.
Синие лучи, проходя слой атмосферы, сильно рассеиваются, красные же достигают поверхности земли почти совсем нерассеянными. Этим объясняется красный цвет солнечного диска на закате или сразу после восхода.

Когда же свет падает на частицы, диаметр которых почти равен длинам волн или больше их, то лучи всех цветов рассеиваются одинаково. В этом случае рассеянный и падающий свет будет одинакового цвета.
Поэтому если в атмосфере взвешены более крупные частицы, то к синему цвету неба, обусловленному рассеиванием молекул газов, прибавится белый цвет, и небо станет голубым с беловатым оттенком, усиливающимся по мере увеличения количества взвешенных в атмосфере частиц.
Такой цвет неба наблюдается, когда в воздухе содержится много пыли.
Цвет неба становится белесоватым, а при наличии в воздухе большого количеств продуктов конденсации водяных паров в виде капелек воды, кристалликов льда небо приобретает красноватый и оранжевый оттенок.
Такое явление обычно наблюдается при прохождении фронтов или циклонов, когда влага выносится мощными потоками воздуха высоко вверх.

Когда солнце находится вблизи горизонта, лучам света приходится проходить к поверхности земля длинный путь в слое воздуха, часто содержащем большое количество крупных частиц влаги и пыли. В этом случае голубой свет рассеивается очень слабо, сильнее рассеиваются красные и другие лучи, окрашивающие нижний слой атмосферы в различные яркие и бурые оттенки красного, желтого и других цветов в зависимости от запыленности, влажности и сухости воздуха.

С цветом неба тесно связано явление, называемое опалесцирующим помутнением воздуха. Явление опалесцирующего помутнения воздуха состоит в том, что отдаленные земные пред­меты кажется окутанными голубоватой дымкой (рассеянные фиолетовые, синие, голубые цвета).
Такое явление наблюдается в тех случаях, когда в воздухе находится во взвешенном (состоянии множество мельчайших частичек пыли диаметром менее 4 мк.

Многочисленными исследованиями цвета неба с помощью специального прибора (цианометра) и визуально установлена зависимость между цветом неба и характером воздушной массы. Оказалось, что существует прямая связь между этими двумя явлениями.
Глубокий синий цвет свидетельствует о нахождении в данном районе арктической массы воздуха, а белесоватый - запыленной континентальной и тропической. Когда в результате конденсации водяного пара в воздухе образуются частицы воды или кристаллики льда большего размера, чем молекулы воздуха, то они отражают все лучи одинаково, и небо приобретает беловатую или сероватую окраску.

Находящиеся в атмосфере твердые и жидкие частицы вызывают значительное помутнение воздуха и поэтому сильно уменьшают видимость. Под дальностью видимости в метеорологии понимают то предельное расстояние, на котором при данном состоянии атмосферы рассматриваемые предметы перестают быть различаемы.

Следовательно, цвет неба и видимость, зависящие во многом от размера частиц, находящихся в воздухе, позволяют судить о состоянии атмосферы и предстоящей погоде.

На этом основан ряд местных признаков предсказания погоды:

Темно-синеватое небо днем (только около солнца может быть слегка белесоватым), средняя или хорошая видимость и тихая погода оказывают на малое количество водяных паров в тропосфере, следовательно, можно ожидать, что антициклональная погода продлится 12 ч и более.

Белесоватое небо днем, средняя или плохая видимость указывают на наличие большого количества водяных паров, продуктов конденсации и пыли в тропосфере, т. е. здесь проходит периферия антициклона, соприкасающаяся с циклоном: можно ожидать перехода к циклональной погоде в ближайшие 6-12 ч.

Цвет неба, имеющий зеленоватый оттенок, указывает на большую сухость воздуха тропосферы; летом предвещает жаркую погоду, а зимой-морозную.

Ровное серое небо утром бывает перед ясной хорошей погодой, серый вечер и красное утро-перед ненастной ветреной погодой.

Белесоватый оттенок неба вблизи горизонта при небольшой высоте солнца (в то время как остальная часть неба имеет синий цвет) оказывает на небольшою влажность в тропосфере и предвещает хорошую погоду.

Постепенное уменьшение яркости и синевы неба, увеличение белесоватого пятна возле солнца, помутнение неба у горизонта, ухудшение видимости-признак приближения теплого фронта или фронта окклюзии теплого типа.

Если отдаленные предметы хорошо видны и не кажутся более близкими, чем они есть в действительности, можно ожидать антициклональной погоды.

Если отдаленные предметы видны отчётливо, но расстояние до них кажется ближе действительного, то значит в атмосфере большое количество водяных паров: нужно ждать ухудшения погоды.

Плохая видимость отдаленных предметов на побережье указывает на присутствие в нижнем слое воздуха большого ко­личества пыли и сложит признаком того, что в ближайшие 6-12 ч не следует ожидать осадков.

Большая прозрачность воздуха с дальностью видимости 20-50 км и больше-признак наличия в данном районе арктической воздушной массы

Ясная видимость луны с кажущимся выпуклым диском свидетельствует о большой влажности воздуха в тропосфере и служит признаком ухудшения погоды.

Хорошо видимый пепельный свет луны предвещает плохую погоду. Пепельным светом называется явление, когда в первые дни после новолуния, кроме узкого яркого серпа луны, виден весь ее полный диск, слабо освещенный светом, отраженным от земли.

Заря

Зарей называется цветовая окраска небесного свода при восходе и заходе солнца.

Разнообразие красок зари вызывается различным состоянием атмосферы. Цветные полосы зари, считая от горизонта, всегда наблюдаются в порядке цветов спектра красный, оранжевый, желтый, голубой.
Отдельные цвета могут совершенно отсутствовать, но порядок распределения никогда не меняется У горизонта ниже красного цвета может быть иногда серый грязно пурпурный цвет, кажущийся сиреневатым. Верхняя часть зари имеет либо белесоватый оттенок, либо голубой.

Основные факторы, влияющие на вид зари,-это продукты конденсации водяного пара и пыль, содержащиеся в атмосфере:

Чем больше влаги в воздухе, тем более ярко выражен красный цвет зари. Увеличение влажности воздуха наблюдается обычно перед приближением циклона, фронта, несущих ненастную погоду. Поэтому при ярких красных и оранжевых зорях можно ожидать влажную с сильными ветрами погоду. Преобладание желтых (золотистых) тонов зари свидетельствует о малом количестве влаги и большом количестве пыли в воздухе, что указывает на предстоящую сухую и ветреную погоду.

Яркие и багрово красные зори, похожие на зарево далекого пожара с мутными оттенками, указывают на большую влажность воздуха и являются признаком ухудшения погоды - приближения циклона, фронта в ближайшие 6-12 ч.

Преобладание ярко-желтых, а также золотистых и розовых тонов вечерней зари указывает на малую влажность воз духа; можно ожидать сухую, часто ветреную погоду.

Светло-красное (розовое) небо вечером указывает на маловетреную погоду без осадков.

Румяный вечер и серое утро предвещают ясный день и вечер со слабыми ветрами.

Чем нежнее красная окраска облаков при вечерней заре, тем благоприятнее будет предстоящая погода.

Желтовато коричневая заря зимой во время морозов указывает на их сохранение и возможное усиление.

Мутная желтовато розовая вечерняя заря-признак вероятного ухудшения погоды.

Если солнце, приближаясь к горизонту, мало меняет свои обычный беловато-желтый цвет и заходит очень ярким, что связано с большой прозрачностью атмосферы, малым содержанием влаги и пыли, то хорошая погода сохранится.

Если солнце перед заходом до горизонта или при восходе в момент появления его края дает вспышку ярко зеленого луча, то надо ожидать сохранения устойчивой ясной тихой погоды; если удалось заметить при этом синий луч, то можно ожидать. Особенно тихую и ясную погоду. Продолжительность вспышки зеленого луча- не более 1-3 сек.

Преобладание зеленоватых оттенков во время вечерней зари указывает на длительную сухую ясную погоду.

Светлая серебристая полоска без всяких резких границ, долго заметная у горизонта при безоблачном небе после захода солнца, предвещает продолжительную тихую антициклональную погоду.

Нежное розовое освещение неподвижных перистых облаков во время захода сольца при отсутствии других облаков- надежный признак установившейся антициклональной погоды.

Преобладание в вечерней заре ярко красной окраски, которая долго удерживается при дальнейшем опускании солнца за горизонт, служит признаком приближения теплого фронта или фронта окклюзии теплого типа, надо ожидать продолжи тельную ненастную ветреную погоду.

Нежно розовая заря в виде круга над зашедшим за горизонт солнцем-хорошая устойчивая погода. Если окраска круга становится розово красной, возможны осадки и усиление ветра.

Расцветка зари тесно связана с природой воздушной массы. В таблице, составленной для умеренных широт европейской части СНГ указана связь расцветки зари с воздушными массами по Н. И. Кучерову:

Заход солнца

Так как циклоны движутся преимущественно от западных румбов, то признаком приближения циклона обычно служит появление облаков на западной половине небосвода, и если это происходит вечером, то солнце заходит в облака. Но при этом надо учитывать последовательность облачных форм, которая связана с циклонами, атмосферными фронтами.

Если солнце заходит за низкое сплошное облако, выде­ляющееся резко на фоне зеленоватого или желтоватого неба, то это признак предстоящей хорошей (сухой, тихой и ясной) погоды.

Если солнце заходит при сплошной низкой облачности и если на горизонте и над облачностью наблюдаются слои перистых или перисто-слоистых облаков, то выпадут осадки, наступит ветреная циклональная погода в ближайшие 6-12 ч.

Заход солнца за темные плотные облака с красной окраской по краям предвещает циклональную погоду.

Если после захода солнца на востоке отчетливо виден темный постепенно распространяющийся вверх конус с широкой размытой оранжевой каймой - тень земли, то со стороны захода солнца приближается циклон.

Тень земли на востоке после захода солнца - серо-сизая, без цветной окраски края или с бледно-розовой окраской - признак сохранения антициклональной погоды.

Так называют пучок отдельных светлых лучей или полос, вы­ходящих из-за облаков, закрывающих солнце. Лучи солнца проходят через просветы между облаками, освещают водяные капельки, парящие в воздухе во взвешенном состоянии, и дают пучок светлых полос в виде лент (лучи Будды).

Поскольку это сияние наблюдается благодаря присутствию в воздухе большого количества мелких водяных капель, то оно предвещает дождливую, ветреную циклональную погоду.

Сияние выходящее из-за темного облака, за которым находится солнце -признак наступления в ближайшие 3-6 ч ветреной погоды с дождем.

Сияние из-за облаков желтого цвета, наблюдаемое не­посредственно после прошедшего дождя, предвещает скорое возобновление дождя и усиление ветра.

Красный цвет солнца, луны и других небесных светил указывает на большую влажность в атмосфере, т.е. установление в ближайшие 6-10 ч циклональной погоды с сильным ветром и осадками.

Красноватый цвет затемненного диска солнца вместе с голубоватой окраской отдаленных предметов (гор и т.п.) - признак распространения запыленного тропического воздуха, нужно ожидать скорого значительного повышения температуры воздуха.

Наблюдая небесный свод с открытого места (например, в море), можно заметить, что он имеет форму полушария, но сплюснутого по вертикальному направлению. Часто кажется, что расстояние от наблюдателя до горизонта в три четыре раза больше, чем до зенита.

Объясняется это следующим. При взгляде вверх, не откидывая головы назад, предметы представляются нам укороченными по сравнению с теми, которые находятся в горизонтальном положении.

Например, поваленные столбы или деревья кажутся длиннее расположенных вертикально. По горизонтальному направлению действует атмосферная перспектива, вследствие которой предметы, окутанные дымкой (от пыли и восходящих токов), кажутся менее освещенными и потому более отдаленными.

Кажущаяся сплюснутость небесного свода изменяется в зависимости от условии погоды. Большая прозрачность атмосферы и высокая влажность воздуха увеличивают сплюснутость небосвода.

Сплюснутый, низкий небесный свод наблюдается перед циклональной погодой.

Высокий небесный свод наблюдается в центральных районах антициклонов; можно ожидать, что хорошая погода антициклонального характера сохранится в течение 12 ч и более.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока: сформировать представление об оптических явлениях в атмосфере..

Планируемый результат: учащиеся должны знать / понимать и объяснять как возникают атмосферные явления, связанные с отражением солнечного света; явления, связанные с электричеством.

Основные термины и понятия: оптические явления в атмосфере, радуга, мираж, гало, полярное сияние, молния, “Огни Святого Эльма”.

Ресурсы:
– учебник – стр. 106–109;
– электронное приложение к учебнику;
– презентация к уроку.

Оборудование:
– Проектор;
– Экран;
– Компьютер у учителя;
– Ноутбуки на каждой парте;
– Сосуд в восточном стиле;
– Костюм для Старика Хоттабыча.

Ход урока

–Есть ли, дети, одеяло,
Чтоб всю Землю укрывало?
Чтоб его на всех хватало,
Да при том не видно было?
Не сложить, не развернуть,
Не пощупать, не взглянуть?
Пропускало б дождь и свет,
Есть, а вроде бы и нет?
– Что это за одеяло? (Атмосфера-воздушная оболочка Земли.)

И мы продолжаем с вами изучать тему “Атмосфера”. Вначале я вам задам несколько вопросов:

1. Из чего состоит атмосфера Земли? (Смесь газов, мельчайших капель воды и кристалликов льда, пыль, сажа, органические вещества.)

2. В каком виде влага содержится в воздухе? (Вод. пар, капельки воды и кристаллики льда.)

3. Атмосфера не однородна, в ней выделяется несколько слоев? (Тропо-страто-мезо-термо-экзо-ионосфера.)

4. В каких слоях возникает полярное сияние? (Ионосфера.)

– Полярное сияние, молнии, миражи пугали в древности людей. Сегодня ученым удалось раскрыть тайны этих загадочных явлений. И тема нашего урока “Оптические явления в атмосфере”.

А что это за загадочный сосуд стоит у меня на столе? Вы не знаете? Давайте посмотрим?

(Открывает сосуд, из него валит дым, появляется старик Хоттабыч.)

– Апчхи! Приветствую тебя, о мудрый мой повелитель! (Д алее слова Хоттабыча , которого играет один из учащихся, выделены подчеркнутым шрифтом. )
– Вы откуда? Вы из театра?
– О, нет, мой повелитель! Я вот из этого сосуда!
– Так Вы..?
– Да, Я – могучий и прославленный во всех четырех странах света джинн Гассан Абдурахман ибн Хоттаб, то есть сын Хоттаба!
– Хоттабыч?!
– А кто эти прекрасные отроки?
– А это ученики 6 "А" класса, и у нас сейчас урок географии.
– Урок географии! Знайте же, о прекраснейшие из прекрасных, что вам неслыханно повезло, ибо я богат знаниями по географии. Я научу вас, и вы прославитесь среди учеников своей школы и среди учеников всех школ вашего края!
– Мы очень рады этому, уважаемый Хоттабыч .
– А что это за волшебные черные коробочки, которые лежат перед вами?
– Это компьютеры, с помощью которых современные дети изучают географию. Я приглашаю Вас, уважаемый Хоттабыч, сегодня поработать с нами. А ребят я попрошу открыть экран урока "Оптические явления в Атмосфере. Как вы думаете, что же такое оптические явления? (световые, зрительные).
Сегодня мы познакомимся с некоторыми оптическими явлениями, заполним таблицу, которая лежит перед вами. Ну а наш уважаемый Хоттабыч расскажет нам, как древние ученые представляли то или иное явление.

Итак, начинаем!

Явления, связанные с отражением солнечного света.

Радуга – Прошел летний дождь, и вновь засияло солнце. И как по волшебству в небе появилась радуга-дуга.

Я знаю, радугу создал Бог древнего Вавилона в знак того, что он решил прекратить всемирный потоп.

А что по этому поводу думают современные ученые?

Солнечный свет кажется нам белым, но в действительности он состоит из световых волн 7 цветов: красного, оранжевого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Проходя сквозь капли воды, солнечный луч преломляется и распадается на разные цвета. Вот отчего после дождя или около водопадов можно наблюдать радугу. (делают запись в таблице).

– Многие путешественники по пустыням становятся свидетелями другого атмосферного явления – Миража.

Древние египтяне верили, что мираж– это призрак страны, которой больше нет на свете.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию)

Почему же возникают миражи? Это происходит, когда раскаленный над поверхностью воздух поднимается вверх. Его плотность начинает возрастать. Воздух при различной температуре обладает различной плотностью, и луч света, переходя из слоя в слой, будет изгибаться, зрительно приближая объект. М. возникают над раскаленной(пустыня, асфальт), либо, напротив, над охлажденной поверхностью (водой).-записи.

Гало. В морозную погоду вокруг Солнца и Луны появляются ярко выраженные кольца – Гало .

– Это значит, что в это время происходит шабаш ведьм.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Они возникают, когда свет отражается в кристаллах льда перисто-слоистых облаков. Венцы – несколько вложенных в друг друга колец.(Записи.)
Воздух не проводит электричество, но в некоторых случаях обнаруживается, что он просто переполнен электричеством.

Явления, связанные с электричеством.

Полярное сияние – Жители приполярных районов могут любоваться Полярным сиянием.

– Это самосветящийся воздух выходит через дырку в Земле.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Солнце посылает на Землю поток электрически заряженных частиц, которые сталкиваются с частичками воздуха и начинают светиться.(Записи.)

Молния –"Летит огневая стрела, никто ее не поймает-ни царь, ни царица, ни красна девица.

– Это Бог Перунпоражает своим каменным оружием змея.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Видимый электрический разряд между облаками, или между облаком и землей. Молния – гром. Воздух может нагреться внутри молнии до 30.000 гр.(это в 5 раз больше, чем на поверхности Солнца.)

Виды молнии(линейная и шаровая), чем опасны?(Записи.)

Другое явление, связанное с электрическим свечением атмосферы

"Огни Святого Эльма".

– Моряки считают его дурным знаком.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Сегодня мы с вами познакомились с некоторыми необычными явлениями в природе.

– Благодаря Хоттабычу мы узнали о взглядах древних на оптические явления в атмосфере.

– Ну а я узнал, как ваши современные ученые объясняют многие загадочные явления.

(Если будет время: я предлагаю вам проверить себя с помощью теста.)

Сегодня вы поработали хорошо, тема эта очень сложная, и более глубоко вы ее будете изучать в курсе физики в 10–11 классе.

Д.З. : выполнить тест к этому уроку.

Для желающих: из дополнительных источников информации узнайте, какие необычные атм. явления когда-либо проходили в вашей местности. Как они описаны?

1. Оптические явления в атмосфере были первыми оптическими эффектами, которые наблюдались человеком. С осмысления природы этих явлений и природы зрения человека начиналось становление проблемы света.

Общее число оптических явлений в атмосфере очень велико. Здесь будут рассмотрены лишь наиболее известные явления – миражи, радуга, гало, венцы, мерцания звёзд, голубой цвет неба и алый цвет зари . Образование этих эффектов связано с такими свойствами света как преломление на границах раздела сред, интерференция и дифракция.

2. Атмосферная рефракция – это искривление световых лучей при прохождении через атмосферу планеты . В зависимости от источников лучей различают астрономическую и земную рефракцию. В первом случае лучи идут от небесных тел (звёзд, планет), во втором случае – от земных объектов. В результате атмосферной рефракции наблюдатель видит объект не там, где он находится, или не той формы, какую он имеет.

3. Астрономическая рефракция была известна уже во времена Птолемея (2 в. н.э.). В 1604 г. И. Кеплер предположил, что земная атмосфера имеет независимую от высоты плотность и определённую толщину h (рис.199). Луч 1, идущий от звёзды S прямо к наблюдателю A по прямой, не попадёт в его глаз. Преломившись на границе вакуума и атмосферы, он попадёт в точку В .

В глаз наблюдателя попадёт луч 2, который при отсутствии преломления в атмосфере должен был бы пройти мимо. В результате преломления (рефракции) наблюдатель будет видеть звезду не в направлении S , а на продолжении преломлённого в атмосфере луча, то есть в направлении S 1 .

Угол γ , на который отклоняется к зениту Z видимое положение звезды S 1 по сравнению с истинным положением S , называют углом рефракции . Во времена Кеплера углы рефракции были уже известны по результатам астрономических наблюдений некоторых звёзд. Поэтому данную схему Кеплер использовал для оценки толщины атмосферы h . По его вычислениям получилось h » 4 км. Если считать по массе атмосферы, то это примерно в два раза меньше истинного.

В действительности плотность атмосферы Земли уменьшается с высотой. Поэтому нижние слои воздуха оптически плотнее, чем верхние. Лучи света, идущие наклонно к Земле, преломляются не в одной точке границы вакуума и атмосферы, как в схеме Кеплера, а искривляются постепенно на всём протяжении пути. Это подобно тому, как проходит луч света через стопу прозрачных пластинок, показатель преломления которых тем больше, чем ниже расположена пластинка. Однако суммарный эффект рефракции проявляется так же, как и в схеме Кеплера. Отметим два явления, обусловленные астрономической рефракцией.

а. Видимые положения небесных объектов смещаются к зениту на угол рефракции γ . Чем ниже к горизонту находится звезда, тем заметнее приподнимается её видимое положение на небосклоне по сравнению с истинным (рис.200). Поэтому картина звёздного неба, наблюдаемая с Земли, несколько деформирована к центру. Не смещается только точка S , находящаяся в зените. Благодаря атмосферной рефракции могут наблюдаться звёзды, находящиеся несколько ниже линии геометрического горизонта.

Значения угла рефракции γ быстро убывают с ростом угла β высоты светила над горизонтом. При β = 0 γ = 35" . Это максимальный угол рефракции. При β = 5º γ = 10" , при β = 15º γ = 3" , при β = 30º γ = 1" . Для светил, высота которых β > 30º, рефракционное смещение γ < 1" .

б. Солнце освещает больше половины поверхности земного шара . Лучи 1 - 1, которые должны были бы в отсутствие атмосферы касаться Земли в точках диаметрального сечения DD , благодаря атмосфере касаются её несколько раньше (рис.201).

Поверхности Земли касаются лучи 2 - 2, которые без атмосферы прошли бы мимо. В результате линия терминатора ВВ , отделяющая свет от тени, смещается в область ночного полушария. Поэтому площадь дневной поверхности на Земле больше площади ночной.

4. Земная рефракция . Если явления астрономической рефракции обусловлены глобальным преломляющим эффектом атмосферы , то явления земной рефракции обусловлены локальными изменениями атмосферы , связанными обычно с температурными аномалиями. Наиболее замечательными проявлениями земной рефракции являются миражи .

а. Верхний мираж (от фр. mirage ). Наблюдается обычно в арктических районах с прозрачным воздухом и с низкой температурой поверхности Земли. Сильное выстывание поверхности здесь обусловлено не только низким положением солнца над горизонтом, но и тем, что поверхность, покрытая снегом или льдом, отражает большую часть радиации в космос. В результате в приземном слое с приближением к поверхности Земли очень быстро понижается температура и увеличивается оптическая плотность воздуха.

Искривление лучей в сторону Земли оказывается иногда столь значительным, что наблюдаются предметы, находящиеся далеко за линией геометрического горизонта. Луч 2 на рис.202, который в обычной атмосфере ушёл бы в её верхние слои, в данном случае искривляется к Земле и попадает в глаз наблюдателя.

По-видимому, именно такой мираж представляет собой легендарные “Летучие голландцы” - призраки кораблей, находящихся в действительности на расстоянии в сотни и даже тысячи километров. Удивительно в верхних миражах то, что не наблюдается заметного уменьшения видимых размеров тел.

Например, в 1898 г. экипаж бременского судна “Матадор” наблюдал судно-призрак, видимые размеры которого соответствовали расстоянию 3-5 миль. В действительности, как позднее выяснилось, это судно находилось в это время на расстоянии около тысячи миль. (1 морская миля равна 1852 м). Приземный воздух не только искривляет световые лучи, но и фокусирует их как сложная оптическая система.

В обычных условиях температура воздуха с увеличением высоты падает. Обратный ход температуры, когда с увеличением высоты температура растёт, называют инверсией температуры . Температурные инверсии могут возникать не только в арктических зонах, но и в других, более низких по широте местах. Поэтому верхние миражи могут возникать всюду, где воздух достаточно чист и где возникают температурные инверсии. Например, миражи дальнего видения наблюдаются иногда на побережье Средиземного моря. Инверсия температуры создаётся здесь горячим воздухом из Сахары.

б. Нижний мираж возникает при обратном ходе температуры и наблюдается обычно в пустынях в жаркое время. К полудню, когда солнце высоко, песчаный грунт пустыни, состоящий из частиц твёрдых минералов, разогревается до 50 и более градусов. В то же время на высоте нескольких десятков метров воздух остаётся сравнительно холодным. Поэтому коэффициент преломления выше расположенных слоёв воздуха оказывается заметно больше по сравнению с воздухом возле земли. Это также приводит к искривлению лучей, но в обратную сторону (рис.203).

Лучи света, идущие от низко расположенных над горизонтом частей неба, находящихся напротив наблюдателя, постоянно искривляются кверху и попадают в глаз наблюдателя в направлении снизу вверх. В результате на их продолжении на поверхности земли наблюдатель видит отражение неба, напоминающее водную гладь. Это так называемый “озёрный” мираж.

Эффект ещё более усиливается, когда в направлении наблюдения находятся скалы, возвышенности, деревья, постройки. В этом случае они видны как острова посреди обширного озера. Причём виден не только предмет, но и его отражение. По характеру искривления лучей приземный слой воздуха действует как зеркало водной поверхности.

5. Радуга . Это красочное оптическое явление, наблюдающееся во время дождя, освещённого солнцем и представляющее собой систему концентрических цветных дуг .

Первую теорию радуги разработал Декарт в 1637 г. К этому времени были известны следующие опытные факты, относящиеся к радуге:

а. Центр радуги О находится на прямой, соединяющей Солнце с глазом наблюдателя (рис.204).

б. Вокруг линии симметрии Глаз - Солнце располагается цветная дуга с угловым радиусом около 42°. Цвета располагаются, считая от центра, в порядке: голубой (г), зелёный (з), красный (к) (группа линий 1). Это главная радуга . Внутри главной радуги имеются слабые разноцветные дуги красноватого и зеленоватого оттенков.

в. Вторая система дуг с угловым радиусом около 51° называется вторичной радугой. Её цвета значительно бледнее и идут в обратном порядке, считая от центра, красный, зелёный, голубой (группа линий 2) .

г. Главная радуга появляется лишь тогда, когда солнце находится над горизонтом под углом не более 42°.

Как установил Декарт, основной причиной образования главной и вторичной радуги является преломление и отражение световых лучей в каплях дождя. Рассмотрим основные положения его теории.

6. Преломление и отражение монохроматического луча в капле . Пусть монохроматический луч интенсивностью I 0 падает на сферическую каплю радиуса R на расстоянии y от оси в плоскости диаметрального сечения (рис.205). В точке падения A часть луча отражается, а основная часть интенсивностью I 1 проходит внутрь капли. В точке B большая часть луча проходит в воздух (на рис.205 вышедший в В луч не показан), а меньшая часть отражается и падает в точку С . Вышедший в точке С луч интенсивностью I 3 участвует в образовании главной радуги и слабых вторичных полос внутри главной радуги.

Найдём угол θ , под которым выходит луч I 3 по отношению к падающему лучу I 0 . Заметим, что все углы между лучом и нормалью внутри капли одинаковы и равны углу преломления β . (Треугольники ОАВ и ОВС равнобедренные). Сколько бы луч не “кружился” внутри капли, все углы падения и отражения одинаковы и равны углу преломления β . По этой причине любой луч, выходящий из капли в точках В , С и т.д., выходит под одним и тем же углом, равным углу падения α .

Чтобы найти угол θ отклонения луча I 3 от первоначального, надо просуммировать углы отклонения в точках А , В и С : q = (α – β) + (π – 2β) + (α - β) = π + 2α – 4β . (25.1)

Удобнее измерять острый угол φ = π – q = 4β – 2α . (25.2)

Выполнив расчёт для нескольких сот лучей, Декарт нашёл, что угол φ с ростом y , то есть по мере удаления луча I 0 от оси капли, сначала растёт по абсолютной величине, при y /R ≈ 0,85 принимает максимальное значение, а затем начинает убывать.

Сейчас это предельное значение угла φ можно найти, исследовав функцию φ на экстремум по у . Так как sinα = yçR , а sinβ = yçR ·n , то α = arcsin(yçR ), β = arcsin(yçRn ). Тогда

, . (25.3)

Разнеся члены в разные части равенства и возведя в квадрат, получаем:

, Þ (25.4)

Для жёлтой D -линии натрия λ = 589,3 нм показатель преломления воды n = 1,333. Расстояние точки А вхождения этого луча от оси y = 0,861R . Предельный угол для этого луча равен

Интересно, что точка В первого отражения луча в капле также максимально удалена от оси капли. Исследовав на экстре-мум угол d = p – α – ε = p – α – (p – 2β ) = 2β – α по величине у , получаем то же условие, у = 0,861R и d = 42,08°/2 = 21,04°.

На рис.206 показана зависимость угла φ , под которым из капли выходит луч после первого отражения (формула 25.2), от положения точки А входа луча в каплю. Все лучи отражаются внутри конуса с углом при вершине ≈ 42º.

Очень важно для образования радуги то, что лучи, вошедшие в каплю в цилиндрическом слое толщиной уçR от 0,81 до 0,90 , выходят после отражения в тонкой стенке конуса в угловых пределах от 41,48º до 42,08º. Снаружи стенка конуса гладкая (есть экстремум угла φ ), изнутри – рыхлая. Угловая толщина стенки ≈ 20 угловых минут. Для проходящих лучей капля ведёт себя как линза с фокусным расстоянием f = 1,5R . Входят в каплю лучи по всей поверхности первого полушария, отражаются назад расходящимся пучком в пространстве конуса с осевым углом ≈ 42º, а проходят через окно с угловым радиусом ≈ 21º (рис.207).

7. Интенсивность вышедших из капли лучей . Здесь будем говорить лишь о лучах, вышедших из капли после 1-го отражения (рис.205). Если луч, падающий на каплю под углом α , имеет интенсивность I 0 , то прошедший в каплю луч имеет интенсивность I 1 = I 0 (1 – ρ ), где ρ – коэффициент отражения по интенсивности.

Для неполяризованного света коэффициент отражения ρ можно вычислить по формуле Френеля (17.20). Поскольку в формулу входят квадраты функций от разности и суммы углов α и β , то коэффициент отражения не зависит от того, в каплю входит луч, или из капли. Поскольку углы α и β в точках А , В , С одинаковы, то и коэффициент ρ во всех точках А , В , С один и тот же. Отсюда, интенсивности лучей I 1 = I 0 (1 – ρ ), I 2 = I 1 ρ = I 0 ρ (1 – ρ ), I 3 = I 2 (1 – ρ ) = I 0 ρ (1 – ρ ) 2 .

В таблице 25.1 приведены значения углов φ , коэффициента ρ и отношения интенсивности I 3 çI 0 , вычисленные при разных расстояниях уçR входа луча для жёлтой линии натрия λ = 589,3 нм. Как видно из таблицы, при у ≤ 0,8R в луч I 3 попадает меньше 4 % энергии от падающего на каплю луча. И лишь начиная с у = 0,8R и более вплоть до у = R интенсивность вышедшего луча I 3 увеличивается в несколько раз.

Таблица 25.1
y /R	α ,º	β ,º	φ ,º	ρ	I 3 /I 0
0	0	0	0	0,020	0,019
0,30	17,38	12,94	16,99	0,020	0,019
0,50	29,87	21,89	27,82	0,021	0,020
0,60	36,65	26,62	33,17	0,023	0,022
0,65	40,36	29,01	35,34	0,025	0,024
0,70	44,17	31,52	37,73	0,027	0,025
0,75	48,34	34,09	39,67	0,031	0,029
0,80	52,84	36,71	41,15	0,039	0,036
0,85	57,91	39,39	42,08	0,052	0,046
0,90	63,84	42,24	41,27	0,074	0,063
0,95	71,42	45,20	37,96	0,125	0,095
1,00	89,49	48,34	18,00	0,50	0,125

Итак, лучи, выходящие из капли под предельным углом φ , имеют значительно большую по сравнению с другими лучами интенсивность по двум причинам. Во-первых, за счёт сильного углового сжатия пучка лучей в тонкой стенке конуса, а во-вторых, за счёт меньших потерь в капле. Лишь интенсивность этих лучей достаточна для того, чтобы вызвать в глазу ощущение блеска капли.

8. Образование главной радуги . При падении на каплю света вследствие дисперсии луч расщепляется. В результате стенка конуса яркого отражения расслаивается по цветам (рис.208). Фиолетовые лучи (l = 396,8 нм) выходят под углом j = 40°36", красные (l = 656,3 нм) – под углом j = 42°22". В этом угловом интервале Dφ = 1°46" заключён весь спектр выходящих из капли лучей. Фиолетовые лучи образуют внутренний конус, красные – внешний. Если освещённые солнцем дождевые капли видит наблюдатель, то те из них, лучи конуса которых попадают в глаз, видятся наиболее яркими. В итоге все капли, находящиеся по отношению к солнечно-му лучу, проходящему через глаз наблюдателя, под углом красного конуса, видятся красными, под углом зелёного -зелёными (рис.209).

9. Образование вторичной радуги происходит благодаря лучам, выходящим из капли после второго отражения (рис.210). Интенсивность лучей после второго отражения примерно на порядок меньше по сравнению с лучами после первого отражения и имеет примерно такой же ход с изменением уçR .

Лучи, выходящие из капли после второго отражения образуют конус с углом при вершине ≈ 51º. Если у первичного конуса гладкая сторона снаружи, то у вторичного изнутри. Между этими конусами практически нет лучей. Чем крупнее капли дождя, тем ярче радуга. С уменьшением размеров капель радуга бледнеет. При переходе дождя в морось с R ≈ 20 – 30 мкм радуга вырождается в белесоватую дугу с практически неразличимыми цветами.

10. Гало (от греч. halōs - кольцо) – оптическое явление, представляющее собой обычно радужные круги вокруг диска Солнца или Луны с угловым радиусом 22º и 46º. Эти круги образуются в результате преломления света находящимися в перистых облаках ледяными кристаллами, имеющими форму шестигранных правильных призм.

Снежинки, падающие на землю, очень разнообразны по форме. Однако кристаллики, образующиеся в результате конденсации паров в верхних слоях атмосферы, имеют, в основном, форму шестигранных призм. Из всех возможных вариантов прохождения луча через шестигранную призму наиболее важны три (рис.211).

В случае (а) луч проходит через противоположные парал-лельные грани призмы, не расщепляясь и не отклоняясь.

В случае (б) луч проходит через грани призмы, образующие между собой угол 60º, и преломляется как в спектральной призме. Интенсивность луча, выходящего под углом наименьшего отклонения 22º, максимальна. В третьем случае (в) луч проходит через боковую грань и основание призмы. Преломляющий угол 90º, угол наименьшего отклонения 46º. В обоих последних случаях белые лучи расщепляются, голубые лучи отклоняются больше, красные – меньше. Случаи (б) и (в) обуславливают появление колец, наблюдающихся в проходящих лучах и имеющих угловые размеры 22º и 46º (рис.212).

Обычно наружное кольцо (46º) ярче внутреннего и оба они имеют красноватый оттенок. Это объясняется не только интенсивным рассеиванием голубых лучей в облаке, но и тем, что дисперсия голубых лучей в призме больше, чем красных. Поэтому голубые лучи выходят из кристаллов сильно расходящимся пучком, из-за чего их интенсивность уменьшается. А красные лучи выходят узким пучком, имеющим значительно большую интенсивность. При благоприятных условиях, когда удаётся различать цвета, внутренняя часть колец красная, внешняя – голубая.

10. Венцы – светлые туманные кольца вокруг диска светила. Их угловой радиус много меньше радиуса гало и не превышает 5º. Венцы возникают вследствие дифракционного рассеяния лучей на образующих облако или туман водяных каплях.

Если радиус капли R , то первый дифракционный минимум в параллельных лучах наблюдается под углом j = 0,61∙lçR (см. формулу 15.3). Здесь l - длина волны света. Дифракционные картины отдельных капель в параллельных лучах совпадают, в результате интенсивность светлых колец усиливается.

По диаметру венцов можно определять размер капель в облаке. Чем крупнее капли (больше R ), тем меньше угловой размер кольца. Самые большие кольца наблюдаются от самых мелких капель. На расстояниях несколько километров дифракционные кольца ещё заметны, когда размер капель не менее 5 мкм. В этом случае j max = 0,61lçR ≈ 5 ¸ 6°.

Окраска светлых колец венцов проявляется очень слабо. Когда она заметна, то наружный край колец имеет красноватый цвет. То есть распределение цветов в венцах обратно распределению цветов в кольцах гало. Помимо угловых размеров это также позволяет различать венцы и гало между собой. Если в атмосфере присутствуют капли широкого спектра размеров, то кольца венцов, налагаясь друг на друга, образуют общее светлое сияние вокруг диска светила. Это сияние называют ореолом .

11. Голубой цвет неба и алый цвет зари . Когда Солнце находится выше горизонта, безоблачное небо видится голубым. Дело в том, что из лучей солнечного спектра в соответствии с законом Рэлея I расс ~ 1/l 4 наиболее интенсивно рассеиваются короткие синие, голубые и фиолетовые лучи.

Если Солнце находится низко над горизонтом, то его диск воспринимается багрово-красным по этой же причине. Благодаря интенсивному рассеянию коротковолнового света до наблюдателя доходят, в основном, слабо рассеивающиеся красные лучи. Рассеяние лучей от восходящего или заходящего Солнца особенно велико ещё потому, что лучи проходят большое расстояние вблизи поверхности Земли, где концентрация рассеивающих частиц особенно велика.

Утренняя или вечерняя заря – окрашивание близкой к Солнцу части неба в розовый цвет – объясняется дифракционным рассеянием света на кристалликах льда в верхних слоях атмосферы и геометрическим отражением света от кристаллов.

12. Мерцание звёзд – это быстрые изменения блеска и цвета звёзд, особенно заметные вблизи горизонта. Мерцание звёзд обусловлено преломлением лучей в быстро пробегающих струях воздуха, которые из-за разной плотности имеют разный показатель преломления. В результате слой атмосферы, через который проходит луч, ведёт себя как линза с переменным фокусным расстоянием. Она может быть как собирающей, так и рассеивающей. В первом случае свет концентрируется, блеск звезды усиливается, во втором – свет рассеивается. Такая перемена знака регистрируется до сотни раз в секунду.

Вследствие дисперсии луч разлагается на лучи разных цветов, которые идут по разным путям и могут расходиться тем больше, чем ниже звезда к горизонту. Расстояние между фиолетовыми и красными лучами от одной звезды может достигать у поверхности Земли 10 метров. В результате наблюдатель видит непрерывное изменение блеска и цвета звезды.

Многообразие оптических явлений в атмосфере обусловлено различными причинами. К наиболее распространенным феноменам относятся молния и весьма живописные северное и южное полярные сияния. Кроме того, особенно интересны радуга, гало, паргелий (ложное солнце) и дуги, корона, нимбы и призраки Броккена, миражи, огни святого Эльма, светящиеся облака, зеленые и сумеречные лучи. Радуга - самое красивое атмосферное явление. Обычно это огромная арка, состоящая из разноцветных полос, наблюдаемая, когда Солнце освещает лишь часть небосвода, а воздух насыщен капельками воды, например во время дождя. Разноцветные дуги располагаются в последовательности спектра (красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая), однако цвета почти никогда не бывают чистыми, поскольку полосы взаимно перекрываются. Как правило, физические характеристики радуг существенно различаются, поэтому и по внешнему виду они весьма разнообразны. Их общей чертой является то, что центр дуги всегда располагается на прямой, проведенной от Солнца к наблюдателю. лавная радуга представляет собой дугу, состоящую из наиболее ярких цветов - красного на внешней стороне и фиолетового - на внутренней. Иногда видна только одна дуга, но часто с внешней стороны основной радуги появляется побочная. Она имеет не столь яркие цвета, как первая, а красная и фиолетовая полосы в ней меняются местами: красная располагается с внутренней стороны.

Образование главной радуги объясняется двойным преломлением и однократным внутренним отражением лучей солнечного света. Проникая внутрь капли воды (А), луч света преломляется и разлагается, как при прохождении сквозь призму. Затем он достигает противоположной поверхности капли, отражается от нее и выходит из капли наружу. При этом луч света прежде, чем достичь наблюдателя, преломляется вторично. Исходный белый луч разлагается на лучи разных цветов с углом расхождения 2?. При образовании побочной радуги происходит двойное преломление и двойное отражение солнечных лучей. В этом случае свет преломляется, проникая внутрь капли через ее нижнюю часть, и отражается от внутренней поверхности капли сначала в точке В, затем в точке С. В точке D свет преломляется, выходя из капли в сторону наблюдателя. Когда дождь или водяная пыль образуют радугу, полный оптический эффект достигается за счет суммарного воздействия всех капелек воды, пересекающих поверхность конуса радуги с наблюдателем в вершине. Роль каждой капли мимолетна. Поверхность конуса радуги состоит из нескольких слоев. Быстро пересекая их и проходя при этом через серию критических точек, каждая капля мгновенно разлагает солнечный луч на весь спектр в строго определенной последовательности - от красного до фиолетового цвета. Множество капель таким же образом пересекает поверхность конуса, так что радуга представляется наблюдателю непрерывной как вдоль, так и поперек ее дуги. Гало - белые или радужные световые дуги и окружности вокруг диска Солнца или Луны. Они возникают вследствие преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега. Кристаллы, формирующие гало, располагаются на поверхности воображаемого конуса с осью, направленной от наблюдателя (из вершины конуса) к Солнцу. При некоторых условиях атмосфера бывает насыщена мелкими кристаллами, многие грани которых образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы. Такие грани отражают поступающие лучи света с отклонением на 22?, образуя красноватое с внутренней стороны гало, но оно может состоять и из всех цветов спектра. Реже встречается гало с угловым радиусом 46?, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае на образующих прямые углы гранях кристаллов. Ширина кольца такого гало превышает 2,5?. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен. Паргелии и дуги. Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Причиной его образования служит отражение солнечного света от граней поверхностей кристаллов льда. Если кристаллы достаточно равномерно распределены в воздухе, становится видимым полный круг. Паргелии, или ложные солнца, - это ярко светящиеся пятна, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического круга с гало, имеющими угловые радиусы 22?, 46? и 90?. Наиболее часто образующийся и самый яркий паргелий формируется на пересечении с 22-градусным гало, обычно окрашенный почти во все цвета радуги. Ложные солнца на пересечениях с 46- и 90-градусными гало наблюдаются гораздо реже. Паргелии, возникающие на пересечениях с 90-градусными гало, называются парантелиями, или ложными противосолнцами. Иногда виден также антелий (противосолнце) - яркое пятно, расположенное на кольце паргелия точно напротив Солнца. Предполагается, что причиной возникновения этого явления служит двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении. Околозенитная дуга, иногда неверно называемая верхней касательной дугой 46-градусного гало, - это дуга в 90? или меньше с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46?. Она бывает видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, причем красный цвет приурочен к внешней стороне дуги. Околозенитная дуга примечательна своей расцветкой, яркостью и четкими очертаниями. Еще один любопытный и очень редкий оптический эффект типа гало - дуги Ловица. Они возникают как продолжение паргелиев на пересечении с 22-градусным гало, проходят с внешней стороны гало и слегка вогнуты в сторону Солнца. Столбы беловатого света, как и разнообразные кресты, иногда видны на рассвете или на закате, особенно в полярных регионах, и могут сопутствовать как Солнцу, так и Луне. Временами наблюдаются лунные гало и другие эффекты, подобные описанным выше, причем наиболее обычное лунное гало (кольцо вокруг Луны) имеет угловой радиус 22?. Подобно ложным солнцам, могут возникать ложные луны. Короны, или венцы, - небольшие концентрические цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Радиус короны меньше радиуса гало и составляет ок. 1-5?, ближайшим к Солнцу оказывается голубое или фиолетовое кольцо. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Иногда края очень высоко расположенных облаков окрашены в яркие цвета. Глории (нимбы). В особых условиях возникают необычные атмосферные явления. Если Солнце находится за спиной наблюдателя, а его тень проецируется на близрасположенные облака или завесу тумана, при определенном состоянии атмосферы вокруг тени головы человека можно увидеть цветной светящийся круг - нимб. Обычно такой нимб образуется из-за отражения света капельками росы на травяном газоне. Глории также довольно часто можно обнаружить вокруг тени, которую отбрасывает самолет на нижележащие облака. Призраки Броккена. В некоторых районах земного шара, когда тень находящегося на возвышенности наблюдателя при восходе или заходе Солнца сзади него падает на облака, расположенные на небольшом расстоянии, обнаруживается поразительный эффект: тень приобретает колоссальные размеры. Это происходит из-за отражения и преломления света мельчайшими капельками воды в тумане. Описанное явление носит название «призрак Броккена» по имени вершины в горах Гарц в Германии. Миражи - оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности и выражающийся в возникновении мнимого изображения. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут быть искажены и приобрести неправильные, фантастические формы. Миражи часто наблюдаются в условиях жаркого климата, например над песчаными равнинами. Обычны нижние миражи, когда отдаленная, почти ровная поверхность пустыни приобретает вид открытой воды, особенно если смотреть с небольшого возвышения или просто находиться выше слоя нагретого воздуха. Подобная иллюзия обычно возникает на нагретой асфальтированной дороге, которая далеко впереди выглядит как водная поверхность. В действительности эта поверхность является отражением неба. Ниже уровня глаз в этой «воде» могут появиться объекты, обычно перевернутые. Над нагретой поверхностью суши формируется «воздушный слоеный пирог», причем ближайший к земле слой - самый нагретый и настолько разрежен, что световые волны, проходя через него, искажаются, так как скорость их распространения меняется в зависимости от плотности среды. Верхние миражи менее распространены и более живописны по сравнению с нижними. Удаленные объекты (часто находящиеся за морским горизонтом) вырисовываются на небе в перевернутом положении, а иногда выше появляется еще и прямое изображение того же объекта. Это явление типично для холодных регионов, особенно при значительной температурной инверсии, когда над более холодным слоем находится более теплый слой воздуха. Данный оптический эффект проявляется в результате сложных закономерностей распространения фронта световых волн в слоях воздуха с неоднородной плотностью. Время от времени возникают очень необычные миражи, особенно в полярных регионах. Когда миражи возникают на суше, деревья и другие компоненты ландшафта перевернуты. Во всех случаях в верхних миражах объекты видны более отчетливо, чем в нижних. Когда границей двух воздушных масс является вертикальная плоскость, порой наблюдаются боковые миражи. 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. Блуждающие огоньки - слабое свечение голубоватого или зеленоватого цвета, которое иногда наблюдается на болотах, кладбищах и в склепах. Они часто выглядят как приподнятое примерно на 30 см над землей спокойно горящее, не дающее тепла, пламя свечи, на мгновение зависающее над объектом. Огонек кажется совершенно неуловимым и при приближении наблюдателя как бы перемещается в другое место. Причиной этого явления служит разложение органических остатков и самовозгорание болотного газа метана (СН 4) или фосфина (РН 3). Блуждающие огоньки имеют разную форму, иногда даже шаровидную. Зеленый луч - вспышка солнечного света изумрудно-зеленого цвета в тот момент, когда последний луч Солнца скрывается за горизонтом. Красная составляющая солнечного света исчезает первой, все прочие - по порядку вслед за ней, и последней остается изумрудно-зеленая. Это явление возникает, лишь когда над горизонтом остается только самый краешек солнечного диска, а иначе происходит смешение цветов. Сумеречные лучи - расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видимыми благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед рассветом или после заката.

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?