Оптика атмосферы, преломление и отражение света, гало, мираж

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

Оптика атмосферы, преломление

и отражение света, гало, мираж

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент I курса группа №8

Курбанов Улугбек

 

 

 

 

 

АТМОСФЕРНАЯ ОПТИКА - раздел физики атмосферы, посвящённый изучению рассеяния, поглощения, преломления, отражения и дифракции ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения в атмосферах Земли и планет. А. о.- одна из древнейших наук, занимающая видное место в процессе познания природы; с ней связано открытие явления рассеяния излучения, доказательство молекулярного строения атмосферы и справедливости кинетич. теории газов, определение числа Авогадро и др. Исследования А. о. имеют первостепенное значение для целого ряда отраслей науки и техники, в т. ч. для метеорологии, транспорта, агротехники, светотехники, курортологии, астрофизики и т. д.

 

 До нач. 20 в. осн. содержанием А. о. являлось чисто феноменологич. изучение связей между оптич. и метеорологич. явлениями в атмосфере, а методами наблюдений - визуальные. Осн. явлениями, изучавшимися А. о.,были зори, радуги, гало, венцы, глории, миражи и цвет неба.

 В связи с общим науч--техн. прогрессом содержание науки А. о. изменилось. Визуальные наблюдения вытесняются инструментальными с использованием лазеров, ракет, космич. аппаратов и др. Всё шире применяются автоматизир. системы, телеметрия, машинные методы обработки получаемой информации. Осн. содержанием А. о. становятся молекулярная и аэрозольная оптика, теория видимости, теория переноса излучения, решение прямых и обратных задач и построение атмос-ферно-оптич. моделей атмосферы.

 В реальной атмосфере всегда содержится значит. кол-во аэрозоля (капельки воды и водных растворов, частицы органич. и минеральной пыли, частицы сажи и др.). Теория рассеяния и поглощения света частицами аэрозоля, разработанная Г. Ми (G. Mie, 1908), описывает характеристики рассеяния и поглощения света частицами любых размеров и показателей преломления.

Актуальная задача А. о.- эксперим. исследование оптич. характеристик атмосферы на разных высотах, в разл. участках спектра и разл. гелиогеофиз. условиях. Для этого проводятся как наземные измерения, так и измерения с летат. аппаратов. Наземные измерения призваны исследовать гл. обр. оптич. характеристики приземного слоя. В то же время развит ряд методов (прожекторные, лазерные, сумеречные), позволяющий производить с земной поверхности оптич. зондирование и более высоких слоев атмосферы. Однако в этих случаях возникают большие сложности методич. характера по освобождению получаемой информации от влияния нижних (значительно более плотных) слоев атмосферы. От этих недостатков свободны аэростатные, ракетные и спутниковые методы исследований. Но здесь возникают свои трудности, связанные с высотной привязкой результатов наблюдений, с определением ориентации оптич. осей аппаратуры при наблюдениях, с решением обратных задач (особенно при спутниковых измерениях).

Отражение света

Законы отражения. Формулы Френеля

Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом

Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света, он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.

Виды отражения

Зеркальное отражение

Зеркальное отражение света отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в точке падения; 2) угол отражения равен углу падения j. Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды — диэлектрика) выражают формулы Френеля. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка.

В важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (показатель преломления воздуха = 1,0; стекла = 1,5) он составляет 4 %.

Полное внутреннее отражение

Наблюдается для электромагнитных или звуковых волн на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей скоростью распространения (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

С увеличением угла падения , угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растет, а преломленного — падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении  интенсивность преломленного луча становится равной нулю и происходит полное отражение света.

Диффузное отражение света

При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны (см. Закон Ламберта). По этой причине нельзя увидеть свое отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения.

Преломление света

Преломле́ние (рефра́кция) — изменение направления распространения волн электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Преломление света на границе двух сред даёт парадоксальный зрительный эффект: пересекающие границу раздела прямые предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела (то есть преломлёнными «вверх»); в то время как луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали (то есть преломляется «вниз»). Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоёма, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле.

Преломление света в атмосфере Земли приводит к тому, что мы наблюдаем восход Солнца несколько раньше, а закат несколько позже, чем это имело бы место при отсутствии атмосферы. По той же причине вблизи горизонта диск Солнца выглядит заметно сплющенным вдоль вертикали.

Физика явления

Преломление наблюдается, когда фазовые скорости электромагнитных волн в контактирующих средах различаются (см. показатель преломления). В этом случае полное волны должно быть разным по разные стороны границы раздела сред. Однако если проследить движение, например, гребня волны вдоль границы раздела — то соответствующая скорость должна быть одинаковой для обеих «половинок» волны (поскольку при пересечении границы максимум волны остается максимумом, и наоборот; то есть можно говорить о синхронизации падающей и прошедшей волны во всех точках границы, см. верхний рисунок). Из простого геометрического построения получаем, что скорость движения точки пересечения гребня  с линией, наклонённой к направлению распространения волны под углом , будет равна , где  — скорость распространения волны.

Это ясно из того, что, пока гребень волны пройдёт в направлении своего распространения (то есть перпендикулярно гребню) расстояние, равное катету треугольника, точка пересечения гребня с границей пройдёт расстояние, равное гипотенузе, а отношение этих расстояний, равное синусу угла, и есть отношение скоростей.

В итоге на границе раздела двух сред наблюдается преломление луча, качественно состоящее в том, что углы к нормали к границе раздела сред для падающего и преломлённого луча отличаются друг от друга, то есть ход луча вместо прямого становится ломаным — луч преломляется.

Заметим, что практически тождественным способом вывода закона Снелла является построение прошедшей волны с помощью принципа Гюйгенса — Френеля (см. рисунок).

В изотропной среде для синусоидальной волны, характеризуемой частотой и волновым вектором, перпендикулярным направлению распространения волны, соображения, что составляющая волнового вектора, параллельная границе раздела, должна быть одинаковой до и после прохождения этой границы, приводят к такому же виду закона преломления.

Дополнительно стоит отметить, что волновой вектор фотона равен вектору его импульса, делённому на постоянную Планка, и это дает возможность естественной физической интерпретации закона Снелла как сохранения проекции импульса фотона на пересекаемую им границу раздела сред.

Полное преломление

Тесно связано с преломлением такое явление, как отражение от границы прозрачных сред. В каком-то смысле это две стороны одного и того же явления. Так, например, явление полного внутреннего отражения связано с тем, что преломлённой волны, которая бы удовлетворяла закону Снелла, для некоторых углов падения не находится, и волне приходится полностью отражаться.

 

Если вертикально поляризованная волна падает на поверхность раздела под углом Брюстера, то будет наблюдаться эффект полного преломления — отражённая волна будет отсутствовать.

Преломление в обычной жизни

Преломления встречается на каждом шагу и воспринимается как совершенно обыденное явление: можно видеть как ложка, которая находится в чашке с чаем, будет «переломлена» на границе воды и воздуха. Тут уместно отметить, что данное наблюдение при некритическом восприятии даёт неверное представление о знаке эффекта: кажущееся переломление ложки происходит в обратную сторону реальному преломлению лучей света.

                          Преломление и отражение света в каплях воды порождает радугу.

Многократным преломлением (отчасти и отражением) в мелких прозрачных элементах структуры (снежинках, волокнах бумаги, пузырьках) объясняются свойства матовых (не зеркальных) отражающих поверхностей, таких как белый снег, бумага, белая пена.

Рефракцией в атмосфере объясняются многие интересные эффекты. Например, при определённых метеорологических условиях Земля (с небольшой высоты) может выглядеть как вогнутая чаша (а не часть выпуклого шара).

Гало

Гало́ (от др.-греч. ἅλως — круг, диск; также а́ура, нимб, орео́л) — оптический феномен, светящееся кольцо вокруг объекта — источника света.

Физика явления

Гало обычно появляется вокруг Солнца или Луны, иногда вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Существует множество типов гало, но вызваны они преимущественно ледяными кристаллами в перистых облаках на высоте 5—10 км в верхних слоях тропосферы. Вид наблюдаемого гало зависит от формы и расположения кристаллов. Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу, однако гало в условиях низкой освещённости имеет малую цветность, что связано с особенностями сумеречного зрения.

Иногда в морозную погоду гало образуется кристаллами очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни.

Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой размер (до 5°) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман.

 

Крупный вклад в изучение и систематизацию гало внёс голландский астроном Марсел Миннарт.

Техника наблюдения и фотосъёмки

Поскольку гало очень яркое (можно сказать, что гало — это отражение солнца), любой фотоаппарат его снимет при любых настройках, но из-за этой яркости получаются плохо заснятые детали: если в кадр попало само солнце — гало будет выглядеть тусклым, пропадут цвета

Солнечный столб

Световой, или солнечный, столб представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами. Подвешенные в воздухе плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если солнце находится на высоте 6° над горизонтом либо позади него, столбовидные — если солнце находится на высоте 20° над горизонтом. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения.

Мираж

Мираж ( mirage —  видимость) — оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко различными по плотности слоями воздуха. Для наблюдателя такое отражение заключается в том, что вместе с отдалённым объектом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещённое относительно предмета.

 Из большего многообразия 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.

 

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