Оптические явления

Введение

     Целью данной курсовой работы является рассмотрение оптических атмосферных явлений в природе. Из – за ограниченного объема работы, в ней описывается лишь некоторая часть подобных явлений, таких как, глория, полярные сияния, миражи. Данные явления описаны в работе достаточно подробно. Менее подробно описаны явления возникновения шаровые молнии, огней святого Эльма, зеленый луч.

     Во  второй части работы содержатся методические аспекты, касающиеся возможностей применения использованного материала в учереждениях образования.

     Большим плюсом работы, на мой взгляд, является не только ее научная направленность, но и явно выраженная направленность эстетическая. Надеюсь, Вам чтение курсовой доставит не меньшее удовольствие, чем мне – ее составление.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Глава 1

     Представления об оптике

     Первые  представления древних ученых о  свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления  возникают при ощупывании ими  предметов. Тогда под оптикой  понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки о зрении превратилась в  науку о свете. Этому способствовало изобретение линз и камеры-обскуры. В современное время оптика - это  раздел физики, в котором исследуется  испускание света, его распространение  в различных средах и взаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением, устройство и  функционирование глаза, то они выделились в специальное научное направление, называемое физиологической оптикой.

     Понятие "оптика", в совремённой науке, имеет многогранное значение. Это  и атмосферная оптика, и молекулярная оптика, и электронная оптика, и  нейтронная оптика, и нелинейная оптика, и голография, и радиооптика, и  пикосекундная оптика, и адаптивная оптика, и многие другие явления  и методы научных исследований, тесно  связанные с оптическими явлениями.

     Большинство из перечисленных видов оптики, как  физическое явление, доступны нашему наблюдению только при использовании специальных  технических устройств. Это могут  быть лазерные установки, излучатели рентгеновских  лучей, радиотелескопы, плазменные генераторы и многие другое. Но наиболее доступным  и, вместе с тем, наиболее красочным  оптическими явлениями являются атмосферные. Огромные по своим масштабам, они суть порождение взаимодействия света и атмосферы земли. 
 
 
 

1.1

     Науки, занимающиеся изучением  световых явлений  в атмосфере

• Метеорологическая оптика – занимается изучением атмосферных  явлений, связанных с погодой (явления  цвета неба и его окраски, поляризация  небесного свода, явления миража и неправильного преломления  и отражения света в атмосфере, мерцание звезд, радуга, круги и венцы  около светил).

• Астрономия  – подробно изучает явление рефракции (преломления света в атмосфере).

• Атмосферное электричество – занимается изучением  атмосферных явлений электрического происхождения (молния, огни святого  Эльма и др.).

• Атмосферная оптика – изучает преобразование солнечной энергии и теплового излучения самой атмосферы и подстилающей поверхности.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2

     Земная  атмосфера, как оптическая система

     Наша  планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем атмосферой. Обладая  наибольшей плотностью у земной поверхности  и постепенно разрежаясь с поднятием  вверх, она достигает толщины  более сотни километров. И это  не застывшая газовая среда с  однородными физическими данными. Наоборот, атмосфера земли находится  в постоянном движении. Под воздействием различных факторов, её слои перемешиваются, меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются на большие расстояния с различной скоростью.

     Для лучей света, идущих от солнца или  других небесных светил, земная атмосфера  представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися  параметрами. Оказываясь на их пути, она  и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу  атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные  явления. Наиболее необычные красочные  из них это солнечный закат, северное сияние, мираж, солнечное и лунное гало. 
 
 
 
 
 
 
 

     1.3

     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. 

1.5

     Некоторые виды миражей

     Из  большего многообразие миражей выделим  несколько видов: «озерные» миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные  миражи, миражи сверхдальнего видения.

       Нижние («озерные») миражи возникают  над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой.  Если нижние миражи наблюдают,  как правило, в пустынях и  степях, то верхние наблюдают  в северных широтах.

     Верхние миражи отличаются разнообразием. В  одних случаях они дают прямое изображение, в других случаях в  воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут быть двойными, когда  наблюдаются два изображения, простое  и перевернутое. Эти изображения  могут быть разделены полосой  воздуха (одно может оказаться над  линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает еще одно - третье изображение (рис. 2.).

       Особенно удивительны миражи  сверхдальнего видения. 

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

     1.4

     Объяснение  нижнего («озерного») миража

     Если  воздух у самой поверхности земли  сильно нагрет и, следовательно, его  плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет  меньше, чем в более высоких  воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности для  рассматриваемого случая показано на рисунке 1, Б.

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

       Световой луч от некоторого  участка голубого неба попадет  в глаз наблюдателя, испытав  указанное искривление. А это  означает, что наблюдатель увидит  соответствующий участок небосвода  не над линией горизонта, а  ниже ее. Ему будет казаться, что  он видит воду, хотя на самом  деле перед ним изображение  голубого неба.

     Если  представить себе, что у линии  горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель  увидит и их перевернутыми, благодаря  отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения  соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж. 
 
 
 

     1.6

Простые верхние миражи

     Можно предположить, что воздух у самой  поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями; изменение n с высотой h показано на рисунке 1, а. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью  вверх. Поэтому теперь наблюдатель  может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет  видеть их вверху как бы висящими над  линией горизонта. Поэтому такие  миражи называют верхними.

       

     Рис. 1. А.  Б. 

       Верхний мираж может давать  как прямое, так и перевернутое  изображение. Прямое изображение  возникает, когда показатель преломления  воздуха уменьшается с высотой  относительно медленно. При быстром  уменьшении показателя преломления  образуется перевернутое изображение.  

     1.7

     Двойные и тройные миражи

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

       Чтобы понять, как появляется  тройной мираж, нужно представить  три последовательный воздушные  области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается  с высотой медленно, следующая,  где показатель преломления уменьшается  быстро, и третья область, где  показатель преломления снова  уменьшается медленно. На рисунке  2.В. показано, как возникает тройной  мираж. 

       

     

     Рис.2. В. 
 
 

     1.8

     Мираж сверхдальнего видения

     Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных  паров и загрязнений. Но этого  мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой  высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и  распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча должна быть все время обращена выпуклостью в сторону менее  плотных областей воздуха. 

     1.9

     Полярные  сияния

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

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

     В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый  оттенок с изредка появляющимися  пятнами или каймой розового или  красного цвета.

     Полярные  сияния наблюдают в двух основных формах - в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно  приобретает форму лент. Теряя  интенсивность, оно превращается в  пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты  как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес  или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько  сотен километров, толщина не превышает нескольких сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний - постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

     1.10

     Различают четыре типа полярных сияний

     Однородная  дуга - светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

     Лучистая  дуга - лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

     Лучистая  полоса - с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

     При повышении активности складки или  петли расширяются до огромных размеров, нижний край ленты ярко сияет розовым  свечением. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит  на мысль, что однородная структура  является основной формой полярного  сияния, а складки связаны с  возрастанием активности.

     Часто возникают сияния иного вида. Они  захватывают весь полярный район  и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой  шапки. Такие сияния называют шквалами.