Оптические явления в природе

Можно рассмотреть  простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучок  параллельных солнечных лучей (рис. 10). Луч, падающий на поверхность капли  в точке А, преломляется внутри нее  по закону преломления: 

n sin ?=n sin ?, где n=1, n?1,33 – соответственно показатели преломления воздуха и воды, ? – угол падения, а ? – угол преломления света. 

Внутри капли  идет по прямой луч АВ. В точке  В происходит частичное преломление  луча и частичное его отражение. Надо заметить, что , чем меньше угол падения в точке В, а следовательно и в точке А, тем меньше интенсивность отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча. 

Луч АВ после  отражения в точке В происходит под углом ?`=? b попадает в точку  С, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли под углом ?, а отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая часть лучей света выходит наружу и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупности на фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке D дают вторичную радугу, которая менее интенсивна, чем первичная. 

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 ? 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. 

Некоторой подобие  радуги можно получить на таком опыте: Нужно колбу, наполненную водой, осветить солнечных светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доске отчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению с начальным направлением составит около 41-

42°. В естественных  условиях экрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака. 

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. 

Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами. 

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так ярко, как полная Луна. 

Надо отметить, что возникшее сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек. Верхние  слои атмосферы в области вспышек  сияний разогреваются и устремляются вверх, что сказалось на усиленном  торможении искусственных спутников  Земли, проходящих эти зоны. 

Во время сияний в атмосфере Земли возникают  вихревые электрические токи, захватывающие  большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитные  поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере. 

Интенсивные вспышки  сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения  в ионосфере, что в свою очередь  влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема. 

Как возникают  полярные сияния. Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс  которого находится вблизи северного  географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг

Земли. 

Долго считалось, что расположение магнитных силовых  линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что  так называемый «солнечный ветер» –  поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетаю на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост». 

Электрон или  протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь  на геомагнитную линию. Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадают внутрь тероида и движутся внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями

10000-20000эв (1эв= 1.6 10 дж), а электроны с энергиями  10-20эв. Для ионизации же атомов  нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, а для возбуждения еще меньше. 

Возбужденные  атомов газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие  того, как это происходит в трубках  с разреженным газом при пропускании  через них токов. 

Спектральное  исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-

400 км. Другим  слабым источником красного света  являются атомы водорода, образовавшие  в верхних слоях атмосферы  из протонов прилетевших с  Солнца.

Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный  свет. 

Вспышки сияний происходят обычно через день-два после вспышек на

Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности  сияний имеется более значительная ионизация газов электронами. 

В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей. 

Но научное  объяснение всех явлений, связанных  с полярными сияниями, встречает  ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков. 

Литература: 

1. «Физика в  природе», автор - Л. В. Тарасов,  издательство 

«Просвещение», Москва, 1988 год. 

2. «Оптические  явления в природе», автор - В.  Л. Булат, издательство 

«Просвещение», Москва, 1974 год. 

3. «Беседы по  физике, часть II» , автор - М.  И. Блудов, издательство 

«Просвещение», Москва, 1985 год. 

4. «Физика 10»,  авторы - Г. Я. Мякишев Б. Б.  Буховцев, издательство 

«Просвещение», Москва, 1987 год. 

5. «Энциклопедический  словарь юного физика», составитель  В. А. Чуянов, издательство «Педагогика», Москва, 1984 год. 

6. «Справочник  школьника по физике», составитель  - , филологическое общество «Слово»,  Москва, 1995 год. 

7. «Физика 11»,  Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев,  Д. Ш. Шодиев, издательство «Просвещение»,  Москва, 1991 год. 

8. «Решение задач  по физике», В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград, 1999 год.