Оптические и электрические явления в атмосфере

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. Чем  больше внутренних отражений испытают лучи в капле, тем слабее радуга. Наблюдать радугу можно, если Солнце находится позади наблюдателя. Поэтому  самая яркая, первичная радуга формируется  из лучей, испытавших одно внутреннее отражение. Они пересекают падающие лучи под углом около 42°. Геометрическим местом точек, расположенных под  углом 42° к падающему лучу, является конус, воспринимаемый глазом в его  вершине как окружность. При освещении  белым светом будет получаться цветная  полоса, причем красная дуга всегда выше фиолетовой.

2.9. Миражи 

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 (рис. 2.).

Особенно удивительны  миражи сверхдальнего видения.

Известны случаи, когда  они наблюдались и на расстояниях  – до 1000км. 

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 1, Б.

В соответствии с установленным  правилом, световые лучи вблизи поверхности  земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. 

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 1, 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. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха  уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. 

Двойные и тройные миражи

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

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 2.В. показано, как  возникает тройной мираж.

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 должна быть все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха. 

2.10. Полярное сияние 

Полярное сияние — свечение (люминесценции) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.

В эскимосских и индийских  легендах говорится, что это духи животных танцуют в небе, или что  это духи падших врагов, которые  хотят пробудиться вновь.

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 он 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. 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, налетают 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, вдоль замкнутой кривой. 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 10000-20000 эв (1эв = 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20 эв. 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 атомы 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. В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.

Полярные сияния могут  возникать не только на Земле, но и  на других планетах.

Полярное сияние на Сатурне, комбинированный снимок в ультрафиолете  и видимом свете (Hubble Space Telescope)

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. 

Миражи - следовики

Класс явлений, также не получивший научного обоснования. К нему относят  миражи, которые после своего исчезновения оставляют материальные следы. Известно, что в марте 1997 г. С неба в Англии падали свежие зрелые орехи. Выдвигают  несколько объяснений природы возникновения  данных следов. 

Первое – эти следы  не имеют к миражу непосредственного  отношения. «После этого» - не значит «вследствие  этого». Самое сложное – установление общей достоверности самих фактов подобных явлений. 

Другое объяснение – разность температурных слоев приводит к  образованию вихревого эффекта, засасывающего в атмосферу различный  мусор. Движение воздушных потоков  доставляет «поглощенное» в область  образования миража. После выравнивания температур «небесная картина» исчезает, а мусор выпадает на землю.

Сложно говорить о достоверности  таких явлений. Но определенный «мистический»  интерес они все же вызывают. А  потому вполне могут рассматриваться  на уроке-заблуждении.

Изучая различные явления, связанные с прохождением света  в атмосфере, ученые используют добытые  знания для развития науки. Так, наблюдение венцов помогает определять величину кристалликов льда и капель воды, из которых образуются различные облака. Наблюдения венцов и гало дает также  возможность предсказания погоды. Так, если появившийся венец постепенно уменьшается, можно ожидать осадки. Увеличение венцов, наоборот, предвещает наступление сухой и малооблачной погоды.