№ 20. Световые явления в атмосфере

Введение
Современные научные представления о световых явлениях
Интерференция, дифракция и поляризация света
Солнечный свет или все цвета радуги
Атмосфера нашей планеты
Солнечное и лунное гало
Солнечный закат
Радуга
Северное сияние
Мираж
Заключение
Список литературы

№ 20. Световые явления в атмосфере

Дифракция света – явление отклонения света от прямолинейного распространения при прохождении вблизи препятствий [3]. Проиллюстрируем это явление на примере прохождения света через призму. При этом происходит разложение белого света в спектр. Это разложение возникает из-за явления дисперсии, то есть зависимости показателя преломления вещества от длины волны света. Обычно явления дифракции и интерференции тесно соседствуют друг с другом – то есть наблюдаются вместе.
Поляризация света (пространственная анизотропия световых волн) является следствием того, что свет представляет собой электромагнитную волну [3]. Если при этом векторы электромагнитного поля сохраняют свою ориентацию, то свет называют поляризованным. Например, линейную поляризацию имеет свет, у которого колебания вектора поля происходят в направлении перпендикулярном направлению распространения волны. Обычный (естественный) солнечный свет не поляризован.
Интерференция, дифракция и поляризация света – лежат в основе физического объяснения основных световых явлений в атмосфере.
Солнечный свет или все цвета радуги
Световые волны видимого света являются всего лишь частью спектра электромагнитных волн. Этот спектр достаточно широк, он простирается от радиоволн (самые большие длины волны, от 1 см до 30 км, используются сегодня для связи), до гамма-излучения (самые короткие длин волн от 0.1 нм до 10–6 нм). Гамма излучение испускается при распадах или слиянии ядер. Это излучение испускается при ядерных реакциях на Земле (взрыв атомной бомбы) или в космосе (гамма-всплески – взрывы, происходящие в эволюции некоторых звезд).
Спектр видимого на Земле солнечного света простирается от длины волны 750 нм (красная граница) до 400 нм (фиолетовая граница). Известная детская считалка «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан» отражает спектр видимого на Земле солнечного света. В направлении от более длинных световых волн к более коротким волнам порядок цветов видимого спектра следующий: Красный, Оранжевый, Желтый, Зеленый, Голубой, Синий, Фиолетовый (первые буквы в словах соответствуют первым буквам слов в считалке). За пределами этого спектра лежат ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Ультрафиолет является опасным мутагеном, именно длительное пребывание под солнечным светом летом в обеденное время может вызвать нежелательные последствия для человека. Инфракрасное излучение широко применяется в приборах ночного видения.
Атмосфера нашей планеты
Наша планета окружена газовым слоем, называемым атмосферой. Основными компонентами атмосферы являются (по объему): азот ~78%, кислород 21%, и чуть менее 1% аргон. Остальное приходится на пары воды, инертные газы, углекислый газ, водород и другие газы. Предполагают, что наличие такого количества кислорода связано с деятельностью живых организмов. Процесс фотосинтеза с поглощением углекислого газа и выделением кислорода является базовым условием для развития жизни на Земле.
Уже на высоте нескольких километров воздух так разряжен, что практически непригоден для жизни человека. Практически, на высоте нескольких сот километров атмосфера заканчивается и начинается то, что называется открытым космосом (там уже летают искусственные спутники Земли). Даже голубой цвет дневного неба представляет собой оптическое явление. Для наблюдателя вне Земли небо днем и ночью кажется одинаково звездным (хотя понятие день и ночь вне Земли не являются вполне определенными, они означают лишь промежутки времени). Голубой цвет дневного неба является результатом рассеивания солнечного света верхними слоями атмосферы.
Среди наиболее ярких атмосферных явлений, связанных с солнечным светом можно выделить: солнечный закат, радугу, северное сияние, мираж. Эти явления мы в дальнейшем и рассмотрим несколько подробнее.
Солнечное и лунное гало
Гало – светлый туман, наблюдаемый иногда вокруг Солнца или Луны. Это явление наблюдается, когда небо затянуто легкой пеленой – высокими перистыми облаками. Мельчайшие кристаллы льда и капельки воды, входящие в состав облаков этого типа, рассеивают лучи яркого света. Подобные явления наблюдаются зимой, когда светящийся фонарь окружается заметным ореолом сияния, из-за распределенных вокруг него снежинок. Иногда гало вокруг Солнца или Луны появляется не просто как туманное и тусклое свечение, а гало представляется в виде яркого круга, или даже нескольких кругов.
Солнечный закат
Лучи закатного или восходящего Солнца в атмосфере приходится преодолевать заметно более долгий путь. Поэтому вид появляющегося или уходящего за горизонт Солнца представляется совсем иным, чем вид дневного светила. Также процесс заката связан с постепенным уходом Солнца (а значит и солнечных лучей) за линию горизонта. Это вызывает постепенное и необратимое падение яркости Солнца. Приближающееся к закату Солнце меняет свой цвет – оно становится красным, так как при приближении к горизонту больше подавляется коротковолновая часть спектра солнечного спектра. Одновременно с этим и небо начинает окрашиваться в оранжево-пурпурные цвета. В окрестности Солнца небо приобретает желтовато-оранжевый оттенок. К моменту захода за горизонт Солнца небо приобретает темно-красную окраску. Вдоль близлежащего горизонта ярко на фоне тускнеющего неба светит полоса зари, окрашенная снизу в оттенки оранжево-желтого, а сверху – зеленовато-голубого цвета.
При прохождении солнечными лучами протяженного пути в атмосфере лучи голубого и фиолетового цвета ослабляются сильнее благодаря рассеянию света. Оставшиеся же лучи и освещаемая ими атмосфера приобретают желтовато-красную окраску [4].
Так Солнце прощается с Землей и уходит за горизонт. Постепенно остаточный пурпурный свет неба и облаков темнеет, и, наконец, уходит совсем и наступает ночь. Представленная картина характерна для ясной погоды. В облачную погоду картина представляется более замутненной.
Радуга
Радуга представляет собой наблюдаемое в естественных условиях разложение белого солнечного света в спектр. При этом солнечный свет разделяется на семь известных цветов от красного до фиолетового (см. выше раздел «Солнечный свет или все цвета радуги»). Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, когда Солнце стоит довольно низко. Обычно радуга видна сразу после или во время дождя. Радуга образуется за счёт отражения света в мельчайших каплях воды (во влажной атмосфере). Солнечный свет, проходящий через микроскопические капли воды, многократно отражается и преломляется в них, как в миниатюрных призмах. Поэтому и лучи света разных длин волн (разного цвета) выходят из капель под незначительно отличающимися углами. В результате образуется красочная радуга, представляющая собой яркую многоцветную дугу (полукруг) на сине-голубом небе, которое на ее фоне выглядит обычно достаточно блекло.
Северное сияние
Северное сияние, по сравнению с другими атмосферными явлениями, имеет несколько более сложную природу. Земля, как и любой другой объект солнечной системы, постоянно обдувается «солнечным ветром». Этим аллегорическим термином называется поток элементарных частиц испущенных Солнцем. При этом поток заряженных частиц (электронов, протонов), попадая в непосредственные окрестности Земли (самые верхние слои атмосферы), вступает во взаимодействие с магнитным полем Земли. Это поле и предохраняет жизнь на Земле от смертельно опасного космического излучения. Попавшие в область действия магнитного поля Земли заряженные частицы солнечного ветра вынуждены двигаться вдоль силовых линий этого поля. Форму силовых линий магнитного поля Земли можно приближенно моделировать тором (бубликом). В экваториальной зоне и в средних широтах силовые линии направлены приблизительно параллельно поверхности планеты, а ближе к полюсам они сгущаются и направляются к поверхности Земли (магнитным полюсам). Магнитные полюса нашей планеты не совсем совпадают с географическими. А именно, южный магнитный полюс лежит вблизи северного географического полюса, а северный – вблизи южного. Около магнитных полюсов силовые линии магнитного поля Земли сильно загибаются вниз, к поверхности планеты. Заряженные частицы проникают в нижние, более плотные слои атмосферы и вступают во взаимодействие с воздухом, вызывая свечение атмосферы, которое и наблюдается как полярное сияние. Возбуждение атомов молекул воздуха (азота, кислорода, водорода) заряженными частицами солнечного ветра называется ионизацией. Спектральные исследования показали, что зеленое и красное полярное сияние происходит от возбужденных молекул кислорода, инфракрасное и фиолетовое – молекул азота, слабый красный цвет вызывается возбужденными атомами водорода из верхних слоев атмосферы.
Мираж