Оптические явления в атмосфере Земли

При распространении света в атмосфере Земли наблюдаются: рефракция света, мерцание звезд, миражи, радуга, гало и другие явления.

                                       Рефракция света

Преломление света может происходить в одной среде, но оптически неоднородной.

Рефракцией называют отклонение лучей света от прямолинейного распространения в оптически неоднородной среде.

Например, при распространении света в атмосфере Земли абсолютный показатель преломления и диэлектрическая проницаемость ее зависят от плотности и монотонно убывают по мере удаления от поверхности Земли.

Следовательно, луч света от Солнца (или какой-либо другой звезды), проходя через всю атмосферу, искривляется так, что его  выпуклость обращена в сторону нормали к поверхности Земли в точке наблюдения А (рис. 1.8).

Например, угловой размер Солнца равен . Поэтому астрономическая рефракция приводит к увеличению продолжительности дня. При восходе и заходе Солнца его диск виден полностью даже тогда, когда верхний край диска находится ниже горизонта на 3,5/.

В полярных широтах (вблизи полюсов) астрономическая рефракция вызывает сокращение полярной ночи на несколько суток.          

                                  Мерцание звезд  

В нижних слоях атмосферы Земли непрерывно перемещаются конвекционные потоки воздуха, которые вызывают нерегулярные изменения условий рефракции света, идущего от звезд. Наблюдается мерцание звезд, т.е. происходит изменение их яркости и окраски, особенно у звезд, находящихся у горизонта, из-за турбулентных процессов, происходящих в атмосфере Земли.

                                        Миражи

Ряд интересных оптических явлений, вызываемых рефракцией лучей света, от удаленных земных предметов, наблюдается в нижних слоях атмосферы.

В качестве примера рассмотрим причины и условия возникновения миражей. В жаркие безветренные дни в степях и пустынях наблюдается нижний мираж, при котором кажется, что вдали от наблюдателя поверхность Земли подобна поверхности воды, отражает небо и далекие предметы. Такое же явление можно наблюдать и на асфальтированной или бетонированной дороге. Нижний мираж объясняется аномальными изменениями плотности воздуха и абсолютного показателя преломления атмосферы в слое воздуха, прилегающем к сильно нагретой поверхности Земли в зависимости от высоты. Поэтому лучи света от удаленных предметов падают на этот слой воздуха под малыми углами к его плоскости, испытывают полное внутреннее отражение (рис. 1.9, а).

                                                           Рис.1.9

Если температура быстро возрастает по мере удаления от поверхности, то возникает полное внутреннее отражение в верхних частях этого слоя, что приводит в возникновению верхнего миража. Он наблюдается над морем и представляет собой перевернутое (мнимое) изображение удаленных кораблей, расположенное под ними (рис. 1.9, б).

                    Дневной свет, цвета зари, голубой цвет неба

К числу постоянных явлений в атмосфере Земли относятся: дневной свет, сумерки, голубой цвет неба, цвета зари, оптические явления в облаках  и др.

Благодаря рассеянию света даже совершенно чистая атмосфера, освещенная Солнцем, распространяет свет по всем направлениям, создавая дневной свет, который освещает поверхность Земли и все предметы, находящиеся на ней. Интенсивность рассеянного атмосферой света пропорциональна четвертой степени частоты световых колебаний. Сине-фиолетовая части спектра  (и ультрафиолетовая) рассеиваются значительно сильнее, чем красно-оранжевая. Поэтому небо приобретает голубой оттенок, который приближается к фиолетовому, если атмосфера становится чище от пыли, дыма и других примесей, что и наблюдается на больших высотах.

Если проходящий через атмосферу солнечный свет из-за более сильного рассеяния сине-фиолетовых лучей обедняется ими, то он приобретает красно-оранжевый оттенок. Это явление наблюдается при восходе и заходе Солнца, когда световые лучи пронизывают большую толщу атмосферы. Этим же объясняется  и цвет зари, когда облака освещаются лучами Солнца.

В облаках и тумане имеются крупные капельки воды, поэтому они рассеивают лучи всех частей спектра более равномерно, что и вызывает их белый цвет. Из-за рассеяния света атмосферой после захода Солнца на поверхности Земли наступают сумерки, так как освещенная заходящим Солнцем атмосфера, освещает земную поверхность.

                                 Радуга, гало, венцы

Одним из красивых явлений, наблюдаемых в атмосфере, является радуга, которая представляет собой цветную дугу (полосу). Она возникает, когда наблюдатель видит впереди себя дождь, а позади его находится Солнце. Иногда наблюдаются сразу две (очень редко три) радуги. Радуга возникает из-за преломления лучей Солнца в дождевых каплях воды. При этом свет разлагается в сплошной спектр и возникают различные цвета радуги.

Если происходит два преломления и одно отражение внутри капли воды, то возникает первая радуга. Угол  между лучами, падающими на каплю и выходящими из нее для красного цвета, составляет a=42,50, для фиолетовых - a = 40,50. Поэтому внешний край радуги красный, а нижний - фиолетовый. Вторая радуга возникает при двух последовательных преломлениях и двух отражениях в капле воды, поэтому в ней наблюдается обратный порядок в расположении цветов радуги. Интенсивность света во второй радуге  слабее, чем   в первой.

Гало  представляет собой совокупность светлых колец вокруг Солнца и Луны из-за преломления и отражения света в ледяных кристалликах перистых облаков. Внутреннее кольцо (малое гало) имеет угловой радиус ~220. Иногда наблюдается большое гало - кольцо с угловым радиусом  ~450.

 При наличии преимущественной ориентации осей кристалликов - льдинок (например, в форме шестигранников) в одном направлении, отдельные участки кольца представляются наблюдателю особенно яркими по сравнению с другими участками. Поэтому гало приобретает специфическую форму, например, в виде креста, что приводило в трепет религиозных людей, считающих подобное явление грозным божьим знамением.

Если же оси ледяных кристалликов (шестигранников) ориентированы строго вертикально, то гало будет иметь вид двух ярких изображений, напоминающих Солнце, расположенных на одной горизонтальной линии с настоящим Солнцем в центре (рис. 1.10).

Эти ложные солнца называют    паргелиями. Такое гало наблюдается в безветренную погоду при низком положении Солнца (Луны) над горизонтом.

Венцы  - одно или несколько окрашенных радужных колец вокруг Луны, Солнца или других ярких источников света. Образование венцов объясняется дифракционными явлениями, происходящими в мелких  капельках воды при освещении их лунным или солнечным светом. Между светлым и окружающим его радужным кольцом виден ореол.