Оптические явления

4 Явления, связанные с преломл ением света Мираж Некоторые виды миражей. Из большего многообразия миражей выделим несколько ви дов: “озерные” миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи , двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения. Нижние (“озерные”) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Ве рхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, н апример над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в п устынях и степях, то верхние наблюдают в северных широтах. Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямо е изображение, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изобр ажение. Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения, п ростое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воз духа (одно может оказаться над линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает еще одно - тре тье изображение. Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в свое й книге “Атмосфера” описывает пример подобного миража: “Опираясь на сви детельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про м ираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жит ели города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить кост юмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое в от-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!” Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Вате рлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, ког да подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. “ чего голландца” следует отнести именно к таким миражам. Объяснение нижнего (“озерного”) миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовател ьно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверх ности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхно сти земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке A находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное искривлени е. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосв ода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит вод у, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Если представи ть себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривле нию лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несущес твующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой “озерный” мир аж. Простые верхние миражи. Можно предпо ложить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напроти в, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Све товые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория об ращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объе кты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними. Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. П рямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уме ньшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показ ателя преломления образуется перевернутое изображение. В действительн ости нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переход совершае тся постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхний мира ж даст перевернутое изображение. Двойные и тройные миражи. Если показа тель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области I б удут искривляться быстрее, чем в области II . В результате возникают два изображения. Световые лучи, рас пространяющиеся в пределах воздушной области I , формируют перевернутое изображение объекта. Лучи, рас пространяющиеся в основном в пределах области II , искривляются в меньшей степени и форми руют прямое изображение. Чтобы понять как появляется тройной мираж, нужно представить три послед овательный воздушные области: первая (у самой поверхности), где показате ль преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показател ь преломления уменьшается быстро, и третья область, где показатель прело мления снова уменьшается медленно. Мираж сверхдальнего видения. Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозра чной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен обра зоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более тепл ым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному св етоводу. Траектория луча на рисунке 8 все время обращена выпуклостью в ст орону менее плотных областей воздуха. Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных “световодов”, которые иногда создает природа. Радуга Радуга – это красивое не бесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времен а, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали “небесным знамением”. Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ирид ы. Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых о блаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на р асстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водян ых капель, образованных фонтанами или распылителями воды. Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя – на противосолнечной линии. Угол между направлением на гл авную радугу и противосолнечной линией составляет 41-42 є. В момент восхода солнца противосолнечная точка (точка М ) находится на линии горизонта и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и разм ер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности. Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым р адиусом около 52 є и обратным располож ением цветов. При высоте Солнца 41 є главная радуга п ерестает быть видимой и над горизонтом выступает лишь часть побочной ра дуги, а при высоте Солнца более 52 є не в идна и побочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах в около полуденные часы это явление природы никогда не наблюдается. У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в друго й. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяю щимися цветами, малые – дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот поче му яркая узкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которо го падают крупные капли. Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радуг у, как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых ка плях. Образование цветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложной природы белого света и его дисперсии в среде. Дифракцио нная теория радуги разработана Эри и Партнером. Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе п оявляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за друг ой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, четыре и даже пять о дновременно. Это интересное явление наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда во второй половине дня среди туч над Невой появились четыре р адуги. Оказывается, что радуга может возникать не только от прямых лучей; нередко она появляется и в отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на б ерегу морских заливов, больших рек и озер. Не следует думать, что радугу мо жно наблюдать только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увиде ть такую радугу можно после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна. Если радуга появляется вечером перед заходом Солнца, то наблюдают красн ую радугу. В последние пять или десять минут перед закатом все цвета раду ги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой и видимой даже сп устя десять минут после заката.