Оптические явления в атмосфере
Атмосфера - это сложная смесь газов. В процессе рассеяния света участвуют молекулы, атомы газов, продукты конденсации и сублимации водяного пара, разнообразные твердые частички, взвешенные в воздухе. В результате атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оптические явления в атмосфере возникают в результате отражения,
преломления и дисперсии (белый свет разлагается на спектр),
атмосфера рассеяние гало рефракция
дифракции (отклонение световой волны от прямолинейного направления при прохождении через малые отверстия или при огибании малых препятствий) и интерференции (наложение) волн
Голубой цвет неба научно объяснен теорией Рэлея на основе закона молекулярного рассеяния. Он гласит: «интенсивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвёртой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу». Так как длина волны фиолетовых лучей в два раза меньше чем красных, они рассеиваются в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра войдут в состав рассеянного света в количестве, обратно пропорциональном четвёртой степени длины волны каждого из них. Смесь всех рассеянных лучей даёт голубой цвет.
Молекулярное Рэлеевское рассеяние - это частный случай аэрозольного рассеивания. Если размер частиц превышает 1/10 длины падающей волны, то оно переходит в аэрозольное рассеяние Ми (белёсое, красноватое небо). В полдень от Солнца доходят преимущественно длинноволновые лучи - красные, оранжевые, жёлтые лучи. При опускании Солнца к горизонту лучам приходится проходить в атмосфере больший путь. Потери коротковолновых лучей становятся заметными. И цвет Солнца при заходе становится оранжевым или красным.
Золотистый, оранжевый или красноватый оттенок неба над горизонтом получил название зари . Окраска небосвода зависит от примесей аэрозолей в воздухе. Золотистые оттенки свидетельствуют о небольшом количестве аэрозолей в воздухе, рассеивающих солнечный свет. Наличие водяного пара увеличивает рассеяние красных лучей в атмосфере.
Сумеречные лучи - это явление обусловлено контрастом между светом Солнца, рассеянным водяным паром в воздухе и тенью, бросаемой облаками, находящимися за горизонтом или невысоко над горизонтом.
Радуга и гало - явления, связанные с преломлением и отражением световых лучей в каплях и кристаллах облаков.
Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу обычно на расстоянии 1-2 км от наблюдателя. Иногда её можно наблюдать на расстоянии нескольких метров на фоне водяных капель. Центр радуги находится на одной прямой с глазом наблюдателя и с центром солнечного диска. Преломляясь в капле, луч разлагается на основные цвета. Внутренний цвет радуги фиолетовый, наружный красный. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от количества, размеров и деформации капель дождя. Крупные капли создают более узкую и яркую радугу, малые - дугу расплывчатую, блеклую и даже белую.
Образование главной радуги (с угловым радиусом около 42°) объясняется двойным преломлением и однократным внутренним отражением солнечных лучей, которым они подвергаются в водяных каплях.
Часто появляется вторая, менее яркая радуга, с угловым радиусом около 52° с обратным расположением цветов. Эта радуга образуется в результате двукратного преломления и отражения луча в капле. Гораздо реже с внутренней стороны первой радуги наблюдаются слабо окрашенные вторичные дуги
Многообразные формы гало можно разделить на две основные группы:
Гало, слегка окрашенные в радужные цвета. Это круги, касательные дуги к ним, световые пятна (ложные солнца);
Гало, не имеющие окраски - белые. Это - горизонтальный круг, столбы и кресты.
Явление первой группы получаются в результате преломления лучей в ледяных кристаллах, а явление второй группы - в результате отражения от их граней. Эти кристаллы находятся между наблюдателем и источником света летом в виде перистых облаков, а зимой, также в виде ледяной пыли, дымки или тумана. Разнообразие гало зависит от формы ледяных кристалликов, их ориентировки, движения, высоты Солнца над горизонтом.
Наиболее часто наблюдается гало радиусом в 22°, внутренняя часть которого красноватая, наружная - синеватая, небо внутри кольца, кажется темнее. Гало с радиусом в 46° - это более редкое явление. Вследствие большого размера это гало чрезвычайно редко наблюдается как полный круг, обычно видна только его часть. Радужный цвет гало возникает при разложении в ледяной призме белый световой луча.
Еще более редко наблюдаются сложные формы гало, когда оно состоит из нескольких кругов, касательных и косых дуг и ложных солнц или лун. Чаще наблюдаются верхние касательные-дуги к гало в 22 и 46 °. Они обращены выпуклостью к солнцу, бывают ярко окрашены, причем красный цвет обращен к Солнцу. Появляются, когда в облаке находятся кристаллики с различным расположением граней и преломляющих ребер.
Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Этот круг - результат отражения солнечных лучей от боковых граней шестигранных кристалликов льда, плавающих в воздухе в вертикальном положении.
Паргелии , или ложные солнца, - это ярко светящиеся пятна*, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического* круга с гало, имеющими угловые радиусы 22°, 46° и 90°. Иногда виден антелий (противосолнце) - яркое пятно, расположенное на кольце паргелия точно напротив Солнца. Предполагается, что причиной возникновения этого явления служит двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении.
Околозенитная дуга - это дуга в 90° или меньше с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она имеет яркие цвета, внешняя сторона дуги окрашена в красный цвет.
Солнечный столб явление очень частое, напоминающее меч . Возникает в результате отражения световых лучей от горизонтальных граней, ледяных пластинок, плавающих в воздухе. Крест. Это явление получается в результате пересечения столбов с белым горизонтальным кругом.
3) Венцы, глории, брокенские призраки, нимбы, иризация облаков возникают в результате дифракции и интерференции солнечных лучей.
Венцы светлые слегка окрашенные кольца внутренняя сторона которых голубая, внешняя - красная. Они окружают Солнце или Луну, которые просвечивают сквозь тонкие водяные облака. Венец может быть один, примыкающий к светилу (ореол), или несколько «дополнительных колец», разделенных промежутками. Венцы образуются крайними касательными лучами, падающими на поверхность сферической частицы (капельки облака или тумана, росы, песчинки). Причина появления венцов - дифракция света при прохождении его между капельками и кристаллами облака. Проходя через маленькие отверстия, луч света огибает края капельки и при этом разлагается на цветные лучи, которые по-разному отклоняются при искривлении луча у края отверстия. Размеры венца зависят от величины капель и кристаллов: чем больше капли (кристаллы), тем меньше венец, и наоборот. Если в облаке происходит укрупнение облачных элементов, радиус венца постепенно сокращается, при уменьшении размеров облачных элементов (испарение) - увеличивается.
При прохождении лучей внутрь частицы и некоторых углах (касательных) основная масса лучей почти полностью отражается и направляется назад, почти параллельно падающим лучам. Эти лучи создают дифракционную картину в обратном направлении. Поэтому глорию называют также «антивенец» или «антикорона». Брокенскии призрак образуется в пересечённой местности, когда солнце находится за спиной наблюдателя вокруг тени человека, падающей на вертикальную стену тумана. Ранним утром, как только встаёт солнце, на лугу, обильно покрытым росой, может появиться нимб , он образуется вокруг тени головы человека.
Иногда днем, отдельные части облаков перисто-кучевых или высококучевых облаков светятся цветами радуги, причем цвета эти переливаются подобно перламутру. Особенно интенсивна окраска у тонких краев облаков. Иризация облаков . Игра цветов получается потому, что облако движется и меняет свою плотность.
Оптические явления, наблюдаемые в атмосфере, тесно связаны с процессами, происходящими в ней, поэтому венцы и гало являются одним из основных местных признаков погоды.
Явления астрономической и земной рефракции , обусловленны преломлением световых лучей в атмосфере из-за неравномерного распределения температуры и плотности воздуха. Рефракция называется астрономической, если источник света находится за пределами атмосферы. Её следствия: мерцание звезд, искажение формы солнечного диска при восходе и заходе, увеличение продолжительности дня. В средних широтах (Москва, Санкт-Петербург) за счет рефракции день увеличивается обычно не более чем на 8-12 мин, на полюсах больше. При заходе или восходе, когда Солнце под горизонтом, рефракция его приподнимает, и день еще продолжается. Увеличение продолжительности дня зависит от высоты светила от широты места температуры и давления воздуха у поверхности Земли.
За счет рефракции солнечных лучей, при восходе и заходе искажается форма солнечного диска. Объясняется сплющивание Солнца тем, что нижний его край, касаясь горизонта, испытывает более сильную рефракцию, чем верхний. Мерцание звезд объясняется преломлением и частичной дисперсией лучей, идущих от звезды, в струях то теплого, то холодного воздуха, постоянно встречающихся на пути ее лучей в атмосфере.
Земная рефракция возникает в результате прохождении и преломления лучей от объектов находящихся внутри атмосферы в слоях воздуха разной плотности. Проявление земной рефракции, вызваны большими градиентами температур (более 3°С на 100 м) в атмосфере. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут исказиться и приобрести неправильные, фантастические формы. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету: верхние, нижние, боковые и сложные.
Нижний мираж: Образуется в результате отражения объектов или небосвода от сильно нагретого воздуха у поверхности земли. Наблюдаются в степях и пустынях.
Верхний мираж. Образуются в результате отражения объектов, находящихся за линией горизонта, от тёплого слоя воздуха расположенного над сильно выхоложенной поверхности Земли или моря. Благоприятные условия для них создаются в полярных районах или над холодными морями.
Боковой мираж. Возникает когда слои воздуха одинаковой плотности, располагаются в атмосфере не горизонтально, а наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздуха над ней ещё холодные.
Сложного вида миражи, или фата-моргана , возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража, например при значительной температурной инверсии на некоторой высоте над теплой водой, образуется слой холодного воздуха. В результате стекающего с прибрежных гор воздуха. Над морем возникают волшебные замки, которые меняются, растут, исчезают.
Необычные атмосферные явления наводили и наводят страх на мистически настроенных людей. Поэтому для формирования объективного мировоззрения у школьника эти вопросы можно рассмотреть на факультативных занятиях. Изучение природы оптических явлений, поможет объяснить научные основы физических процессов, удовлетворить познавательный интерес учащихся к изучению избранных областей знаний. Фотографии явлений могут использоваться в демонстрационных целях на уроках географии в школе. Вне всяких сомнений, каждому школьнику будет интересно расширить кругозор своих знаний в области изучения оптических явлений в природе.
Небесный свод загадывал человеку множество загадок, в процессе решения этих задач было сделано такое же множество новых открытий. Световой луч, проходя сквозь атмосферу нашей планеты, не просто освещает её, он придаёт ей неповторимый вид, делая её прекрасной.
Первая попытка объяснить радугу, как естественное явление была сделана в 1611 г архиепископом Антонио Доминисом, за что он был отлучён от церкви и приговорён к смертной казни, а его рукописи сожжены
Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт построил картину для 10 000 лучей. Оказалось, что при однократном отражении только небольшая группа лучей (они выделены сплошными линиями) выходит из капли компактным пучком, образуя угол около 42° с направлением падающих солнечных лучей, а при двукратном отражении - 52°. Все остальные (обозначенные пунктирными линиями) расходятся широким веером, рассеиваются. В честь первооткрывателя этот компактный пучок называют лучом Декарта .
На радугу расходуется менее 5% энергии падающего на каплю солнечного потока. При этом около 4% идет на образование первой радуги.
Каждый человек видит свою радугу. Расчёты показали, что радуги 3, 4, 7 и 8-го внутренних отражений располагаются вокруг Солнца, а 5, 6-го - вокруг антисолярной точки. Угловые размеры таких радуг могут уменьшаться до 30є 14ґ и 16є 51ґ. Однако, мы их практически не видим.
Рис. 5.
Подготовила ученица 11 «Б» класса
Лукьяненко Анастасия
Оптические явления в атмосфере
Миражи
Существует три класса миражей. Первый класс это нижние миражи. При таком виде миража, нижняя часть пустыни, т.е. небольшая полоска песка оптически превращается в некий водоём. Это можно увидеть, если находится на уровень выше этой полосы. Такие миражи самые распространённые. Второй вид миражей – верхние миражи. Это более редкое явление, к тому же менее живописные. Верхние миражи появляются на больших расстояниях и на большой высоте над уровнем горизонта. Третий класс миражей не поддаётся никакому объяснению, и уже многие годы учёные ломают голову над разгадкой этой тайны.
В чём же причина появления таких удивительных явлений? Это происходит благодаря удивительным играм света и воздуха. Вот как это понимать. Когда температура воздуха довольно высока, и она выше у поверхности земли, нежели в более высоких слоях, создаются благоприятные условия для возникновения миражей. Плотность воздуха уменьшается при повышении его температуры, и напротив. А, как известно, чем плотнее воздух, тем лучше он преломляет свет. Лучи, падающие с неба, имеют синий спектр, и часть из них преломляется, а другая достигает человеческого зрения и формирует общую картину видимого неба. Та часть лучей, которая преломилась, достигает земли впереди человека, и, преломляясь о её поверхность, также попадают в поле зрения человека. Эти лучи мы видим в голубом спектре, именно поэтому создаётся впечатление, что впереди нас синий водоём. Усиливает такое впечатление колеблющийся впереди нас нагретый воздух.
Если мираж возникает над поверхностью моря, то всё происходит с точностью до наоборот. Внизу, над гладью воды температура воздуха ниже, а с высотой – более высокая. При таком стечении обстоятельств возникают верхние миражи, при которых мы наблюдаем изображение того или иного предмета в небе.
Радуга.
Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще очень мало знали об окружающем их мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, сто 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., иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м. на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды. У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой.
Паргелии.
"Паргелий" в переводе с греческого – "ложное солнце". Это одна из форм гало на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца, расположенных на той же высоте над горизонтом, что и настоящее Солнце. Миллионы кристаллов льда с вертикальной поверхностью, отражающие Солнце, и образуют это красивейшее явление.
Паргелии можно наблюдать в тихую погоду при низком положении Солнца, когда значительное количество призм располагается в воздухе так, что их главные оси вертикальны, и призмы медленно опускаются как маленькие парашютики. В этом случае наиболее яркий преломленный свет поступает в глаз под углом 220 с граней, расположенных вертикально, и создает вертикальные столбы по обе стороны от Солнца по горизонту. Эти столбы могут быть в некоторых местах особо яркими, создавая впечатление ложного Солнца.
Полярные сияния
Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние. Невозможно передать словами красоту полярных сияний, переливающихся, мерцающих, пламенеющих на фоне темного ночного неба в полярных широтах.
В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.
Полярное сияние видно из космоса. И не просто видно, а видно гораздо лучше, чем с поверхности Земли, так как в космосе наблюдать полярное сияние не мешает ни солнце, ни облака, ни искажающее влияние нижних плотных слоёв атмосферы. По словам космонавтом, с орбиты МКС полярные сияния выглядят как огромные зелёные постоянно движущиеся амёбы.
Полярное сияние может длиться сутками. А может и всего несколько десятков минут.
Полярное сияние можно наблюдать не только на Земле. Считается, это атмосферы других планет (например, Венеры) также имеют возможность порождать полярные сияния. Природа полярных сияний на Юпитере и Сатурне по последним научным данным сходна с природой их земных собратьев.
Атмосфера нашей планеты представляет собой достаточно интересную оптическую систему, показатель преломления которой уменьшается с высотой вследствие уменьшения плотности воздуха. Таким образом, земную атмосферу можно рассматривать как «линзу» гигантских размеров, повторяющую форму Земли и имеющую монотонно изменяющийся показатель преломления.
Это обстоятельство приводит к появлению целого ряда оптических явлений в атмосфере , обусловленных преломлением (рефракцией) и отражением (рефлекцией) лучей в ней.
Рассмотрим некоторые наиболее существенные оптические явления в атмосфере.
Атмосферная рефракция
Атмосферная рефракция - явление искривления световых лучей при прохождении света через атмосферу.
С высотой плотность воздуха (значит, и показатель преломления) убывает. Представим себе, что атмосфера состоит из оптически однородных горизонтальных слоев, показатель преломления в которых меняется от слоя к слою (рис. 299).
Рис. 299. Изменение показателя преломления в атмосфере Земли
При распространении светового луча в такой системе он будет в соответствии с законом преломления «прижиматься» к перпендикуляру к границе слоя. Но плотность атмосферы уменьшается не скачками, а непрерывно, что приводит к плавному искривлению и повороту луча на угол α при прохождении атмосферы.
В результате атмосферной рефракции мы видим Луну, Солнце и другие звезды несколько выше того места, где они находятся на самом деле.
По этой же причине увеличивается продолжительность дня (в наших широтах на 10-12 мин), сжимаются диски Луны и Солнца у горизонта. Интересно, что максимальный угол рефракции составляет 35" (для объектов у линии горизонта), что превышает видимый угловой размер Солнца (32").
Из этого факта следует: в тот момент, когда мы видим, что нижний край светила коснулся линии горизонта, на самом деле солнечный диск находится уже под горизонтом (рис. 300).
Рис. 300. Атмосферная рефракция лучей на закате Солнца
Мерцание звезд
Мерцание звезд также связано с астрономической рефракцией света. Давно было подмечено, что мерцание наиболее заметно у звезд, находящихся вблизи линии горизонта. Воздушные потоки в атмосфере изменяют плотность воздуха с течением времени, что приводит к кажущемуся мерцанию небесного светила. Космонавты, находящиеся на орбите, никакого мерцания не наблюдают.
Миражи
В жарких пустынных или степных районах и в полярных областях сильный прогрев или охлаждение воздуха у земной поверхности приводит к появлению миражей : благодаря искривлению лучей становятся видимыми и кажутся близко расположенными предметы, которые на самом деле расположены далеко за горизонтом.
Иногда подобное явление называется земной рефракцией . Возникновение миражей объясняется зависимостью показателя преломления воздуха от температуры. Различают нижние и верхние миражи.
Нижние миражи можно увидеть в жаркий летний день на хорошо прогретой асфальтовой дороге: нам кажется, что впереди на ней есть лужи, которых на самом деле нет. В данном случае мы принимаем за «лужи» зеркальное отражение лучей от неоднородно разогретых слоев воздуха, находящихся в непосредственной близости от «раскаленного» асфальта.
Верхние миражи отличаются значительным разнообразием: в одних случаях они дают прямое изображение (рис. 301, а), в других - перевернутое (рис. 301, б), могут быть двойными и даже тройными. Эти особенности связаны с различными зависимостями температуры воздуха и показателя преломления от высоты.
Рис. 301. Образование миражей: а - прямой мираж; б - обратный мираж
Радуга
Атмосферные осадки приводят к появлению в атмосфере эффектных оптических явлений. Так, во время дождя удивительным и незабываемым зрелищем является образование радуги , которое объясняется явлением различного преломления (дисперсии) и отражения солнечных лучей на мельчайших капельках в атмосфере (рис. 302).
Рис. 302. Образование радуги
В особо удачных случаях мы можем увидеть сразу несколько радуг, порядок следования цветов в которых взаимообратен.
Световой луч, участвующий в формировании радуги, испытывает два преломления и многократные отражения в каждой дождевой капле. В данном случае, несколько упрощая механизм образования радуги, можем сказать, что сферические дождевые капельки играют роль призмы в опыте Ньютона по разложению света в спектр.
Вследствие пространственной симметрии радуга видна в виде полуокружности с углом раствора около 42°, при этом наблюдатель (рис. 303) должен находиться между Солнцем и каплями дождя, спиной к Солнцу.
Разнообразие цветов в атмосфере объясняется закономерностями рассеяния света на частичках различных размеров. Вследствие того, что синий цвет рассеивается сильнее, чем красный, - днем, когда Солнце находится высоко над горизонтом, мы видим небо голубым. По этой же причине вблизи линии горизонта (на закате или восходе) Солнце становится красным и не таким ярким, как в зените. Появление цветных облаков также связано с рассеянием света на частичках различных размеров в облаке.
Литература
Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летнми сроком обучения (базовый и повышенный)/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2008. - С. 334-337.
1. Оптические явления в атмосфере были первыми оптическими эффектами, которые наблюдались человеком. С осмысления природы этих явлений и природы зрения человека начиналось становление проблемы света.
Общее число оптических явлений в атмосфере очень велико. Здесь будут рассмотрены лишь наиболее известные явления – миражи, радуга, гало, венцы, мерцания звёзд, голубой цвет неба и алый цвет зари . Образование этих эффектов связано с такими свойствами света как преломление на границах раздела сред, интерференция и дифракция.
2. Атмосферная рефракция – это искривление световых лучей при прохождении через атмосферу планеты . В зависимости от источников лучей различают астрономическую и земную рефракцию. В первом случае лучи идут от небесных тел (звёзд, планет), во втором случае – от земных объектов. В результате атмосферной рефракции наблюдатель видит объект не там, где он находится, или не той формы, какую он имеет.
3. Астрономическая рефракция была известна уже во времена Птолемея (2 в. н.э.). В 1604 г. И. Кеплер предположил, что земная атмосфера имеет независимую от высоты плотность и определённую толщину h (рис.199). Луч 1, идущий от звёзды S прямо к наблюдателю A по прямой, не попадёт в его глаз. Преломившись на границе вакуума и атмосферы, он попадёт в точку В .
В глаз наблюдателя попадёт луч 2, который при отсутствии преломления в атмосфере должен был бы пройти мимо. В результате преломления (рефракции) наблюдатель будет видеть звезду не в направлении S , а на продолжении преломлённого в атмосфере луча, то есть в направлении S 1 .
Угол γ , на который отклоняется к зениту Z видимое положение звезды S 1 по сравнению с истинным положением S , называют углом рефракции . Во времена Кеплера углы рефракции были уже известны по результатам астрономических наблюдений некоторых звёзд. Поэтому данную схему Кеплер использовал для оценки толщины атмосферы h . По его вычислениям получилось h » 4 км. Если считать по массе атмосферы, то это примерно в два раза меньше истинного.
В действительности плотность атмосферы Земли уменьшается с высотой. Поэтому нижние слои воздуха оптически плотнее, чем верхние. Лучи света, идущие наклонно к Земле, преломляются не в одной точке границы вакуума и атмосферы, как в схеме Кеплера, а искривляются постепенно на всём протяжении пути. Это подобно тому, как проходит луч света через стопу прозрачных пластинок, показатель преломления которых тем больше, чем ниже расположена пластинка. Однако суммарный эффект рефракции проявляется так же, как и в схеме Кеплера. Отметим два явления, обусловленные астрономической рефракцией.
а. Видимые положения небесных объектов смещаются к зениту
на угол рефракции γ
. Чем ниже к горизонту находится звезда, тем заметнее приподнимается её видимое положение на небосклоне по сравнению с истинным (рис.200). Поэтому картина звёздного неба, наблюдаемая с Земли, несколько деформирована к центру. Не смещается только точка S
, находящаяся в зените. Благодаря атмосферной рефракции могут наблюдаться звёзды, находящиеся несколько ниже линии геометрического горизонта.
Значения угла рефракции γ быстро убывают с ростом угла β высоты светила над горизонтом. При β = 0 γ = 35" . Это максимальный угол рефракции. При β = 5º γ = 10" , при β = 15º γ = 3" , при β = 30º γ = 1" . Для светил, высота которых β > 30º, рефракционное смещение γ < 1" .
б. Солнце освещает больше половины поверхности земного шара
. Лучи 1 - 1, которые должны были бы в отсутствие атмосферы касаться Земли в точках диаметрального сечения DD
, благодаря атмосфере касаются её несколько раньше (рис.201).
Поверхности Земли касаются лучи 2 - 2, которые без атмосферы прошли бы мимо. В результате линия терминатора ВВ , отделяющая свет от тени, смещается в область ночного полушария. Поэтому площадь дневной поверхности на Земле больше площади ночной.
4. Земная рефракция . Если явления астрономической рефракции обусловлены глобальным преломляющим эффектом атмосферы , то явления земной рефракции обусловлены локальными изменениями атмосферы , связанными обычно с температурными аномалиями. Наиболее замечательными проявлениями земной рефракции являются миражи .
а. Верхний мираж (от фр. mirage ). Наблюдается обычно в арктических районах с прозрачным воздухом и с низкой температурой поверхности Земли. Сильное выстывание поверхности здесь обусловлено не только низким положением солнца над горизонтом, но и тем, что поверхность, покрытая снегом или льдом, отражает большую часть радиации в космос. В результате в приземном слое с приближением к поверхности Земли очень быстро понижается температура и увеличивается оптическая плотность воздуха.
Искривление лучей в сторону Земли оказывается иногда столь значительным, что наблюдаются предметы, находящиеся далеко за линией геометрического горизонта. Луч 2 на рис.202, который в обычной атмосфере ушёл бы в её верхние слои, в данном случае искривляется к Земле и попадает в глаз наблюдателя.
По-видимому, именно такой мираж представляет собой легендарные “Летучие голландцы” - призраки кораблей, находящихся в действительности на расстоянии в сотни и даже тысячи километров. Удивительно в верхних миражах то, что не наблюдается заметного уменьшения видимых размеров тел.
Например, в 1898 г. экипаж бременского судна “Матадор” наблюдал судно-призрак, видимые размеры которого соответствовали расстоянию 3-5 миль. В действительности, как позднее выяснилось, это судно находилось в это время на расстоянии около тысячи миль. (1 морская миля равна 1852 м). Приземный воздух не только искривляет световые лучи, но и фокусирует их как сложная оптическая система.
В обычных условиях температура воздуха с увеличением высоты падает. Обратный ход температуры, когда с увеличением высоты температура растёт, называют инверсией температуры . Температурные инверсии могут возникать не только в арктических зонах, но и в других, более низких по широте местах. Поэтому верхние миражи могут возникать всюду, где воздух достаточно чист и где возникают температурные инверсии. Например, миражи дальнего видения наблюдаются иногда на побережье Средиземного моря. Инверсия температуры создаётся здесь горячим воздухом из Сахары.
б. Нижний мираж возникает при обратном ходе температуры и наблюдается обычно в пустынях в жаркое время. К полудню, когда солнце высоко, песчаный грунт пустыни, состоящий из частиц твёрдых минералов, разогревается до 50 и более градусов. В то же время на высоте нескольких десятков метров воздух остаётся сравнительно холодным. Поэтому коэффициент преломления выше расположенных слоёв воздуха оказывается заметно больше по сравнению с воздухом возле земли. Это также приводит к искривлению лучей, но в обратную сторону (рис.203).
Лучи света, идущие от низко расположенных над горизонтом частей неба, находящихся напротив наблюдателя, постоянно искривляются кверху и попадают в глаз наблюдателя в направлении снизу вверх. В результате на их продолжении на поверхности земли наблюдатель видит отражение неба, напоминающее водную гладь. Это так называемый “озёрный” мираж.
Эффект ещё более усиливается, когда в направлении наблюдения находятся скалы, возвышенности, деревья, постройки. В этом случае они видны как острова посреди обширного озера. Причём виден не только предмет, но и его отражение. По характеру искривления лучей приземный слой воздуха действует как зеркало водной поверхности.
5. Радуга . Это красочное оптическое явление, наблюдающееся во время дождя, освещённого солнцем и представляющее собой систему концентрических цветных дуг .
Первую теорию радуги разработал Декарт в 1637 г. К этому времени были известны следующие опытные факты, относящиеся к радуге:
а. Центр радуги О находится на прямой, соединяющей Солнце с глазом наблюдателя (рис.204).
б. Вокруг линии симметрии Глаз - Солнце располагается цветная дуга с угловым радиусом около 42°. Цвета располагаются, считая от центра, в порядке: голубой (г), зелёный (з), красный (к) (группа линий 1). Это главная радуга . Внутри главной радуги имеются слабые разноцветные дуги красноватого и зеленоватого оттенков.
в. Вторая система дуг с угловым радиусом около 51° называется вторичной радугой. Её цвета значительно бледнее и идут в обратном порядке, считая от центра, красный, зелёный, голубой (группа линий 2) .
г. Главная радуга появляется лишь тогда, когда солнце находится над горизонтом под углом не более 42°.
Как установил Декарт, основной причиной образования главной и вторичной радуги является преломление и отражение световых лучей в каплях дождя. Рассмотрим основные положения его теории.
6. Преломление и отражение монохроматического луча в капле
. Пусть монохроматический луч интенсивностью I
0 падает на сферическую каплю радиуса R
на расстоянии y
от оси в плоскости диаметрального сечения (рис.205). В точке падения A
часть луча отражается, а основная часть интенсивностью I
1 проходит внутрь капли. В точке B
большая часть луча проходит в воздух (на рис.205 вышедший в В
луч не показан), а меньшая часть отражается и падает в точку С
. Вышедший в точке С
луч интенсивностью I
3 участвует в образовании главной радуги и слабых вторичных полос внутри главной радуги.
Найдём угол θ , под которым выходит луч I 3 по отношению к падающему лучу I 0 . Заметим, что все углы между лучом и нормалью внутри капли одинаковы и равны углу преломления β . (Треугольники ОАВ и ОВС равнобедренные). Сколько бы луч не “кружился” внутри капли, все углы падения и отражения одинаковы и равны углу преломления β . По этой причине любой луч, выходящий из капли в точках В , С и т.д., выходит под одним и тем же углом, равным углу падения α .
Чтобы найти угол θ отклонения луча I 3 от первоначального, надо просуммировать углы отклонения в точках А , В и С : q = (α – β) + (π – 2β) + (α - β) = π + 2α – 4β . (25.1)
Удобнее измерять острый угол φ = π – q = 4β – 2α . (25.2)
Выполнив расчёт для нескольких сот лучей, Декарт нашёл, что угол φ с ростом y , то есть по мере удаления луча I 0 от оси капли, сначала растёт по абсолютной величине, при y /R ≈ 0,85 принимает максимальное значение, а затем начинает убывать.
Сейчас это предельное значение угла φ можно найти, исследовав функцию φ на экстремум по у . Так как sinα = yçR , а sinβ = yçR ·n , то α = arcsin(yçR ), β = arcsin(yçRn ). Тогда
, 
. (25.3)
Разнеся члены в разные части равенства и возведя в квадрат, получаем:
, Þ (25.4)
Для жёлтой D -линии натрия λ = 589,3 нм показатель преломления воды n = 1,333. Расстояние точки А вхождения этого луча от оси y = 0,861R . Предельный угол для этого луча равен
Интересно, что точка В первого отражения луча в капле также максимально удалена от оси капли. Исследовав на экстре-мум угол d = p – α – ε = p – α – (p – 2β ) = 2β – α по величине у , получаем то же условие, у = 0,861R и d = 42,08°/2 = 21,04°.
На рис.206 показана зависимость угла φ , под которым из капли выходит луч после первого отражения (формула 25.2), от положения точки А входа луча в каплю. Все лучи отражаются внутри конуса с углом при вершине ≈ 42º.
Очень важно для образования радуги то, что лучи, вошедшие в каплю в цилиндрическом слое толщиной уçR
от 0,81 до 0,90 , выходят после отражения в тонкой стенке конуса в угловых пределах от 41,48º до 42,08º. Снаружи стенка конуса гладкая (есть экстремум угла φ
), изнутри – рыхлая. Угловая толщина стенки ≈ 20 угловых минут. Для проходящих лучей капля ведёт себя как линза с фокусным расстоянием f
= 1,5R
. Входят в каплю лучи по всей поверхности первого полушария, отражаются назад расходящимся пучком в пространстве конуса с осевым углом ≈ 42º, а проходят через окно с угловым радиусом ≈ 21º (рис.207).
7. Интенсивность вышедших из капли лучей . Здесь будем говорить лишь о лучах, вышедших из капли после 1-го отражения (рис.205). Если луч, падающий на каплю под углом α , имеет интенсивность I 0 , то прошедший в каплю луч имеет интенсивность I 1 = I 0 (1 – ρ ), где ρ – коэффициент отражения по интенсивности.
Для неполяризованного света коэффициент отражения ρ можно вычислить по формуле Френеля (17.20). Поскольку в формулу входят квадраты функций от разности и суммы углов α и β , то коэффициент отражения не зависит от того, в каплю входит луч, или из капли. Поскольку углы α и β в точках А , В , С одинаковы, то и коэффициент ρ во всех точках А , В , С один и тот же. Отсюда, интенсивности лучей 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 .
В таблице 25.1 приведены значения углов φ , коэффициента ρ и отношения интенсивности I 3 çI 0 , вычисленные при разных расстояниях уçR входа луча для жёлтой линии натрия λ = 589,3 нм. Как видно из таблицы, при у ≤ 0,8R в луч I 3 попадает меньше 4 % энергии от падающего на каплю луча. И лишь начиная с у = 0,8R и более вплоть до у = R интенсивность вышедшего луча I 3 увеличивается в несколько раз.
| Таблица 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 |
Итак, лучи, выходящие из капли под предельным углом φ , имеют значительно большую по сравнению с другими лучами интенсивность по двум причинам. Во-первых, за счёт сильного углового сжатия пучка лучей в тонкой стенке конуса, а во-вторых, за счёт меньших потерь в капле. Лишь интенсивность этих лучей достаточна для того, чтобы вызвать в глазу ощущение блеска капли.
8. Образование главной радуги
. При падении на каплю света вследствие дисперсии луч расщепляется. В результате стенка конуса яркого отражения расслаивается по цветам (рис.208). Фиолетовые лучи (l
= 396,8 нм) выходят под углом j
= 40°36", красные (l
= 656,3 нм) – под углом j
= 42°22". В этом угловом интервале Dφ
= 1°46" заключён весь спектр выходящих из капли лучей. Фиолетовые лучи образуют внутренний конус, красные – внешний. Если освещённые солнцем дождевые капли видит наблюдатель, то те из них, лучи конуса которых попадают в глаз, видятся наиболее яркими. В итоге все капли, находящиеся по отношению к солнечно-му лучу, проходящему через глаз наблюдателя, под углом красного конуса, видятся красными, под углом зелёного -зелёными (рис.209).
9. Образование вторичной радуги
происходит благодаря лучам, выходящим из капли после второго отражения (рис.210). Интенсивность лучей после второго отражения примерно на порядок меньше по сравнению с лучами после первого отражения и имеет примерно такой же ход с изменением уçR
.
Лучи, выходящие из капли после второго отражения образуют конус с углом при вершине ≈ 51º. Если у первичного конуса гладкая сторона снаружи, то у вторичного изнутри. Между этими конусами практически нет лучей. Чем крупнее капли дождя, тем ярче радуга. С уменьшением размеров капель радуга бледнеет. При переходе дождя в морось с R ≈ 20 – 30 мкм радуга вырождается в белесоватую дугу с практически неразличимыми цветами.
10. Гало
(от греч. halōs
- кольцо) – оптическое явление, представляющее собой обычно радужные круги вокруг диска Солнца или Луны с угловым радиусом
22º и
46º. Эти круги образуются в результате преломления света находящимися в перистых облаках ледяными кристаллами, имеющими форму шестигранных правильных призм.
Снежинки, падающие на землю, очень разнообразны по форме. Однако кристаллики, образующиеся в результате конденсации паров в верхних слоях атмосферы, имеют, в основном, форму шестигранных призм. Из всех возможных вариантов прохождения луча через шестигранную призму наиболее важны три (рис.211).
В случае (а) луч проходит через противоположные парал-лельные грани призмы, не расщепляясь и не отклоняясь.
В случае (б) луч проходит через грани призмы, образующие между собой угол 60º, и преломляется как в спектральной призме. Интенсивность луча, выходящего под углом наименьшего отклонения 22º, максимальна. В третьем случае (в) луч проходит через боковую грань и основание призмы. Преломляющий угол 90º, угол наименьшего отклонения 46º. В обоих последних случаях белые лучи расщепляются, голубые лучи отклоняются больше, красные – меньше. 
Случаи (б) и (в) обуславливают появление колец, наблюдающихся в проходящих лучах и имеющих угловые размеры 22º и 46º (рис.212).
Обычно наружное кольцо (46º) ярче внутреннего и оба они имеют красноватый оттенок. Это объясняется не только интенсивным рассеиванием голубых лучей в облаке, но и тем, что дисперсия голубых лучей в призме больше, чем красных. Поэтому голубые лучи выходят из кристаллов сильно расходящимся пучком, из-за чего их интенсивность уменьшается. А красные лучи выходят узким пучком, имеющим значительно большую интенсивность. При благоприятных условиях, когда удаётся различать цвета, внутренняя часть колец красная, внешняя – голубая.
10. Венцы – светлые туманные кольца вокруг диска светила. Их угловой радиус много меньше радиуса гало и не превышает 5º. Венцы возникают вследствие дифракционного рассеяния лучей на образующих облако или туман водяных каплях.
Если радиус капли R , то первый дифракционный минимум в параллельных лучах наблюдается под углом j = 0,61∙lçR (см. формулу 15.3). Здесь l - длина волны света. Дифракционные картины отдельных капель в параллельных лучах совпадают, в результате интенсивность светлых колец усиливается.
По диаметру венцов можно определять размер капель в облаке. Чем крупнее капли (больше R ), тем меньше угловой размер кольца. Самые большие кольца наблюдаются от самых мелких капель. На расстояниях несколько километров дифракционные кольца ещё заметны, когда размер капель не менее 5 мкм. В этом случае j max = 0,61lçR ≈ 5 ¸ 6°.
Окраска светлых колец венцов проявляется очень слабо. Когда она заметна, то наружный край колец имеет красноватый цвет. То есть распределение цветов в венцах обратно распределению цветов в кольцах гало. Помимо угловых размеров это также позволяет различать венцы и гало между собой. Если в атмосфере присутствуют капли широкого спектра размеров, то кольца венцов, налагаясь друг на друга, образуют общее светлое сияние вокруг диска светила. Это сияние называют ореолом .
11. Голубой цвет неба и алый цвет зари . Когда Солнце находится выше горизонта, безоблачное небо видится голубым. Дело в том, что из лучей солнечного спектра в соответствии с законом Рэлея I расс ~ 1/l 4 наиболее интенсивно рассеиваются короткие синие, голубые и фиолетовые лучи.
Если Солнце находится низко над горизонтом, то его диск воспринимается багрово-красным по этой же причине. Благодаря интенсивному рассеянию коротковолнового света до наблюдателя доходят, в основном, слабо рассеивающиеся красные лучи. Рассеяние лучей от восходящего или заходящего Солнца особенно велико ещё потому, что лучи проходят большое расстояние вблизи поверхности Земли, где концентрация рассеивающих частиц особенно велика.
Утренняя или вечерняя заря – окрашивание близкой к Солнцу части неба в розовый цвет – объясняется дифракционным рассеянием света на кристалликах льда в верхних слоях атмосферы и геометрическим отражением света от кристаллов.
12. Мерцание звёзд – это быстрые изменения блеска и цвета звёзд, особенно заметные вблизи горизонта. Мерцание звёзд обусловлено преломлением лучей в быстро пробегающих струях воздуха, которые из-за разной плотности имеют разный показатель преломления. В результате слой атмосферы, через который проходит луч, ведёт себя как линза с переменным фокусным расстоянием. Она может быть как собирающей, так и рассеивающей. В первом случае свет концентрируется, блеск звезды усиливается, во втором – свет рассеивается. Такая перемена знака регистрируется до сотни раз в секунду.
Вследствие дисперсии луч разлагается на лучи разных цветов, которые идут по разным путям и могут расходиться тем больше, чем ниже звезда к горизонту. Расстояние между фиолетовыми и красными лучами от одной звезды может достигать у поверхности Земли 10 метров. В результате наблюдатель видит непрерывное изменение блеска и цвета звезды.
Многообразие оптических явлений в атмосфере обусловлено различными причинами. К наиболее распространенным феноменам относятся молния и весьма живописные северное и южное полярные сияния. Кроме того, особенно интересны радуга, гало, паргелий (ложное солнце) и дуги, корона, нимбы и призраки Броккена, миражи, огни святого Эльма, светящиеся облака, зеленые и сумеречные лучи. Радуга - самое красивое атмосферное явление. Обычно это огромная арка, состоящая из разноцветных полос, наблюдаемая, когда Солнце освещает лишь часть небосвода, а воздух насыщен капельками воды, например во время дождя. Разноцветные дуги располагаются в последовательности спектра (красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая), однако цвета почти никогда не бывают чистыми, поскольку полосы взаимно перекрываются. Как правило, физические характеристики радуг существенно различаются, поэтому и по внешнему виду они весьма разнообразны. Их общей чертой является то, что центр дуги всегда располагается на прямой, проведенной от Солнца к наблюдателю. лавная радуга представляет собой дугу, состоящую из наиболее ярких цветов - красного на внешней стороне и фиолетового - на внутренней. Иногда видна только одна дуга, но часто с внешней стороны основной радуги появляется побочная. Она имеет не столь яркие цвета, как первая, а красная и фиолетовая полосы в ней меняются местами: красная располагается с внутренней стороны.
Образование главной радуги объясняется двойным преломлением и однократным внутренним отражением лучей солнечного света. Проникая внутрь капли воды (А), луч света преломляется и разлагается, как при прохождении сквозь призму. Затем он достигает противоположной поверхности капли, отражается от нее и выходит из капли наружу. При этом луч света прежде, чем достичь наблюдателя, преломляется вторично. Исходный белый луч разлагается на лучи разных цветов с углом расхождения 2?. При образовании побочной радуги происходит двойное преломление и двойное отражение солнечных лучей. В этом случае свет преломляется, проникая внутрь капли через ее нижнюю часть, и отражается от внутренней поверхности капли сначала в точке В, затем в точке С. В точке D свет преломляется, выходя из капли в сторону наблюдателя. Когда дождь или водяная пыль образуют радугу, полный оптический эффект достигается за счет суммарного воздействия всех капелек воды, пересекающих поверхность конуса радуги с наблюдателем в вершине. Роль каждой капли мимолетна. Поверхность конуса радуги состоит из нескольких слоев. Быстро пересекая их и проходя при этом через серию критических точек, каждая капля мгновенно разлагает солнечный луч на весь спектр в строго определенной последовательности - от красного до фиолетового цвета. Множество капель таким же образом пересекает поверхность конуса, так что радуга представляется наблюдателю непрерывной как вдоль, так и поперек ее дуги. Гало - белые или радужные световые дуги и окружности вокруг диска Солнца или Луны. Они возникают вследствие преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега. Кристаллы, формирующие гало, располагаются на поверхности воображаемого конуса с осью, направленной от наблюдателя (из вершины конуса) к Солнцу. При некоторых условиях атмосфера бывает насыщена мелкими кристаллами, многие грани которых образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы. Такие грани отражают поступающие лучи света с отклонением на 22?, образуя красноватое с внутренней стороны гало, но оно может состоять и из всех цветов спектра. Реже встречается гало с угловым радиусом 46?, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае на образующих прямые углы гранях кристаллов. Ширина кольца такого гало превышает 2,5?. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен. Паргелии и дуги. Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Причиной его образования служит отражение солнечного света от граней поверхностей кристаллов льда. Если кристаллы достаточно равномерно распределены в воздухе, становится видимым полный круг. Паргелии, или ложные солнца, - это ярко светящиеся пятна, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического круга с гало, имеющими угловые радиусы 22?, 46? и 90?. Наиболее часто образующийся и самый яркий паргелий формируется на пересечении с 22-градусным гало, обычно окрашенный почти во все цвета радуги. Ложные солнца на пересечениях с 46- и 90-градусными гало наблюдаются гораздо реже. Паргелии, возникающие на пересечениях с 90-градусными гало, называются парантелиями, или ложными противосолнцами. Иногда виден также антелий (противосолнце) - яркое пятно, расположенное на кольце паргелия точно напротив Солнца. Предполагается, что причиной возникновения этого явления служит двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении. Околозенитная дуга, иногда неверно называемая верхней касательной дугой 46-градусного гало, - это дуга в 90? или меньше с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46?. Она бывает видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, причем красный цвет приурочен к внешней стороне дуги. Околозенитная дуга примечательна своей расцветкой, яркостью и четкими очертаниями. Еще один любопытный и очень редкий оптический эффект типа гало - дуги Ловица. Они возникают как продолжение паргелиев на пересечении с 22-градусным гало, проходят с внешней стороны гало и слегка вогнуты в сторону Солнца. Столбы беловатого света, как и разнообразные кресты, иногда видны на рассвете или на закате, особенно в полярных регионах, и могут сопутствовать как Солнцу, так и Луне. Временами наблюдаются лунные гало и другие эффекты, подобные описанным выше, причем наиболее обычное лунное гало (кольцо вокруг Луны) имеет угловой радиус 22?. Подобно ложным солнцам, могут возникать ложные луны. Короны, или венцы, - небольшие концентрические цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Радиус короны меньше радиуса гало и составляет ок. 1-5?, ближайшим к Солнцу оказывается голубое или фиолетовое кольцо. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Иногда края очень высоко расположенных облаков окрашены в яркие цвета. Глории (нимбы). В особых условиях возникают необычные атмосферные явления. Если Солнце находится за спиной наблюдателя, а его тень проецируется на близрасположенные облака или завесу тумана, при определенном состоянии атмосферы вокруг тени головы человека можно увидеть цветной светящийся круг - нимб. Обычно такой нимб образуется из-за отражения света капельками росы на травяном газоне. Глории также довольно часто можно обнаружить вокруг тени, которую отбрасывает самолет на нижележащие облака. Призраки Броккена. В некоторых районах земного шара, когда тень находящегося на возвышенности наблюдателя при восходе или заходе Солнца сзади него падает на облака, расположенные на небольшом расстоянии, обнаруживается поразительный эффект: тень приобретает колоссальные размеры. Это происходит из-за отражения и преломления света мельчайшими капельками воды в тумане. Описанное явление носит название «призрак Броккена» по имени вершины в горах Гарц в Германии. Миражи - оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности и выражающийся в возникновении мнимого изображения. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут быть искажены и приобрести неправильные, фантастические формы. Миражи часто наблюдаются в условиях жаркого климата, например над песчаными равнинами. Обычны нижние миражи, когда отдаленная, почти ровная поверхность пустыни приобретает вид открытой воды, особенно если смотреть с небольшого возвышения или просто находиться выше слоя нагретого воздуха. Подобная иллюзия обычно возникает на нагретой асфальтированной дороге, которая далеко впереди выглядит как водная поверхность. В действительности эта поверхность является отражением неба. Ниже уровня глаз в этой «воде» могут появиться объекты, обычно перевернутые. Над нагретой поверхностью суши формируется «воздушный слоеный пирог», причем ближайший к земле слой - самый нагретый и настолько разрежен, что световые волны, проходя через него, искажаются, так как скорость их распространения меняется в зависимости от плотности среды. Верхние миражи менее распространены и более живописны по сравнению с нижними. Удаленные объекты (часто находящиеся за морским горизонтом) вырисовываются на небе в перевернутом положении, а иногда выше появляется еще и прямое изображение того же объекта. Это явление типично для холодных регионов, особенно при значительной температурной инверсии, когда над более холодным слоем находится более теплый слой воздуха. Данный оптический эффект проявляется в результате сложных закономерностей распространения фронта световых волн в слоях воздуха с неоднородной плотностью. Время от времени возникают очень необычные миражи, особенно в полярных регионах. Когда миражи возникают на суше, деревья и другие компоненты ландшафта перевернуты. Во всех случаях в верхних миражах объекты видны более отчетливо, чем в нижних. Когда границей двух воздушных масс является вертикальная плоскость, порой наблюдаются боковые миражи. Огни святого Эльма. Некоторые оптические явления в атмосфере (например, свечение и самое распространенное метеорологическое явление - молния) имеют электрическую природу. Гораздо реже встречаются огни святого Эльма - светящиеся бледно-голубые или фиолетовые кисти длиной от 30 см до 1 м и более, обычно на верхушках мачт или концах рей находящихся в море судов. Иногда кажется, что весь такелаж судна покрыт фосфором и светится. Огни святого Эльма порой возникают на горных вершинах, а также на шпилях и острых углах высоких зданий. Это явление представляет собой кистевые электрические разряды на концах электропроводников, когда в атмосфере вокруг них сильно повышается напряженность электрического поля. Блуждающие огоньки - слабое свечение голубоватого или зеленоватого цвета, которое иногда наблюдается на болотах, кладбищах и в склепах. Они часто выглядят как приподнятое примерно на 30 см над землей спокойно горящее, не дающее тепла, пламя свечи, на мгновение зависающее над объектом. Огонек кажется совершенно неуловимым и при приближении наблюдателя как бы перемещается в другое место. Причиной этого явления служит разложение органических остатков и самовозгорание болотного газа метана (СН 4) или фосфина (РН 3). Блуждающие огоньки имеют разную форму, иногда даже шаровидную. Зеленый луч - вспышка солнечного света изумрудно-зеленого цвета в тот момент, когда последний луч Солнца скрывается за горизонтом. Красная составляющая солнечного света исчезает первой, все прочие - по порядку вслед за ней, и последней остается изумрудно-зеленая. Это явление возникает, лишь когда над горизонтом остается только самый краешек солнечного диска, а иначе происходит смешение цветов. Сумеречные лучи - расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видимыми благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед рассветом или после заката.