Optički fenomeni u atmosferi
Atmosfera je složena mešavina gasova. Proces raspršivanja svjetlosti uključuje molekule, atome plina, produkte kondenzacije i sublimacije vodene pare, te različite čvrste čestice suspendirane u zraku. Kao rezultat toga, atmosfera je svojevrsni optički sistem sa konstantno promjenjivim parametrima. Optički fenomeni u atmosferi nastaju kao rezultat refleksije,
prelamanja i disperzije (Bijelo svjetlo razlaže se u spektar),
atmosfersko rasipanje halo refrakcije
difrakcija ( odstupanje svjetlosnog vala od pravog smjera pri prolasku kroz male rupe ili pri obilasku malih prepreka) i smetnje(superpozicija) talasa
Plava boja neba je naučno objašnjena Rayleighova teorija zasnovan na zakonu molekularnog raspršenja. U njemu se kaže: “Intenzitet raspršene svjetlosti varira u obrnutoj proporciji sa četvrtom potencijom valne dužine svjetlosti koja pada na raspršenu česticu.” Pošto je talasna dužina ljubičastih zraka upola manja od crvenih, oni se raspršuju 16 puta više. Sve ostale obojene zrake vidljivog spektra biće uključene u raspršenu svjetlost u količini koja je obrnuto proporcionalna četvrtom stepenu valne dužine svakog od njih. Mešavina svih raspršenih zraka daje plavu boju.
Molekularno Rayleighovo raspršivanje- Ovo poseban slučaj aerosolna disperzija. Ako veličina čestice prelazi 1/10 upadne talasne dužine, onda nestaje u aerosol Mie raspršivanju(belkasto, crvenkasto nebo). U podne sa Sunca dolaze pretežno dugotalasni zraci - crveni, narandžasti, žuti zraci. Kada se Sunce spusti do horizonta, zraci moraju proći kroz atmosferu duži put. Gubici kratkotalasnih zraka postaju vidljivi. A boja Sunca postaje narandžasta ili crvena kada zađe.
Zove se zlatna, narandžasta ili crvenkasta nijansa neba iznad horizonta zora. Boja neba zavisi od aerosolnih nečistoća u vazduhu. Zlatne nijanse ukazuju na malu količinu aerosola u zraku, raspršujući sunčevu svjetlost. Prisustvo vodene pare povećava rasipanje crvenih zraka u atmosferi.
Krepuskularne zrake- ovaj fenomen je uzrokovan kontrastom između svjetlosti Sunca, raspršene vodene pare u zraku i sjene koju bacaju oblaci koji se nalaze iza horizonta ili ne visoko iznad horizonta.
Rainbow I halo- pojave povezane s lomom i refleksijom svjetlosnih zraka u kapljicama i kristalima oblaka.
Rainbow posmatrano u pravcu suprotnom od Sunca, obično na udaljenosti od 1-2 km od posmatrača. Ponekad se može promatrati na udaljenosti od nekoliko metara na pozadini kapljica vode. Centar duge je na istoj liniji sa okom posmatrača i sa centrom solarnog diska. Prelamajući se u kapi, snop se raspada na primarne boje. Unutrašnja boja duge je ljubičasta, a vanjska boja crvena. Vrsta luka, svjetlina boja i širina pruga zavise od broja, veličine i deformacije kišnih kapi. Velike kapi stvaraju užu i svjetliju dugu, male kapi stvaraju zamućen, izblijedjeli i čak bijeli luk.
Formiranje glavne duge (sa ugaonim radijusom od oko 42°) objašnjava se dvostrukim lomom i jedna unutrašnja refleksija sunčeve svetlosti kojoj su izloženi u kapljicama vode.
Često se pojavljuje druga, manje sjajna duga, sa ugaonim radijusom od oko 52° sa obrnutim bojama. Ova duga nastaje kao rezultat duplo prelamanja i refleksije snop u kapi. Mnogo rjeđe, slabo obojeni sekundarni lukovi se uočavaju na unutrašnjoj strani prve duge.
Različiti oblici halo mogu se podijeliti u dvije glavne grupe:
Oreoli, blago obojeni duginim bojama. To su kružnice, tangentni lukovi na njih, svjetlosne mrlje (lažna sunca);
Oreoli koji nemaju boju su bijeli. Ovo je horizontalni krug, stupovi i križevi.
Fenomeni prve grupe nastaju kao rezultat prelamanja zraka u kristalima leda, a fenomeni druge grupe - kao rezultat refleksije sa njihovih lica. Ovi kristali se ljeti nalaze između posmatrača i izvora svjetlosti u obliku cirusnih oblaka, a zimi iu obliku ledene prašine, izmaglice ili magle. Raznolikost oreola zavisi od oblika ledenih kristala, njihove orijentacije, kretanja i visine Sunca iznad horizonta.
Najčešće uočeni oreol je poluprečnika 22°, unutrašnji deo koja je crvenkasta, spoljašnja je plavkasta, nebo unutar prstena deluje tamnije. Oreol poluprečnika od 46° je ređa pojava. Zahvaljujući velika veličina Ovaj oreol se izuzetno retko posmatra kao potpuni krug; obično je vidljiv samo njegov deo. Dugina boja oreola nastaje kada se bijeli svjetlosni snop raspadne u ledenoj prizmi.
Još ređe se viđa složenih oblika oreol, kada se sastoji od nekoliko krugova, tangentni i kosi lukovi i lažna sunca ili mjeseca. Češće posmatrano gornji tangentni lukovi na oreol na 22 i 46°. Konveksno su okrenuti prema suncu i jarke su boje, a crvena je okrenuta prema Suncu. Pojavljuju se kada oblak sadrži kristale s različitim rasporedom rubova i lomnih rubova.
Parhelic krug(ili krug lažnih sunca) - bijeli prsten sa središtem u zenitnoj tački, koji prolazi kroz Sunce paralelno s horizontom. Ovaj krug je rezultat refleksije sunčevih zraka sa bočnih strana heksagonalnih kristala leda koji lebde u vazduhu u vertikalnom položaju.
Parhelia, ili lažna sunca, su jarko svetleće tačke* koje podsećaju na Sunce, koje se formiraju na tačkama preseka parheličnog* kruga sa oreolom koji ima ugaone radijuse od 22°, 46° i 90°. Ponekad je vidljiv antelijum (anti-sunce) - svetla tačka koja se nalazi na parhelijumskom prstenu tačno nasuprot Suncu. Pretpostavlja se da je uzrok ove pojave dvostruki unutrašnji odraz sunčeve svjetlosti. Reflektirana zraka prati isti put kao i upadna zraka, ali u suprotnom smjeru.
Luk blizu zenita je luk od 90° ili manje sa središtem u zenitnoj tački, koja se nalazi približno 46° iznad Sunca. Ima svijetle boje, vanjska strana luka je obojena crvenom bojom.
solarni stub vrlo česta pojava, koja podsjeća na mač. Nastaje kao rezultat refleksije svjetlosnih zraka od horizontalnih rubova i ledenih ploča koje lebde u zraku. Cross. Ovaj fenomen je rezultat ukrštanja stubova sa belim horizontalnim krugom.
3) Krune, slave, Brocken duhovi, oreoli, preljev oblaka nastaju kao rezultat difrakcije i interferencije sunčeve zrake.
Krune svijetli, blago obojeni prstenovi čija je unutrašnja strana plava, vanjska - crvena. Oni okružuju Sunce ili Mjesec, što je vidljivo kroz tanke vodene oblake. Uz svjetiljku (halo) može biti jedna kruna ili nekoliko "dodatnih prstenova" razdvojenih intervalima. Krune se formiraju ekstremnim tangentnim zrakama koje padaju na površinu sferne čestice (kapljice oblaka ili magle, rosa, zrnca pijeska). Razlog za pojavu krunica je difrakcija svjetlosti dok prolazi između kapljica i kristala oblaka. Prolazeći kroz male rupice, snop svjetlosti se savija oko rubova kapljice i istovremeno se raspada u obojene zrake, koje se različito odbijaju kako se snop savija na rubu rupe. Veličina krunice zavisi od veličine kapi i kristala: što su veće kapi (kristali), to je kruna manja i obrnuto. Ako elementi oblaka postanu veći u oblaku, radijus krune se postepeno smanjuje; kada se veličina oblačnih elemenata smanjuje (isparavanje), povećava se.
Kada zrake prolaze unutar čestice i pod određenim uglovima (tangente), većina zraka se gotovo potpuno odbija i usmjerava natrag, gotovo paralelno sa upadnim zrakama. Ove zrake stvaraju uzorak difrakcije u suprotnom smjeru. Zbog toga Gloria nazivaju i “anti-kruna” ili “anti-kruna”. Brocken ghost nastaje na neravnom terenu kada je sunce iza posmatrača oko senke osobe koja pada na vertikalni zid magle. Rano ujutru, čim sunce izađe, na livadi obilno prekrivenoj rosom, nimbus, formira se oko senke nečije glave.
Ponekad tokom dana pojedini dijelovi cirokumulusa ili altokumulusa zasijaju duginim bojama, a te boje svjetlucaju poput sedefa. Boja je posebno intenzivna na tankim rubovima oblaka. Iridescencija oblaka . Do igre boja dolazi jer se oblak kreće i mijenja svoju gustinu.
Optički fenomeni uočeni u atmosferi usko su povezani s procesima koji se u njoj odvijaju, stoga su krune i oreoli jedan od glavnih lokalnih znakova vremena.
Fenomeni astronomski I zemaljska refrakcija, uzrokovano lomom svjetlosnih zraka u atmosferi zbog neravnomjerne raspodjele temperature i gustine zraka. Refrakcija se zove astronomski, ako je izvor svjetlosti izvan atmosfere. Njegove posljedice: treperenje zvijezda, izobličenje oblika solarnog diska pri izlasku i zalasku sunca, te povećanje dužine dana. U srednjim geografskim širinama (Moskva, Sankt Peterburg), zbog refrakcije, dan se obično povećava za ne više od 8-12 minuta, a na polovima se povećava. Pri zalasku ili izlasku sunca, kada je Sunce ispod horizonta, refrakcija ga podiže, a dan se i dalje nastavlja. Povećanje dužine dana zavisi od visine zvezde, geografske širine lokacije, temperature i pritiska vazduha na površini Zemlje.
Zbog prelamanja sunčeve svjetlosti, pri izlasku i zalasku sunca oblik solarnog diska je izobličen. Spljoštenje Sunca se objašnjava činjenicom da njegova donja ivica, dodirujući horizont, doživljava jače prelamanje od gornje. Zvijezde koje trepere objašnjava se lomom i djelomičnim raspršivanjem zraka koje dolaze iz zvijezde, u mlazovima bilo toplog ili hladnog zraka, koji se stalno susreću na putu njenih zraka u atmosferi.
Terestrička refrakcija nastaje kao rezultat prolaska i prelamanja zraka od objekata koji se nalaze unutar atmosfere u slojevima zraka različite gustoće. Manifestacija zemaljske refrakcije uzrokovana je velikim temperaturnim gradijentima (više od 3°C na 100 m) u atmosferi. U ovom slučaju, udaljeni objekti mogu izgledati kao da su podignuti ili spušteni u odnosu na njihov stvarni položaj, a mogu se i izobličiti i dobiti nepravilne, fantastične oblike. Postoji nekoliko vrsta fatamorgana ovisno o tome gdje se slika nalazi u odnosu na objekt: gornja, donja, bočna i složena.
Inferiorna miraža: Nastaje kao rezultat refleksije objekata ili neba od jako zagrijanog zraka na površini zemlje. Nalazi se u stepama i pustinjama.
Gornja fatamorgana. Nastaju kao rezultat refleksije objekata koji se nalaze izvan horizonta od toplog sloja zraka koji se nalazi iznad vrlo hladne površine Zemlje ili mora. Povoljni uslovi za njih stvaraju se u polarnim područjima ili iznad hladnih mora.
Bočna fatamorgana. Nastaje kada se slojevi zraka iste gustoće nalaze u atmosferi ne horizontalno, već koso ili čak okomito. Takvi uslovi stvaraju se ljeti, ujutro nakon izlaska sunca, na kamenitim obalama mora ili jezera, kada je obala već obasjana Suncem, a površina vode i zraka iznad nje je još uvijek hladna.
Kompleksna vrsta fatamorgana, ili Fata Morgana, nastaju kada istovremeno postoje uslovi za pojavu i gornje i donje fatamorgane, na primjer, prilikom značajne temperaturne inverzije na određenoj visini iznad tople vode, formira se sloj hladnog zraka. Kao rezultat strujanja zraka s priobalnih planina. Čarobni dvorci se pojavljuju nad morem, mijenjaju se, rastu, nestaju.
Neobične atmosferske pojave ulijevale su i ulijevaju strah mističnim ljudima. Stoga, u cilju formiranja objektivnog pogleda na svijet kod učenika, ova pitanja se mogu razmatrati na izbornoj nastavi. Proučavanje prirode optičkih fenomena pomoći će da se objasni naučna osnova fizičkih procesa, zadovolji kognitivni interes studentima da proučavaju odabrana područja znanja. Fotografije fenomena mogu se koristiti u demonstracijske svrhe na časovima geografije u školi. Bez sumnje, svaki student će biti zainteresovan da proširi horizonte svog znanja u oblasti proučavanja optičkih pojava u prirodi.
Svod je čovjeku predstavio mnoge zagonetke, a u procesu rješavanja ovih problema došlo je do isto toliko novih otkrića. Svjetlosni snop koji prolazi kroz atmosferu naše planete ne samo da je obasjava, već joj daje jedinstven izgled, čineći je lijepom.
Prvi pokušaj da se duga objasni kao prirodni fenomen napravio je 1611. godine nadbiskup Antonio Dominis, zbog čega je ekskomuniciran i osuđen na smrt. smrtna kazna, a njegovi rukopisi su spaljeni
Naučno objašnjenje duge prvi je dao Rene Descartes 1637. Descartes je konstruirao sliku za 10.000 zraka. Pokazalo se da sa jednim odrazom samo mala grupa zraka (oni su istaknuti punim linijama) izlazi iz kapljice u kompaktnom snopu, formirajući ugao od oko 42° sa smjerom upadnih sunčevih zraka, a sa dvostruki odraz - 52°. Sve ostalo (označeno isprekidanim linijama) rašireno u široku lepezu, raspršeno. U čast otkrića, ovaj kompaktni snop se zove Descartesov zrak.
Manje od 5% energije sunčevog toka koji pada na kap troši se na dugu. U ovom slučaju, oko 4% ide na formiranje prve duge.
Svaka osoba vidi svoju dugu. Proračuni su pokazali da se duge 3., 4., 7. i 8. unutrašnje refleksije nalaze oko Sunca, a 5., 6. - oko antisolarne tačke. Ugaone dimenzije takvih duga mogu se smanjiti na 30° 14° i 16° 51°. Međutim, mi ih jedva viđamo.
Rice. 5.
Pripremio učenik 11.B razreda
Lukyanenko Anastasia
Optički fenomeni u atmosferi
Mirage
Postoje tri klase fatamorgana. Prva klasa su niže fatamorgane. Kod ove vrste fatamorgane donji dio pustinje, tj. mala traka pijeska optički se pretvara u neku vrstu jezerca. To se može vidjeti ako je nivo iznad ovog opsega. Takve fatamorgane su najčešće. Druga vrsta fatamorgana su superiorne fatamorgane. Ovo je rjeđa pojava, a i manje slikovita. Vrhunske fatamorgane pojavljuju se na velikim udaljenostima i na velikim visinama iznad horizonta. Treća klasa fatamorgana prkosi svakom objašnjenju, a naučnici dugi niz godina zbunjuju rješenje ove misterije.
Šta je razlog za pojavu tako nevjerovatnih pojava? To se dešava zahvaljujući nevjerovatnim igrama svjetlosti i zraka. Evo kako da to shvatite. Kada je temperatura vazduha dosta visoka, a viša je na površini zemlje nego u višim slojevima, stvaraju se povoljni uslovi za pojavu fatamorgana. Gustoća zraka opada kako se njegova temperatura povećava, i obrnuto. I, kao što znate, što je zrak gušći, to bolje prelama svjetlost. Zrake koje padaju s neba imaju plavi spektar, a neke od njih se lome, dok druge dosežu ljudski vid i oblici velika slika vidljivo nebo. Taj dio zraka koji se prelama dopire do tla ispred osobe i, prelamajući se na njenoj površini, također pada u vidno polje osobe. Ove zrake vidimo u plavom spektru, zbog čega se čini da je ispred nas plava vodena masa. Ovaj utisak je pojačan zagrejanim vazduhom koji osciluje ispred nas.
Ako se iznad površine mora pojavi fatamorgana, onda se sve događa upravo suprotno. Ispod, iznad površine vode, temperatura vazduha je niža, a sa visinom viša. Ovim spletom okolnosti nastaju gornje fatamorgane u kojima promatramo sliku jednog ili drugog objekta na nebu.
Rainbow.
Duga je prekrasan nebeski fenomen koji je oduvijek privlačio ljudsku pažnju. U ranijim vremenima, kada su ljudi još uvijek znali vrlo malo o svijetu oko sebe, duga se smatrala “nebeskim znakom”. Dakle, stari Grci su mislili da je stotinu duga osmeh boginje Iris. Duga se posmatra u pravcu suprotnom od Sunca, na pozadini kišnih oblaka ili kiše. Višebojni luk obično se nalazi na udaljenosti od 1-2 km od promatrača, ponekad se može promatrati na udaljenosti od 2-3 m na pozadini kapljica vode koje formiraju fontane ili vodeni prskali. Duga ima sedam osnovnih boja, koje glatko prelaze iz jedne u drugu.
Parhelia.
"Parhelium" u prijevodu sa grčkog znači "lažno sunce". Ovo je oblik oreola na nebu gdje se opaža jedna ili više dodatnih slika Sunca, koje se nalaze na istoj visini iznad horizonta kao i pravo Sunce. Milioni ledenih kristala sa okomitom površinom, koji reflektuju Sunce, formiraju ovaj prelepi fenomen.
Parhelije se mogu uočiti po mirnom vremenu sa niskim položajem Sunca, kada je značajan broj prizmi smješten u zraku tako da su im glavne ose okomite, a prizme se polako spuštaju poput malih padobrana. U ovom slučaju, najsjajnija prelomljena svjetlost ulazi u oko pod uglom od 220 od vertikalno postavljenih lica i stvara vertikalne stubove sa obe strane Sunca duž horizonta. Ovi stubovi mogu biti posebno svetli na nekim mestima, ostavljajući utisak lažnog Sunca.
Auroras
Jedan od najljepših optičkih fenomena prirode je aurora. Nemoguće je riječima prenijeti ljepotu aurora, prelivajućih, treperavih, plamtećih na pozadini mračnog noćnog neba na polarnim širinama.
U većini slučajeva, aurore imaju zelenu ili plavo-zelenu nijansu s povremenim mrljama ili rubom ružičaste ili crvene boje.
Aurora je vidljiva iz svemira. I to ne samo da je vidljivo, već je vidljivo mnogo bolje nego sa površine Zemlje, jer u svemiru ni sunce, ni oblaci, ni iskrivljavajući utjecaj nižih gustih slojeva atmosfere ne ometaju promatranje aurore. Prema astronautu, iz orbite ISS-a aurore izgledaju kao ogromne zelene amebe koje se neprestano kreću.
Aurora može trajati danima. Ili možda samo nekoliko desetina minuta.
Aurora se može posmatrati ne samo na Zemlji. Vjeruje se da atmosfere drugih planeta (na primjer, Venera) također imaju sposobnost stvaranja aurore. Priroda aurora na Jupiteru i Saturnu, prema najnovijim naučnim podacima, slična je prirodi njihovih zemaljskih kolega.
Atmosfera naše planete je prilično zanimljiv optički sistem, čiji indeks loma opada s visinom zbog smanjenja gustoće zraka. Stoga se Zemljina atmosfera može smatrati "lećom" gigantske veličine, koja ponavlja oblik Zemlje i ima monotono promjenljiv indeks prelamanja.
Ova okolnost dovodi do nastanka cjeline niz optičkih pojava u atmosferi, uzrokovana lomom (prelamanjem) i refleksijom (odbijanjem) zraka u njemu.
Pogledajmo neke od najznačajnijih optički fenomeni u atmosferi.
Atmosferska refrakcija
Atmosferska refrakcija- fenomen zakrivljenost svjetlosne zrake dok svjetlost prolazi kroz atmosferu.
Sa visinom, gustoća zraka (a samim tim i indeks loma) opada. Zamislimo da se atmosfera sastoji od optički homogenih horizontalnih slojeva, čiji indeks loma varira od sloja do sloja (Sl. 299).
Rice. 299. Promjena indeksa prelamanja u Zemljinoj atmosferi
Kada se svjetlosni snop širi u takvom sistemu, u skladu sa zakonom prelamanja, on će biti “pritisnut” okomito na granicu sloja. Ali gustina atmosfere se ne smanjuje naglo, već kontinuirano, što dovodi do glatke zakrivljenosti i rotacije zraka za ugao α dok prolazi kroz atmosferu.
Kao rezultat atmosferske refrakcije, vidimo Mjesec, Sunce i druge zvijezde nešto više nego gdje se zapravo nalaze.
Iz istog razloga se dužina dana povećava (na našim geografskim širinama za 10-12 minuta), a diskovi Mjeseca i Sunca na horizontu se smanjuju. Zanimljivo je da je maksimalni ugao prelamanja 35" (za objekte blizu horizonta), što premašuje prividnu ugaonu veličinu Sunca (32").
Iz ove činjenice proizilazi: u trenutku kada vidimo da je donja ivica zvijezde dotakla liniju horizonta, zapravo je solarni disk već ispod horizonta (Sl. 300).
Rice. 300. Atmosfersko prelamanje zraka pri zalasku sunca
Zvijezde koje trepere
Zvijezde koje trepere takođe vezano za astronomsko prelamanje svetlosti. Odavno je zapaženo da je treperenje najuočljivije kod zvijezda koje se nalaze blizu horizonta. Vazdušne struje u atmosferi se gustina vazduha menja tokom vremena, što dovodi do prividnog treperenja nebeskog tela. Astronauti u orbiti ne primjećuju nikakvo treperenje.
Mirage
U vrućim pustinjskim ili stepskim predjelima iu polarnim područjima, snažno zagrijavanje ili hlađenje zraka u blizini zemljine površine dovodi do pojave fatamorgane: Zahvaljujući zakrivljenosti zraka, objekti koji se zapravo nalaze daleko iza horizonta postaju vidljivi i izgledaju blizu.
Ponekad se ovaj fenomen naziva zemaljska refrakcija. Pojava fatamorgana objašnjava se ovisnošću indeksa prelamanja zraka o temperaturi. Postoje inferiorne i superiorne fatamorgane.
Inferior Mirage vidi se vrelog ljetnog dana na dobro zagrijanom asfaltnom putu: čini nam se da su ispred nas lokve, kojih zapravo i nema. U ovom slučaju uzimamo za "lokvice" odraz ogledala zrake iz nejednoliko zagrijanih slojeva zraka koji se nalaze u neposrednoj blizini "vrućeg" asfalta.
Gornje fatamorgane Odlikuju se značajnom raznolikošću: u nekim slučajevima daju direktnu sliku (slika 301, a), u drugima - obrnutu sliku (slika 301, b), mogu biti dvostruke, pa čak i trostruke. Ove karakteristike su povezane sa različitim zavisnostima temperature vazduha i indeksa prelamanja od visine.
Rice. 301. Formiranje fatamorgana: a - direktna fatamorgana; b - obrnuta fatamorgana
Rainbow
Atmosferske padavine dovode do pojave spektakularnih optičkih fenomena u atmosferi. Tako za vrijeme kiše nastaje nevjerovatan i nezaboravan prizor duge, što se objašnjava fenomenom različite refrakcije (disperzije) i refleksije sunčevih zraka na najmanjim kapljicama u atmosferi (Sl. 302).
Rice. 302. Formiranje duge
U posebno uspješnim slučajevima možemo vidjeti nekoliko duga odjednom, redoslijed boja u kojima je obrnut.
Zraka svjetlosti uključena u formiranje duge prolazi kroz dva prelamanja i višestruku refleksiju u svakoj kapi kiše. U ovom slučaju, donekle pojednostavljujući mehanizam formiranja duge, možemo reći da sferične kapi kiše igraju ulogu prizme u Newtonovom eksperimentu razlaganja svjetlosti u spektar.
Zbog prostorne simetrije duga je vidljiva u obliku polukruga sa uglom otvaranja od oko 42°, dok posmatrač (sl. 303) treba da bude između Sunca i kišnih kapi, leđima okrenut Suncu.
Raznolikost boja u atmosferi objašnjava se šarama rasipanje svetlosti na česticama različitih veličina. Zbog činjenice da Plava boja rasipa više od crvene - tokom dana, kada je Sunce visoko iznad horizonta, vidimo nebo plavo. Iz istog razloga, blizu horizonta (pri zalasku ili izlasku), Sunce postaje crveno i nije tako sjajno kao u zenitu. Pojava obojenih oblaka povezana je i sa rasipanjem svjetlosti česticama različitih veličina u oblaku.
Književnost
Zhilko, V.V. Fizika: udžbenik. dodatak za 11. razred. opšte obrazovanje institucije sa ruskim jezikom jezik obuka u trajanju od 12 godina (osnovni i napredni) / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - Minsk: Nar. Asveta, 2008. - str. 334-337.
1. Optički fenomeni u atmosferi bili su prvi optički efekti koje su ljudi uočili. Sa razumijevanjem prirode ovih pojava i prirode ljudskog vida, počelo je formiranje problema svjetlosti.
Ukupan broj optičkih pojava u atmosferi je veoma velik. Ovdje će se razmatrati samo najpoznatiji fenomeni - fatamorgane, duge, oreoli, krune, svjetlucave zvijezde, plavo nebo i grimizna zora. Formiranje ovih efekata je povezano sa takvim svojstvima svetlosti kao što su prelamanje na interfejsu, interferencija i difrakcija.
2. Atmosferska refrakcija – ovo je savijanje svetlosnih zraka dok prolaze kroz atmosferu planete. U zavisnosti od izvora zraka razlikuju se astronomskih i zemaljskih refrakcija. U prvom slučaju, zraci dolaze iz nebeskih tijela (zvijezde, planete), u drugom slučaju, iz zemaljskih objekata. Kao rezultat atmosferske refrakcije, posmatrač vidi objekat ne tamo gde se nalazi, ili nema oblik koji ima.
3. Astronomska refrakcija bio poznat još u doba Ptolomeja (2. vek nove ere). 1604. J. Kepler je sugerirao da Zemljina atmosfera ima gustinu neovisnu o visini i određenu debljinu h(Sl. 199). Ray 1 dolazi sa zvijezde S pravo na posmatrača A u pravoj liniji, neće mu pogoditi oko. Nakon što se prelomi na granici vakuuma i atmosfere, pogodiće tačku IN.
Zraka 2 će pogoditi posmatračevo oko, koje bi, u nedostatku refrakcije u atmosferi, moralo da prođe. Kao rezultat prelamanja (refrakcije), posmatrač će vidjeti zvijezdu u smjeru različitom od S, i na nastavku snopa prelomljenog u atmosferi, odnosno u pravcu S 1 .
Ugao γ , kojim odstupa prema zenitu Z prividan položaj zvezde S 1 u poređenju sa pravom pozicijom S, zvao ugao prelamanja. U Keplerovo vrijeme, uglovi prelamanja su već bili poznati iz rezultata astronomskih posmatranja nekih zvijezda. Stoga je Kepler koristio ovu šemu za procjenu debljine atmosfere h. Prema njegovim proračunima, pokazalo se h» 4 km. Ako računamo po masi atmosfere, onda je to otprilike dva puta manje od prave.
U stvarnosti, gustina Zemljine atmosfere opada sa visinom. Stoga su donji slojevi zraka optički gušći od gornjih slojeva. Svjetlosne zrake koje idu koso prema Zemlji ne prelamaju se u jednoj tački na granici vakuuma i atmosfere, kao u Keplerovoj shemi, već se postupno savijaju duž cijele staze. Ovo je slično tome kako zrak svjetlosti prolazi kroz hrpu prozirnih ploča čiji je indeks loma veći, što se ploča nalazi niže. Međutim, ukupni efekat refrakcije se manifestuje na isti način kao u Keplerovoj šemi. Zapazimo dva fenomena uzrokovana astronomskom lom.
A. Prividni položaji nebeskih objekata pomiču se prema zenitu po uglom prelamanja γ
. Što je zvijezda niža od horizonta, to se njen prividni položaj na nebu više podiže u odnosu na njen pravi (Sl. 200). Stoga slika zvjezdano nebo, posmatrano sa Zemlje, donekle je deformisano prema centru. Samo se tačka ne pomera S, koji se nalazi u zenitu. Zahvaljujući atmosferskom prelamanju, mogu se uočiti zvijezde koje se nalaze nešto ispod geometrijskog horizonta.
Vrijednosti ugla prelamanja γ brzo se smanjuju sa povećanjem ugla β visina svetiljke iznad horizonta. At β = 0 γ = 35" . Ovo je maksimalni ugao prelamanja. At β = 5º γ = 10" , at β = 15º γ = 3" , at β = 30º γ = 1" . Za svetiljke čija visina β > 30º, refrakcijski pomak γ < 1" .
b. Sunce obasjava više od polovine površine globus
. Zrake 1 - 1, koje bi, u nedostatku atmosfere, trebale dodirivati Zemlju u tačkama dijametralnog presjeka DD, zahvaljujući atmosferi dodiruju ga nešto ranije (Sl. 201).
Površinu Zemlje dodiruju zraci 2 - 2, koji bi bez atmosfere prošli. Kao rezultat, terminatorska linija BB, odvajajući svetlost od senke, pomera se u oblast noćne hemisfere. Stoga je dnevna površina Zemlje veća od noćne površine.
4. Terestrička refrakcija. Ako su fenomeni astronomske refrakcije posljedica globalni refraktivni efekat atmosfere, onda su fenomeni zemaljske refrakcije posljedica lokalne atmosferske promjene, obično povezana s temperaturnim anomalijama. Najznačajnije manifestacije zemaljske refrakcije su fatamorgane.
A. Superior Mirage(od fr. mirage). Obično se opaža u arktičkim regijama sa čistim vazduhom i niskim površinskim temperaturama Zemlje. Snažno hlađenje površine ovdje je posljedica ne samo niskog položaja sunca iznad horizonta, već i činjenice da površina prekrivena snijegom ili ledom odbija većinu zračenja u svemir. Kao rezultat toga, u prizemnom sloju, kako se približavamo površini Zemlje, temperatura se vrlo brzo smanjuje, a optička gustoća zraka raste.
Zakrivljenost zraka prema Zemlji ponekad je toliko značajna da se uočavaju objekti koji se nalaze daleko izvan linije geometrijskog horizonta. Zrak 2 na slici 202, koji bi u normalnoj atmosferi išao u njene gornje slojeve, u ovom slučaju je savijen prema Zemlji i ulazi u oko posmatrača.
Očigledno je upravo takva fatamorgana koja predstavlja legendarne "Leteće Holanđane" - duhove brodova koji se zapravo nalaze stotinama, pa čak i hiljadama kilometara daleko. Ono što iznenađuje kod superiornih fatamorgana je da nema primjetnog smanjenja prividne veličine tijela.
Na primjer, 1898. godine, posada bremenskog broda Matador promatrala je brod duhova, čije su prividne dimenzije odgovarale udaljenosti od 3-5 milja. U stvari, kako se kasnije ispostavilo, ovaj brod je u to vrijeme bio udaljen oko hiljadu milja. (1 nautička milja je jednaka 1852 m). Površinski vazduh ne samo da savija svetlosne zrake, već ih i fokusira kao složen optički sistem.
U normalnim uslovima, temperatura vazduha opada sa povećanjem nadmorske visine. Obrnuti tok temperature, kada temperatura raste sa povećanjem nadmorske visine, naziva se temperaturna inverzija. Temperaturne inverzije se mogu javiti ne samo u arktičkim zonama, već i na drugim, nižim geografskim širinama. Stoga se vrhunske fatamorgane mogu pojaviti svugdje gdje je zrak dovoljno čist i gdje dolazi do temperaturnih inverzija. Na primjer, na mediteranskoj obali ponekad se zapažaju fatamorgane vida na daljinu. Temperaturnu inverziju ovdje stvara vrući zrak iz Sahare.
b. Inferior Mirage javlja se kada se temperatura menja i obično se posmatra u pustinjama tokom vrućih vremena. Do podneva, kada je sunce visoko, pješčano tlo pustinje, koje se sastoji od čestica čvrstih minerala, zagrijava se do 50 stepeni ili više. Istovremeno, na visini od nekoliko desetina metara zrak ostaje relativno hladan. Stoga je indeks prelamanja slojeva zraka koji se nalaze iznad primjetno veći u odnosu na zrak blizu tla. To također dovodi do savijanja zraka, ali u suprotnom smjeru (Sl. 203).
Zraci svjetlosti koji dolaze iz dijelova neba nisko iznad horizonta, koji se nalaze nasuprot posmatraču, stalno se savijaju prema gore i ulaze u oko posmatrača u smjeru odozdo prema gore. Kao rezultat toga, na njihovom nastavku na površini zemlje, promatrač vidi odraz neba, koji podsjeća na površinu vode. Ovo je takozvana "jezerska" fatamorgana.
Efekat je još pojačan kada se u pravcu posmatranja nalaze stene, brda, drveće i zgrade. U ovom slučaju, oni su vidljivi kao ostrva usred ogromnog jezera. Štaviše, ne samo da je predmet vidljiv, već i njegov odraz. Po prirodi zakrivljenosti zraka, površinski sloj zraka djeluje kao ogledalo površine vode.
5. Rainbow. Šareno je optički fenomen uočen tokom kiše, obasjan suncem i predstavlja sistem koncentričnih lukova u boji.
Prvu teoriju duge razvio je Descartes 1637. Do tada su bile poznate sljedeće eksperimentalne činjenice vezane za dugu:
A. Središte duge O nalazi se na pravoj liniji koja povezuje Sunce i oko posmatrača(Sl. 204).
b. Oko linije simetrije Oko-Sunce nalazi se luk u boji sa ugaonim radijusom od oko 42° . Boje su raspoređene, računajući od centra, redom: plava (d), zelena (h), crvena (j)(grupa linija 1). Ovo glavna duga. Unutar glavne duge postoje slabi raznobojni lukovi crvenkastih i zelenkastih nijansi.
V. Drugi sistem lukova sa radijusom ugla oko 51° nazvana sekundarna duga. Njegove boje su mnogo blijede i idu obrnutim redoslijedom, računajući od centra, crvene, zelene, plave (grupa linija 2) .
G. Glavna duga se pojavljuje samo kada je sunce iznad horizonta pod uglom ne većim od 42°.
Kao što je Descartes ustanovio, glavni razlog za formiranje glavne i sekundarne duge je prelamanje i refleksija svjetlosnih zraka u kišnim kapima. Razmotrimo glavne odredbe njegove teorije.
6. Refrakcija i refleksija monohromatskog zraka u kapi. Neka monohromatski snop intenziteta I 0 pada na sferni pad polumjera R na daljinu y od ose u ravni dijametralnog preseka (Sl. 205). Na tački udara A dio zraka se reflektira, a glavni dio reflektira intenzitet I 1 ide unutar kapi. U tački B većina zraka prolazi u zrak (na slici 205 izlazi u IN zraka nije prikazana), a manji dio se odbija i pada u tačku WITH. Na kraju WITH intenzitet snopa I 3 je uključen u formiranje glavne duge i slabih sekundarnih traka unutar glavne duge.
Nađimo ugao θ , ispod kojeg izlazi snop I 3 u odnosu na upadnu zraku I 0 . Imajte na umu da su svi uglovi između zraka i normale unutar kapi isti i jednaki kutu prelamanja β . (Trouglovi OAV I OBC jednakokraki). Bez obzira koliko se snop "okreće" unutar kapi, svi uglovi upada i refleksije su isti i jednaki kutu prelamanja β . Iz tog razloga, svaki zrak koji izlazi iz pada u tačkama IN, WITH itd., izlazi pod istim uglom jednakim upadnom uglu α .
Da pronađem ugao θ otklon snopa I 3 od originala, morate zbrojiti uglove odstupanja u tačkama A, IN I WITH: q = (α – β) + (π – 2β) + (α - β) = π + 2α – 4β . (25.1)
Pogodnije je izmjeriti akutni ugao φ = π – q = 4β – 2α . (25.2)
Nakon što je izvršio proračune za nekoliko stotina zraka, Descartes je otkrio da je ugao φ sa rastom y, odnosno kako se snop udaljava I 0 od ose pada, prvo se povećava apsolutna vrijednost, na y/R≈ 0,85 poprima maksimalnu vrijednost, a zatim počinje opadati.
Sada je ovo granična vrijednost ugla φ može se pronaći ispitivanjem funkcije φ do ekstrema po at. Od grijeha α = yçR, i grijeh β = yçR· n, To α = arcsin( yçR), β = arcsin( yçRn). Onda
, 
. (25.3)
Raširenjem pojmova na različite dijelove jednačine i kvadriranjem dobijamo:
, Þ (25.4)
Za žuto D-natrijumove linije λ = 589,3 nm indeks prelamanja vode n= 1.333. Udaljenost tačke A pojavljivanje ovog zraka iz ose y= 0,861R. Granični ugao za ovu zraku je
Pitam se u čemu je poenta IN prva refleksija snopa u kapi je takođe maksimalno udaljena od ose kapi. Istraživši ekstremni ugao d= str– α – ε = str– α – (str– 2β ) = 2β – α u veličini at, dobijamo isti uslov, at= 0,861R I d= 42,08°/2 = 21,04°.
Slika 206 prikazuje zavisnost ugla φ , ispod kojeg zraka izlazi iz kapi nakon prvog odraza (formula 25.2), iz pozicije tačke A ulazak zraka u kap. Svi zraci se reflektuju unutar konusa sa uglom na vrhu od ≈ 42º.
Za formiranje duge veoma je važno da zraci ulaze u kap u cilindričnom sloju debljine uçR od 0,81 do 0,90, izlaze nakon refleksije u tankom zidu konusa u ugaonom opsegu od 41,48º do 42,08º. Spoljašnji zid konusa je glatki (postoji ekstremum ugla φ
), unutrašnjost je labava. Ugaona debljina zida ≈ 20 lučnih minuta. Za prolazne zrake, kap se ponaša kao sočivo žižna daljina f= 1,5R. Zraci ulaze u kap duž cijele površine prve hemisfere, odbijaju se nazad divergentnim snopom u prostoru konusa sa aksijalnim uglom ≈ 42º i prolaze kroz prozor ugaonog radijusa ≈ 21º (Sl. 207 ).
7. Intenzitet zraka koji izlaze iz kapi. Ovdje ćemo govoriti samo o zracima koji su izašli iz kapi nakon 1. refleksije (Sl. 205). Ako zrak pada na kap pod uglom α , ima intenzitet I 0, tada snop koji prolazi u kap ima intenzitet I 1 = I 0 (1 – ρ ), Gdje ρ – koeficijent refleksije intenziteta.
Za nepolarizovano svetlo, refleksiju ρ može se izračunati pomoću Fresnelove formule (17.20). Budući da formula uključuje kvadrate funkcija razlike i zbroj uglova α I β , tada koeficijent refleksije ne zavisi od toga da li snop ulazi u kap ili iz kapi. Jer uglovi α I β u tačkama A, IN, WITH su isti, onda koeficijent ρ na svim tačkama A, IN, WITH isto. Dakle, intenzitet zraka I 1 = I 0 (1 – ρ ), I 2 = I 1 ρ = I 0 ρ (1 – ρ ), I 3 = I 2 (1 – ρ ) = I 0 ρ (1 – ρ ) 2 .
Tabela 25.1 prikazuje vrijednosti uglova φ , koeficijent ρ i omjeri intenziteta I 3 çI 0 izračunato na različitim udaljenostima uçR ulaz zraka za žutu natrijumovu liniju λ = 589,3 nm. Kao što se vidi iz tabele, kada at≤ 0,8R u gredu I 3, manje od 4% energije iz zraka koji pada na kap pada. I to samo počevši od at= 0,8R i više do at= R intenzitet puštenog zraka I 3 se povećava nekoliko puta.
| Tabela 25.1 |
|||||
| y/R | α ,º | β ,º | φ ,º | ρ | I 3 /I 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0,020 | 0,019 |
| 0,30 | 17,38 | 12,94 | 16,99 | 0,020 | 0,019 |
| 0,50 | 29,87 | 21,89 | 27,82 | 0,021 | 0,020 |
| 0,60 | 36,65 | 26,62 | 33,17 | 0,023 | 0,022 |
| 0,65 | 40,36 | 29,01 | 35,34 | 0,025 | 0,024 |
| 0,70 | 44,17 | 31,52 | 37,73 | 0,027 | 0,025 |
| 0,75 | 48,34 | 34,09 | 39,67 | 0,031 | 0,029 |
| 0,80 | 52,84 | 36,71 | 41,15 | 0,039 | 0,036 |
| 0,85 | 57,91 | 39,39 | 42,08 | 0,052 | 0,046 |
| 0,90 | 63,84 | 42,24 | 41,27 | 0,074 | 0,063 |
| 0,95 | 71,42 | 45,20 | 37,96 | 0,125 | 0,095 |
| 1,00 | 89,49 | 48,34 | 18,00 | 0,50 | 0,125 |
Dakle, zraci koji izlaze iz kapi pod najvećim uglom φ , imaju znatno veći intenzitet u odnosu na druge zrake iz dva razloga. Prvo, zbog jakog ugaonog kompresije snopa zraka u tankom zidu stošca, a drugo, zbog manjih gubitaka u padu. Samo intenzitet ovih zraka dovoljan je da izazove osjećaj svjetlucanja kapi u oku.
8. Formiranje glavne duge. Kada svjetlost padne na kap zbog disperzije, snop se dijeli. Kao rezultat toga, zid stošca svijetle refleksije je slojevit po boji (Sl. 208). Ljubičaste zrake ( l= 396,8 nm) izaći pod uglom j= 40°36", crvena ( l= 656,3 nm) – pod uglom j= 42°22". U ovom ugaonom intervalu D φ
= 1°46" sadrži ceo spektar zraka koje izlaze iz kapi. Ljubičaste zrake formiraju unutrašnji konus, crvene formiraju spoljašnji. Ako posmatrač vidi kapi kiše osvetljene suncem, onda one čije zrake iz konusa ulaze oko se vidi kao najsjajnije. Kao rezultat toga, sve kapi koje se nalaze u odnosu na sunčevu zraku koja prolazi kroz oko posmatrača, pod uglom crvenog stošca, vide se kao crvene, a pod uglom zelenog stošca zelene (Sl. 209).
9. Formiranje sekundarne duge nastaje zbog zraka koje izlaze iz kapi nakon drugog odraza (Sl. 210). Intenzitet zraka nakon druge refleksije je približno red veličine niži u odnosu na zrake nakon prvog odraza i ima približno isti tok s promjenom uçR.
Zrake koje izlaze iz kapi nakon drugog odraza formiraju konus sa uglom na vrhu od ≈ 51º. Ako primarni konus ima glatku stranu izvana, onda sekundarni konus ima glatku stranu iznutra. Između ovih čunjeva praktički nema zraka. Što su kapi kiše veće, to je duga svjetlija. Kako se veličina kapljice smanjuje, duga blijedi. Kada kiša pređe u kišu R≈ 20 – 30 µm, duga se degenerira u bjelkasti luk s gotovo nerazlučivim bojama.
10. Halo(iz grčkog halōs- prsten) je optički fenomen koji obično predstavlja duginih krugova oko diska Sunca ili Meseca sa ugaonim radijusom 22º I 46º. Ovi krugovi nastaju kao rezultat prelamanja svjetlosti kristalima leda koji se nalaze u cirusnim oblacima, u obliku heksagonalnih pravilnih prizmi.
Snježne pahulje koje padaju na tlo vrlo su raznolikog oblika. Međutim, kristali nastali kao rezultat kondenzacije para u gornjim slojevima atmosfere uglavnom su u obliku heksagonalnih prizmi. Od svih mogućih opcija za prolazak snopa kroz heksagonalnu prizmu, tri su najvažnije (slika 211).
U slučaju (a), snop prolazi kroz suprotne paralelne strane prizme bez cijepanja ili skretanja.
U slučaju (b), zrak prolazi kroz plohe prizme, formirajući ugao od 60º između njih, i lomi se kao u spektralnoj prizmi. Intenzitet zraka koji izlazi pod uglom najmanjeg odstupanja od 22º je maksimalan. U trećem slučaju (c), snop prolazi kroz bočnu stranu i bazu prizme. Ugao prelamanja je 90º, ugao najmanjeg odstupanja je 46º. U oba potonja slučaja, bijeli zraci su podijeljeni, plavi zraci se odbijaju više, a crveni manje. 
Slučajevi (b) i (c) uzrokuju pojavu prstenova uočenih u propuštenim zracima koji imaju ugaone dimenzije od 22º i 46º (Sl. 212).
Obično je vanjski prsten (46º) svjetliji od unutrašnjeg prstena i oba imaju crvenkastu nijansu. Ovo se objašnjava ne samo intenzivnim rasipanjem plavih zraka u oblaku, već i činjenicom da je disperzija plavih zraka u przmi veća od disperzije crvenih zraka. Zbog toga plavi zraci izlaze iz kristala u visoko divergentnom snopu, zbog čega se njihov intenzitet smanjuje. A crveni zraci izlaze u uskom snopu sa znatno većim intenzitetom. U povoljnim uslovima, kada je moguće razlikovati boje, unutrašnji dio prstenova je crven, a vanjski dio plave boje.
10. Krune– lagani magloviti prstenovi oko diska svetiljke. Njihov ugaoni radijus je mnogo manji od radijusa oreola i ne prelazi 5º. Krune nastaju zbog difrakcionog raspršivanja zraka na kapljicama vode koje formiraju oblak ili maglu.
Ako je radijus pada R, tada se prvi difrakcijski minimum u paralelnim zracima opaža pod uglom j = 0,61∙lçR(vidi formulu 15.3). Evo l- talasna dužina svetlosti. Difrakcijski obrasci pojedinačnih kapi u paralelnim snopovima se poklapaju, zbog čega se povećava intenzitet svjetlosnih prstenova.
Prečnik krunica se može koristiti za određivanje veličine kapljica u oblaku. Što su kapi veće (više R), što je ugaona veličina prstena manja. Najveći prstenovi se posmatraju iz najmanjih kapi. Na udaljenostima od nekoliko kilometara, difrakcijski prstenovi su još uvijek uočljivi kada je veličina kapljice najmanje 5 mikrona. U ovom slučaju j max = 0,61 lçR≈ 5 ¸ 6°.
Boja svijetlih prstenova kruna je vrlo slaba. Kada je to uočljivo, vanjski rub prstenova ima crvenkastu boju. To jest, raspodjela boja u krunama je inverzna raspodjeli boja u halo prstenovima. Osim ugaonih dimenzija, to također omogućava razlikovanje krunica i oreola. Ako u atmosferi postoje kapljice širokog raspona veličina, tada prstenovi kruna, koji se međusobno preklapaju, formiraju opći svijetli sjaj oko diska svjetiljke. Ovaj sjaj se zove halo.
11. Plava boja neba i grimizna boja zore. Kada je Sunce iznad horizonta, nebo bez oblaka izgleda plavo. Činjenica je da iz zraka sunčevog spektra, u skladu sa Rayleighovim zakonom I diss ~ 1 /l Najintenzivnije su raspršene 4 kratke plave, cijan i ljubičaste zrake.
Ako je Sunce nisko iznad horizonta, tada se njegov disk percipira kao grimiznocrven iz istog razloga. Zbog intenzivnog raspršivanja kratkotalasne svjetlosti, do posmatrača dopiru uglavnom slabo raspršeni crveni zraci. Rasipanje zraka sa izlazećeg ili zalazećeg Sunca je posebno veliko jer zraci putuju velike udaljenosti blizu površine Zemlje, gdje je koncentracija raspršujućih čestica posebno visoka.
Jutarnja ili večernja zora - bojanje dijela neba blizu Sunca roze boje– objašnjava se difrakcijskim rasipanjem svjetlosti na kristalima leda u gornjim slojevima atmosfere i geometrijskom refleksijom svjetlosti od kristala.
12. Zvijezde koje trepere- To su brze promjene u sjaju i boji zvijezda, posebno uočljive u blizini horizonta. Treperenje zvijezda je uzrokovano lomom zraka u strujama zraka koji brzo prolaze, a koji zbog različite gustine imaju različite indekse prelamanja. Kao rezultat toga, sloj atmosfere kroz koji snop prolazi ponaša se kao sočivo s promjenjivom žižnom duljinom. Može biti sakupljanje ili rasipanje. U prvom slučaju, svjetlost je koncentrisana, sjaj zvijezde se povećava, u drugom se svjetlost raspršuje. Takva promjena predznaka se bilježi do stotine puta u sekundi.
Zbog disperzije, snop se raspada na zrake različitih boja, koje prate različite putanje i mogu se više razilaziti, što je zvijezda niža od horizonta. Udaljenost između ljubičastih i crvenih zraka jedne zvijezde može doseći 10 metara na površini Zemlje. Kao rezultat toga, posmatrač vidi stalnu promjenu sjaja i boje zvijezde.
Raznolikost optičkih pojava u atmosferi uzrokovana je različitim razlozima. Najčešći fenomeni uključuju munje i vrlo slikovite sjeverne i južne aurore. Osim toga, posebno su zanimljivi duga, oreol, parhelijum (lažno sunce) i lukovi, korona, oreoli i duhovi Brocken, fatamorgane, vatra Svetog Elma, svijetleći oblaci, zelene i sumjestaste zrake. Duga je najljepši atmosferski fenomen. Obično je to ogroman luk koji se sastoji od raznobojnih pruga, koji se promatra kada Sunce obasjava samo dio neba, a zrak je zasićen kapljicama vode, na primjer za vrijeme kiše. Višebojni lukovi su raspoređeni u spektralnom nizu (crvena, narandžasta, žuta, zelena, plava, indigo, ljubičasta), ali boje gotovo nikada nisu čiste jer se pruge međusobno preklapaju. U pravilu, fizičke karakteristike duge značajno variraju, pa su stoga vrlo raznolike po izgledu. Njihova zajednička karakteristika je da se centar luka uvijek nalazi na pravoj liniji povučenoj od Sunca do posmatrača. Lava duga je luk koji se sastoji od najsjajnijih boja - crvene spolja i ljubičaste iznutra. Ponekad je vidljiv samo jedan luk, ali se često bočni luk pojavljuje na vanjskoj strani glavne duge. Nije tako jarkih boja kao prva, a crvene i ljubičaste pruge u njemu mijenjaju mjesta: crvena se nalazi iznutra.
Formiranje glavne duge objašnjava se dvostrukim prelamanjem i jednom unutrašnjom refleksijom sunčevih zraka. Prodirući unutar kapi vode (A), zrak svjetlosti se lomi i razlaže, kao da prolazi kroz prizmu. Zatim dospijeva na suprotnu površinu kapi, odbija se od nje i ostavlja kap van. U ovom slučaju, svjetlosni zrak se lomi drugi put prije nego što stigne do posmatrača. Početni bijeli snop se razlaže na snopove različitih boja sa uglom divergencije od 2°. Kada se formira sekundarna duga, dolazi do dvostrukog prelamanja i dvostrukog odraza sunčevih zraka. U ovom slučaju, svjetlost se lomi, prodire u kap kroz njen donji dio i odbija se od unutrašnje površine kapi, prvo u tački B, a zatim u tački C. U tački D, svjetlost se lomi, ostavljajući kap prema posmatraču. Kada kiša ili prskanje formiraju dugu, puni optički efekat se postiže kombinovanim efektom svih kapljica vode koje prelaze površinu duginog stošca sa posmatračem na vrhu. Uloga svake kapi je prolazna. Površina duginog konusa sastoji se od nekoliko slojeva. Brzo prelazeći ih i prolazeći kroz niz kritičnih tačaka, svaka kap momentalno razlaže sunčevu zraku na ceo spektar u strogo definisanom nizu - od crvene do ljubičaste. Mnoge kapi sijeku površinu stošca na isti način, tako da se duga čini posmatraču kao neprekidna i duž i poprijeko njenog luka. Oreoli su bijeli ili preliveni svjetlosni lukovi i krugovi oko diska Sunca ili Mjeseca. Nastaju zbog prelamanja ili refleksije svjetlosti od kristala leda ili snijega u atmosferi. Kristali koji formiraju oreol nalaze se na površini imaginarnog stošca s osom usmjerenom od posmatrača (od vrha konusa) prema Suncu. Pod određenim uslovima, atmosfera može biti zasićena malim kristalima, čija mnoga lica formiraju pravi ugao sa ravninom koja prolazi kroz Sunce, posmatrača i ove kristale. Takva lica reflektiraju dolazne svjetlosne zrake sa odstupanjem od 22?, formirajući oreol koji je iznutra crvenkast, ali se može sastojati i od svih boja spektra. Manje uobičajen je oreol sa ugaonim radijusom od 46°, lociran koncentrično oko oreola od 22°. Njegova unutrašnja strana također ima crvenkastu nijansu. Razlog tome je i prelamanje svjetlosti, koje se u ovom slučaju javlja na rubovima kristala koji formiraju prave uglove. Širina prstena takvog oreola prelazi 2,5?. I oreoli od 46 stepeni i od 22 stepena imaju tendenciju da budu najsjajniji na vrhu i na dnu prstena. Rijetki oreol od 90 stepeni je slabo blistav, gotovo bezbojan prsten koji dijeli zajednički centar s dva druga oreola. Ako je obojen, imat će crvenu boju na vanjskoj strani prstena. Mehanizam po kojem se ova vrsta oreola pojavljuje nije u potpunosti shvaćen. Parhelija i lukovi. Parhelični krug (ili krug lažnih sunca) je bijeli prsten sa središtem u zenitnoj tački, koji prolazi kroz Sunce paralelno s horizontom. Razlog za njegovo formiranje je refleksija sunčeve svjetlosti s rubova površina ledenih kristala. Ako su kristali dovoljno ravnomjerno raspoređeni u zraku, postaje vidljiv potpuni krug. Parhelije, ili lažna sunca, su jarko blistave mrlje koje podsjećaju na Sunce, koje se formiraju u tačkama preseka parheličnog kruga sa oreolom čiji su ugaoni poluprečniki 22?, 46? i 90?. Najčešći i najsjajniji parhelijum se formira na raskrsnici sa oreolom od 22 stepena, obično obojen u skoro svaku duginu boju. Lažna sunca na raskrsnicama sa oreolima od 46 i 90 stepeni primećuju se mnogo rjeđe. Parhelije koje se javljaju na raskrsnicama sa oreolima od 90 stepeni nazivaju se parantelijama ili lažnim kontrasuncima. Ponekad je vidljiv i antelijum (anti-sunce) - svetla tačka koja se nalazi na parhelijumskom prstenu tačno nasuprot Suncu. Pretpostavlja se da je uzrok ove pojave dvostruki unutrašnji odraz sunčeve svjetlosti. Reflektirana zraka prati isti put kao i upadna zraka, ali u suprotnom smjeru. Luk blizu zenita, koji se ponekad pogrešno naziva gornjim tangentnim lukom oreola od 46 stepeni, je luk od 90? ili manje, sa središtem u zenitnoj tački, koja se nalazi približno 46° iznad Sunca. Rijetko je vidljiv i samo nekoliko minuta, ima svijetle boje, a crvena je ograničena na vanjsku stranu luka. Luk blizu zenita je izuzetan po svojoj boji, svjetlini i jasnim obrisima. Još jedan zanimljiv i vrlo rijedak optički efekat halo tipa je Lowitzov luk. Nastaju kao nastavak parhelije na raskrsnici sa oreolom od 22 stepena, pružaju se sa vanjske strane oreola i blago su konkavni prema Suncu. Stubovi bjelkaste svjetlosti, poput raznih krstova, ponekad su vidljivi u zoru ili sumrak, posebno u polarnim područjima, a mogu pratiti i Sunce i Mjesec. Ponekad se primećuju lunarni oreoli i drugi efekti slični onima koji su gore opisani, sa najčešćim lunarnim oreolom (prsten oko Meseca) koji ima ugaoni radijus od 22°. Baš kao i lažna sunca, mogu se pojaviti lažni mjeseci. Korone, ili krune, su mali koncentrični prstenovi u boji oko Sunca, Mjeseca ili drugih svijetlih objekata koji se s vremena na vrijeme promatraju kada je izvor svjetlosti iza prozirnih oblaka. Poluprečnik korone je manji od poluprečnika oreola i iznosi cca. 1-5?, plavi ili ljubičasti prsten je najbliži Suncu. Korona nastaje kada se svjetlost rasprši malim kapljicama vode, formirajući oblak. Ponekad se korona pojavljuje kao svijetleća mrlja (ili oreol) koja okružuje Sunce (ili Mjesec), a završava se crvenkastim prstenom. U drugim slučajevima, izvan oreola su vidljiva najmanje dva koncentrična prstena većeg prečnika, vrlo slabo obojenih. Ovu pojavu prate oblaci duge. Ponekad rubovi vrlo visokih oblaka imaju svijetle boje. Glorija (ureoli). U posebnim uslovima nastaju neobične atmosferske pojave. Ako je Sunce iza posmatrača, a njegova sjena se projektuje na obližnje oblake ili zavjesu od magle, pod određenim stanjem atmosfere oko sjene nečije glave možete vidjeti obojeni svijetleći krug - oreol. Obično se takav oreol formira zbog refleksije svjetlosti od kapljica rose na travnatom travnjaku. Glorije se takođe često nalaze oko senke koju baca avion na oblacima ispod. Duhovi Brockena. U nekim dijelovima zemaljske kugle, kada senka posmatrača koji se nalazi na brdu pri izlasku ili zalasku sunca padne iza njega na oblake koji se nalaze na maloj udaljenosti, otkriva se upečatljiv efekat: sjena poprima kolosalne dimenzije. To se događa zbog refleksije i prelamanja svjetlosti od sićušnih kapljica vode u magli. Opisani fenomen nazvan je “Duh Brockena” po vrhu planine Harz u Njemačkoj. Mirage su optički efekat koji nastaje lomom svjetlosti pri prolasku kroz slojeve zraka različite gustine i izražen je u izgledu virtuelne slike. U ovom slučaju, udaljeni objekti mogu izgledati kao da su podignuti ili spušteni u odnosu na njihov stvarni položaj, a također mogu biti izobličeni i poprimiti nepravilne, fantastične oblike. Mirage se često uočavaju u vrućim klimama, kao što su peščane ravnice. Niže fatamorgane su uobičajene, kada udaljena, gotovo ravna pustinjska površina poprimi izgled otvorene vode, posebno kada se gleda sa blagog uzvišenja ili se jednostavno nalazi iznad sloja zagrijanog zraka. Ova iluzija se obično javlja na zagrijanom asfaltnom putu, koji izgleda kao vodena površina daleko ispred. U stvarnosti, ova površina je odraz neba. Ispod nivoa očiju, predmeti se mogu pojaviti u ovoj "vodi", obično naopako. Nad zagrijanom površinom zemljišta formira se „zrak“. slojevita torta“, a sloj najbliži tlu je zagrijani i toliko je rijedak da su svjetlosni valovi koji prolaze kroz njega izobličeni, jer se brzina njihovog širenja mijenja u zavisnosti od gustine medija. Gornje fatamorgane su manje uobičajene i slikovitije od donjih. Udaljeni objekti (često se nalaze izvan morskog horizonta) pojavljuju se naopako na nebu, a ponekad se i uspravna slika istog objekta pojavljuje iznad. Ova pojava je tipična za hladne krajeve, posebno kada postoji značajna temperaturna inverzija, kada se iznad hladnijeg sloja nalazi topliji sloj vazduha. Ovaj optički efekat se manifestuje kao rezultat složenih obrazaca širenja fronta svetlosnih talasa u slojevima vazduha nehomogene gustine. Vrlo neobične fatamorgane događaju se s vremena na vrijeme, posebno u polarnim područjima. Kada se fatamorgane događaju na kopnu, drveće i druge komponente pejzaža su naopačke. U svim slučajevima, objekti su jasnije vidljivi u gornjim miražama nego u donjim. Kada je granica dvije zračne mase okomita ravan, ponekad se primjećuju bočne fatamorgane. Vatra Svetog Elma. Neke optičke pojave u atmosferi (na primjer, sjaj i najčešća meteorološka pojava - munja) su električne prirode. Mnogo su rjeđe svjetiljke svetog Elma - svjetleće blijedoplave ili ljubičaste četke dužine od 30 cm do 1 m ili više, obično na vrhovima jarbola ili na krajevima brodova na moru. Ponekad se čini da je čitava oprema broda prekrivena fosforom i svijetli. Vatra sv. Elma se ponekad pojavljuje planinski vrhovi, kao i na tornjevima i oštrim uglovima visokih zgrada. Ovaj fenomen predstavlja električna pražnjenja na krajevima električnih vodiča kada se jakost električnog polja u atmosferi oko njih jako poveća. Will-o'-the-wisps su blagi plavičasti ili zelenkasti sjaj koji se ponekad uočava u močvarama, grobljima i kriptama. Često izgledaju kao plamen svijeće podignut oko 30 cm iznad tla, koji tiho gori, ne daje toplinu i na trenutak lebdi iznad objekta. Svetlost deluje potpuno neuhvatljivo i, kada se posmatrač približi, čini se da se pomera na drugo mesto. Razlog za ovu pojavu je raspadanje organskih ostataka i spontano sagorevanje močvarnog gasa metana (CH 4) ili fosfina (PH 3). Will-o'-the-wisps jesu različitih oblika, ponekad čak i sferni. Zeleni zrak - bljesak smaragdnozelene sunčeve svjetlosti u trenutku kada posljednji zrak Sunca nestane iza horizonta. Crvena komponenta sunčeve svjetlosti prva nestaje, sve ostale slijede redom, a posljednja ostaje smaragdno zelena. Ova pojava se javlja samo kada samo ivica solarnog diska ostane iznad horizonta, u suprotnom dolazi do mešanja boja. Krepuskularne zrake su divergentni snopovi sunčeve svjetlosti koji postaju vidljivi zbog njihovog osvjetljenja prašine u visokim slojevima atmosfere. Sjene oblaka formiraju tamne pruge, a zrake se šire između njih. Ovaj efekat se javlja kada je Sunce nisko na horizontu pre zore ili posle zalaska sunca.