Самоорганизация в природе. Гало

   Содержание

   Введение…………………………………………………………………….....3

1. Общее описание явления гало……………………………………...4
2. Возникновение гало…………………………………………...…….5
3. Виды гало………………………………..…………………………...7
4. Очень редкие и сомнительные явления гало…………….……….10

   Заключение……………………………………………………………….12

   Список  использованной литературы……………………………….……14

   Приложения………………………………………………………...………..15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

   Чем больше вникают в деяния природы,

   тем видима наиболее становится простота

   законов, коим следует она в своих деяниях.

   А. Н. Радищев 

     Учение  о природе  света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом изучает раздел физики, называемый оптикой. Мы живем в мире разнообразных световых явлений. Многие из них, например такие, как радуга, которой в древности приписывалась роль моста между небом и землей; полярное сияние - поразительное явление свечения, наблюдаемое на небе, чаще всего в полярных областях; гало - оптический феномен, светящееся кольцо вокруг объекта. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными. Чтобы выяснить причины тех или иных световых явлений, нужно обнаружить связь наблюдаемого явления с другими явлениями и объяснить его на основании определенного закона природы. Тогда загадочность явления исчезнет, и мы приобретем о нем научное знание.

   Цель  данной работы – изучить процесс возникновения гало на основе нового научного направления, изучающего самоорганизацию в живой и неживой природе – синергетики.

   Задачи:

   - проанализировать общее описание явления гало

   - установить причины возникновения гало

   - рассмотреть виды гало

   - выяснить очень редкие и сомнительные  виды гало 
 
 

   Общее описание явления  гало

   После нескольких дней прекрасной весенней погода барометр падает и начинает дуть южный ветер. На западе появляются высокие облака, прозрачные и быстрые, небо постепенно становится молочно-белым и опалесцирует из-за вуали перисто-слоистых облаков. Кажется, что Солнце светит сквозь матовое стекло, его очертания становятся расплывчатыми. Пейзаж освещен особенным, неопределенным светом.

   Вокруг  Солнца мы увидим яркое кольцо с  радиусом, несколько большим 22°.Каждому, кто видит его впервые, кольцо кажется грандиозным – а ведь это только «малое гало»; другие явления  гало имеют гораздо больший масштаб.

   Установлено, что в нашей части света  опытный наблюдатель, если только он наблюдает постоянно, видит в  среднем одно гало каждые четыре дня, а в апреле и мае – даже каждые два дня; наиболее наблюдательные видят  гало 200 дней в году.

   Кроме малого гало, существуют и другие световые дуги и пятна, каждое со своим собственным именем, которые, сочетаясь, создают явление гало. Следует иметь в виду, что, как правило, лишь несколько из них наблюдается одновременно. Бо́льшая часть этих явлений наблюдается около Солнца; около Луны они гораздо слабее, а их цвета практически неразличимы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Возникновение гало

   Как же возникают гало? Все формы гало (от греческого "галос" - круг), являются результатом преломления солнечных или лунных лучей в ледяных кристаллах облака либо их отражения от боковых граней или оснований кристаллов, имеющих форму шестигранных столбиков или пластинок. Строго говоря, на кристаллах происходит дифракция солнечных или лунных лучей.

   Объясним  возникновение гало на основании  законов геометрической оптики. Тем более что подавляющее большинство наблюдаемых явлений весьма успешно объясняются законами преломления и отражения.

   Ледяные кристаллы облаков относятся  к так называемым гексагональным, так как их сечения, перпендикулярные главной оси кристалла, представляют собой шестиугольники. Правильные гексагональные кристаллы бывают двух крайних типов: с хорошо развитой главной осью — это ледяные шестигранные столбики (по форме похожие на карандаши) или ледяные иглы, и с плохо развитой главной осью — это шестигранные пластинки. Ко второму типу относятся все виды снежинок.

   Все облака, на которых возникают гало, состоят из мелких ледяных кристаллов, правильной форме которых это  световое явление и обязано своей  замечательной симметрии. Кристаллы в облаке живут сложной жизнью. Они совершают самые разнообразные движения, то опускаются, то поднимаются, испытывая действие многих процессов, происходящих в различных частях облака. Кристаллы могут обтаивать, опускаясь в более теплые слои, или, наоборот, на их концах и углах может откладываться изморозь. Таким образом, в частности, шестигранные пластинки превращаются в снежинки. Кристаллы смерзаются, слипаются, у снежинок обламываются концы и т. д. В результате этих процессов кристаллы теряют правильную форму.

   В образовании гало разных форм большую  роль играет ориентация кристаллов, т. е. положение их главных осей, при  падении в атмосфере. Известно, что  все тела, в том числе и кристаллы, при падении в воздухе испытывают аэродинамическое торможение и стремятся ориентироваться так, чтобы встретить максимальное сопротивление воздуха. В то же время броуновское движение и атмосферные флюктуации способствуют хаотической ориентации кристаллов. Эти факторы сильнее действуют на мелкие кристаллы или тонкие столбики, поэтому у них преобладает хаотическая ориентация. На большие столбчатые кристаллы и пластинки сильнее действует аэродинамическое торможение, и они падают ориентированно. Переход от хаотического к ориентированному положению определяется отношением толщины кристалла к его длине. Если это отношение приблизительно равно 1, такие кристаллы называют кубикообразными.

   Таким образом, большие ледяные столбики и иглы падают так, что их главные  оси принимают горизонтальное положение, т. е. боковой гранью вниз, достаточно большие пластинки или снежинки — так, что их главные оси принимают вертикальное положение, т. е. основаниями вниз, а разнообразные кристаллы неправильной формы падают при хаотическом положении главных осей.

   Рассмотрим, как происходит преломление солнечного или лунного света в ледяных кристаллах облаков.

   Можно показать, что луч света, вошедший в ледяной кристалл (шестигранную призму), может выйти из него, если двугранный преломляющий угол меньше 99°32'. В кристаллах льда имеются два  угла, удовлетворяющих этому условию: угол 60° — между боковыми гранями, взятыми через одну, и угол 90° — между боковой гранью и основанием.

   Гало, так же, как и радугу, образуют лучи, испытавшие минимальное отклонение в результате прохождения кристалла. Характер окраски у всех цветных гало одинаков. Часть гало, обращенная к Солнцу, окрашена в красный цвет, а противоположная — в синевато-сиреневый. У кругов гало красным является их внутренний край, у касательных дуг — часть дуги, а у ложных солнц — бок, обращенный к Солнцу.

   Виды  гало

   Малый круг

   Это – наиболее обычное среди всех гало. Кольцо замкнуто, кроме тех  случаев, когда перисто-слоистые облака неравномерно распределены по небу; оно  обычно ярче всего сверху или снизу, справа или слева, реже в промежуточных  направлениях. Внутренний край достаточно резко ограничен, он окрашен в красный цвет. За ним следует желтый, неяркий, переходящий в белый. Радиус малого кольца примерно равен 21° 50'.

   Малое гало возникает вследствие преломления  солнечного света в облаке малых ледяных кристаллов, которые, как известно, часто имеют форму шестигранных призм. В любом направлении, куда бы мы ни  смотрели, парит бесчисленное множество таких призм, ориентированных всевозможным образом. Подобная шестигранная призма преломляет свет, в соответствии с ее положением относительно падающих лучей, она будет отклонять их больше или меньше, но если путь лучей через кристалл симметричен, отклонение будет иметь минимальное значение.

   Согласно  простой теории преломления, в малом  круге должен практически отсутствовать  голубой цвет и абсолютно отсутствовать фиолетовый, но из наблюдений видно, что это не так. Теория дифракции объясняет появление этих цветов, равно как и более интенсивную окраску касательной дуги и ложных солнц.

   Свет  малого гало поляризован. Колебания сильнее в направлении, перпендикулярном к кольцу, чем в параллельном ему. Это вполне понятно, так как здесь вообще отсутствует отражение, и происходят лишь два преломления.

   По  народной примете, малое гало – предвестник  дождливой  погоды. И, когда говорят «чем сильнее гало, тем скорее будет дождь», предполагают, что именно малое гало предсказывает дождь. И действительно, перисто-слоистые облака часто предвещают область депрессии; дождь начинается после появления гало в среднем через 36 часов.

   Горизонтальные  касательные дуги у малого гало. Описанное  гало.

   Сравнительно  яркие касательные дуги сверху и  снизу малого гало при благоприятных  условиях являются частями гораздо  большей световой кривой – описанного гало. Эта очень редкая форма возникает, когда оси шестигранных кристаллов ориентированы горизонтально и несколько колеблются или вращаются около такого положения, т. е. когда вместо пластинчатых кристаллов преобладают столбчатые.

   Форма описанного гало сильно зависит от высоты Солнца. Когда оно невысоко, все, что можно видеть, - это верхнюю касательную дугу, которую вниз с обеих сторон; на больших высотах уже можно видеть эллиптическую фигуру. Части кривой под горизонтом определяются вычислением, и могут наблюдаться изредка с гор, когда взгляд может быть направлен вниз. 

   Косые касательные дуги малого гало или «косые дуги Ловица»

   Эти замечательные маленькие дуги идут наклонно от ложных солнц и касаются малого гало; явление очень редкое. Его можно увидеть только тогда, когда Солнце высоко и ложные солнца находятся на некотором расстоянии от малого гало. Эти дуги возникают, когда маленькие вертикальные ледяные призмы, которые вызывают образование ложных солнц, несколько колеблются около вертикали.  

   Околозенитная дуга

   Одно  из наиболее красивых явлений гало. Оно появляется часто, особенно на приближающейся грозовой туче и представляет собой ярко окрашенную радужную дугу, параллельную горизонту; она обычно располагается на несколько градусов выше того места, где ожидается появление верхней касательной дуги большого гало.

   Чтобы объяснить ее появление, нужно вообразить себе кристаллы, имеющие форму пластинки  или зонтика, парящие с вертикально  направленными осями. Солнечный  луч будет тогда преломляться на 90-градусной призме, но не в направлении  наименьшего отклонения.

   Настоящая околозенитная дуга всегда сопровождается появлением ложных солнц. Если облако, создающее ложные солнца, поднимется до высоты в 46° , почти всегда появляется околозенитная дуга.

   Согласно  общепринятой теории, невозможно увидеть  эту дугу протяжением больше полуокружности, хотя сообщается, что несколько раз дуга наблюдалась в виде полуокружности, - так называемая дуга Керна. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Очень редкие и сомнительные явления гало

   Кроме уже обсуждавшихся многочисленных форм гало, ниже приводится краткий список, имеющий целью дать некоторое представление об изумительном многообразии гораздо более редких явление, возникающих в совершенно неожиданные моменты с удивительной ясностью¹.

   Круги вокруг солнца в 6-7; 9- 11,5; 15;16,5; 18-20; 24,5; 27,5; 33-34˚.  Круги образуются вследствие преломления в пирамидальных ледяных кристаллах, случайно ориентированных. Поэтому часто возникает несколько кругов одновременно.

   90-градусный  круг вокруг Солнца, белый, иногда  с верхней касательной дугой². Круг вокруг Солнца, радиусом 120˚.