Оптические явления в природе

Наиболее  прозрачные и крупные алмазы служат украшением. Мелкие алмазы находят  широкое применение в технике  в качестве режущего или шлифующего инструмента для металлообрабатывающих  станков. Алмазами армируют головки бурильного инструмента для проходки скважин в твердых породах. Такое применение алмаза возможно из-за большой отличающей его твердости. Другие драгоценные камни в большинстве случаев являются кристаллами окиси алюминия с примесью окислов окрашивающих элементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они также отличаются твердостью, прочностью и обладают красивой окраской и “игрой света”. В настоящее время умеют получать искусственным путем крупные кристаллы окиси алюминия и окрашивать их в желаемый цвет.

Явления дисперсии  света объясняют многообразием  красок природы. Целый комплекс оптических экспериментов с призмами в XVII веке провел английский ученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белый  свет не является основным, его надо рассматривать как составной (“неоднородный”); основными же являются различные  цвета (“однородные” лучи, или “монохроматические”  лучи). Разложение белого света на различные  цвета происходит по той причине, что каждому цвету соответствует  своя степень преломляемости. Эти  выводы, сделанные Ньютоном, согласуются  с современными научными представлениями.

Наряду с  дисперсией коэффициента преломления  наблюдается дисперсия коэффициентов  поглощения, пропускания и отражения  света. Этим объясняются разнообразные эффекты при освещении тел. Например, если имеется какое-то прозрачное для света тело, у которого для красного света коэффициент пропускания велик, а коэффициент отражения мал, для зеленого же света наоборот: коэффициент пропускания мал, а коэффициент отражения велик, тогда в проходящем свете тело будет казаться красным, а в отраженном свете – зеленым. Такими свойствами обладает, например, хлорофилл – зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обуславливающее зеленый цвет. Раствор хлорофилла в спирту при рассматривании на просвет оказывается красным. В отраженном свете этот же раствор выглядит зеленым.

Если у  какого-то тела коэффициент поглощения велик, а коэффициенты пропускания  и отражения малы, то такое тело будет казаться черным и непрозрачным (например, сажа). Очень белое, непрозрачное тело (например, окись магния) имеет  коэффициент отражения близкий  к единице для всех длин волн, и очень малые коэффициенты пропускания  и поглощения. Вполне прозрачное для  света тело (стекло) имеет малые  коэффициенты отражения и поглощения и близкий к единицы для всех длин волн коэффициент пропускания. У окрашенного стекла для некоторых длин волн коэффициенты пропускания и отражения практически равны нулю и, соответственно, значение коэффициента поглощения для этих же длин волн близко к единице.  

Явления, связанные с преломлением света.

Мираж.

Некоторые виды миражей. Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: “озерные” миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

Нижние (“озерные”) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной  поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как  правило, в пустынях и степях, то верхние наблюдают в северных широтах.

Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних  случаях они дают прямое изображение, в других случаях в воздухе  появляется перевернутое изображение. Миражи могут быть двойными, когда  наблюдаются два изображения, простое  и перевернутое. Эти изображения  могут быть разделены полосой  воздуха (одно может оказаться над  линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться  друг с другом. Иногда возникает  еще одно - третье изображение.

Особенно  удивительны миражи сверхдальнего  видения. К. Фламмарион в своей книге “Атмосфера” описывает пример подобного миража: “Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!” Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. “Летучего голландца” следует отнести именно к таким миражам.

Объяснение  нижнего (“озерного”) миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности 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 искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой “озерный” мираж.

Простые верхние миражи. Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Верхний мираж  может давать как прямое, так и перевернутое изображение.

Двойные и тройные миражи. Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области I будут искривляться быстрее, чем в области II. В результате возникают два изображения. Световые лучи 1, распространяющиеся в пределах воздушной области I, формируют перевернутое изображение объекта. Лучи 2, распространяющиеся в основном в пределах области II, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Чтобы понять как появляется тройной мираж, нужно  представить три последовательный воздушные области: первая (у самой  поверхности), где показатель преломления  уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшается медленно.

Мираж сверхдальнего видения. Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду.

Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить  распространением лучей внутри подобных “световодов”, которые иногда создает природа.

Радуга.

Радуга –  это красивое небесное явление –  всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали “небесным знамением”. Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды.

Радуга наблюдается  в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится  от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя  – на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу и противосолнечной линией составляет 41-42º.

В момент восхода  солнца противосолнечная точка находится  на линии горизонта и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности.

Часто наблюдается  побочная радуга, концентрическая с  первой, с угловым радиусом около 52º и обратным расположением цветов.

При высоте Солнца 41º главная радуга перестает  быть видимой и над горизонтом выступает лишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца более 52º не видна и побочная радуга. Поэтому  в средних экваториальных широтах  в околополуденные часы это явление  природы никогда не наблюдается.

У радуги различают  семь основных цветов, плавно переходящих  один в другой.

Вид дуги, яркость  цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают более  узкую радугу, с резко выделяющимися  цветами, малые – дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом  после грозового дождя, во время  которого падают крупные капли.

Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, как явление, связанное  с отражением и преломлением света  в дождевых каплях.

Образование цветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложной природы белого света  и его дисперсии в среде. Дифракционная теория радуги разработана Эри и Партнером. 

При рассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление – неодинаковое преломление волн света различной  длины, то есть световых лучей разного  цвета. Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления γ и угла отклонения лучей в капле различны для лучей различной окраски.

Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно. Это интересное явление наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда во второй половине дня среди туч над Невой появились четыре радуги. Оказывается, что радуга может возникать не только от прямых лучей; нередко она появляется и в отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, больших рек и озер. Три-четыре радуги – обыкновенные и отраженные – создают подчас красивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.

Не следует  думать, что радугу можно наблюдать  только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть такую  радугу можно после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна.

Если радуга появляется вечером перед заходом  Солнца, то наблюдают красную радугу. В последние пять или десять минут перед закатом все цвета радуги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой и видимой даже спустя десять минут после заката.

Красивое  зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать при  восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму гиперболы.  

Полярные сияния.

Одним из красивейших  оптических явлений природы является полярное сияние.

В большинстве  случаев полярные сияния имеют зеленый  или сине-зеленый оттенок с  изредка появляющимися пятнами  или каймой розового или красного цвета.

Полярные  сияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает нескольких сотен метров, причем так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Различают четыре типа полярных сияний:

Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая  дуга – лента становится несколько  более активной и подвижной, она  образует мелкие складки и струйки;

Лучистая  полоса – с ростом активности более  крупные складки накладываются  на мелкие;

При повышении  активности складки или петли  расширяются до огромных размеров, нижний край ленты ярко сияет розовым свечением. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.