Оптические явления в природе

Встречаются алмазы, окрашенные в красный, голубоватый  и сиреневый цвета. Сияние алмаза зависит от его огранки. Если смотреть сквозь хорошо ограненный водяно-прозрачный бриллиант на свет, то камень кажется совершенно непрозрачным, а некоторые его грани выглядят просто черными. Это происходит потому, что свет, претерпевая полное внутреннее отражение, выходит в обратном направлении или в стороны. 

Если смотреть на верхнюю огранку со стороны  света, она сияет многими цветами, а местами блестит. Яркое сверкание  верхних граней бриллианта называют алмазным блеском. Нижняя сторона бриллианта снаружи кажется как бы посеребренной и отливает металлическим блеском. 

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. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности для рассматриваемого случая показано на рисунке 3, а. 

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; изменение n с высотой h показано на рисунке 4, а. 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.

Показанное на рисунке прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха  уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом можно убедится, рассмотрев гипотетический случай – показатель преломления на некоторой высоте h уменьшается скачком (рис. 5).

Лучи объекта, прежде чем попасть к наблюдателю  А испытывают полное внутреннее отражение  от границы ВС ниже которой в данном случае находится более плотный воздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переход совершается постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхний мираж даст перевернутое изображение (рис. 5). 

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 (рис. 6, 7). 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. На рисунке представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой. На рисунке показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области I. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадаю в воздушную область II, эти лучи испытывают сильное искривление. Лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта. 

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. Траектория луча на рисунке 8 все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха. 

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 41-42є(рис. 9). 

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 размер радуги уменьшается.

Она представляет собой лишь часть окружности. 

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

При высоте Солнца 41є главная радуга перестает быть видимой и над горизонтом выступает  лишь часть побочной радуги, а при  высоте Солнца более

52є 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.