1. Optische Phänomene in der Atmosphäre waren die ersten optische Effekte die von Menschen beobachtet wurden. Mit dem Verständnis der Natur dieser Phänomene und der Natur des menschlichen Sehens begann die Entstehung des Lichtproblems.

Gesamtzahl optische Phänomene in der Atmosphäre ist sehr groß. Hier nur die meisten berühmte phänomene – Luftspiegelungen, Regenbögen, Heiligenscheine, Kronen, funkelnde Sterne, blauer Himmel und scharlachrote Farbe Dämmerung. Die Entstehung dieser Effekte ist mit Lichteigenschaften wie Brechung an den Grenzflächen zwischen Medien, Interferenz und Beugung verbunden.

2. atmosphärische Brechung – ist die Krümmung von Lichtstrahlen, wenn sie die Atmosphäre des Planeten passieren. Abhängig von den Strahlenquellen gibt es astronomisch und terrestrisch Brechung. Im ersten Fall kommen die Strahlen aus Himmelskörper(Sterne, Planeten), im zweiten Fall - von terrestrischen Objekten. Durch die atmosphärische Brechung sieht der Betrachter ein Objekt nicht dort, wo es ist, oder nicht in der Form, die es hat.

3. Astronomische Refraktion war bereits in der Zeit des Ptolemäus (2. Jh. n. Chr.) bekannt. 1604 schlug I. Kepler das vor Erdatmosphäre hat eine höhenunabhängige Dichte und eine bestimmte Dicke h(Abb. 199). Strahl 1 kommt vom Stern S direkt zum Betrachter EIN in gerader Linie, wird ihm nicht ins Auge fallen. An der Grenze von Vakuum und Atmosphäre gebrochen, trifft es auf den Punkt BEIM.

Strahl 2 wird das Auge des Beobachters treffen, das ohne Brechung in der Atmosphäre passieren müsste. Als Ergebnis der Lichtbrechung (Brechung) sieht der Beobachter den Stern nicht in der Richtung S, sondern auf der Fortsetzung des in der Atmosphäre gebrochenen Strahls, dh in der Richtung S 1 .

Injektion γ , die zum Zenit abweicht Z scheinbare Position des Sterns S 1 vs. wahre Stellung S, namens Brechungswinkel. Zur Zeit Keplers waren die Brechungswinkel bereits aus Ergebnissen bekannt astronomische Beobachtungen einige Sterne. So dieses Schema Kepler schätzte früher die Dicke der Atmosphäre h. Nach seinen Berechnungen h» 4km. Wenn wir mit der Masse der Atmosphäre rechnen, dann ist das etwa die Hälfte des wahren Wertes.

Tatsächlich nimmt die Dichte der Erdatmosphäre mit der Höhe ab. Daher sind die unteren Luftschichten optisch dichter als die oberen. Schräg auf die Erde einfallende Lichtstrahlen werden nicht wie bei Kepler an einem Punkt der Grenze von Vakuum und Atmosphäre gebrochen, sondern entlang des gesamten Weges allmählich gebogen. Das ist vergleichbar mit dem Durchtritt eines Lichtstrahls durch einen Stapel transparenter Platten, deren Brechungsindex umso größer ist, je tiefer die Platte liegt. Der Gesamteffekt der Brechung manifestiert sich jedoch auf die gleiche Weise wie im Kepler-Schema. Wir bemerken zwei Phänomene aufgrund der astronomischen Brechung.

a. Die scheinbaren Positionen von Himmelsobjekten verschieben sich in Richtung Zenit zum Brechungswinkel γ . Je tiefer der Stern am Horizont steht, desto deutlicher hebt sich seine scheinbare Position am Himmel gegenüber der wahren (Abb. 200). Deshalb das Bild sternenklarer Himmel, von der Erde aus betrachtet, etwas zur Mitte hin verformt. Nur der Punkt bewegt sich nicht S im Zenit gelegen. Aufgrund der atmosphärischen Brechung können Sterne beobachtet werden, die sich leicht unterhalb der geometrischen Horizontlinie befinden.

Brechungswinkelwerte γ nimmt mit zunehmendem Winkel schnell ab. β die Höhe der Leuchte über dem Horizont. Beim β = 0 γ = 35" . Dies ist der maximale Brechungswinkel. Beim β = 5º γ = 10" , beim β = 15º γ = 3" , beim β = 30º γ = 1" . Für Leuchten, deren Höhe β > 30º, Brechungsverschiebung γ < 1" .

b. Die Sonne beleuchtet mehr als die Hälfte der Oberfläche der Globus . Strahlen 1 - 1, die in Abwesenheit einer Atmosphäre die Erde an den Punkten des diametralen Abschnitts berühren sollten DD, dank der Atmosphäre berühren sie es etwas früher (Abb. 201).

Die Erdoberfläche wird von den Strahlen 2 - 2 berührt, die ohne die Atmosphäre vorbeigehen würden. Als Ergebnis die Terminator-Linie BB, die Licht von Schatten trennt, verschiebt sich in den Bereich der Nachthalbkugel. Daher ist die Fläche der Tagesoberfläche auf der Erde größer als die Fläche der Nacht.

4. Brechung der Erde. Wenn Phänomene astronomische Refraktion konditioniert globaler Brechungseffekt der Atmosphäre, dann sind die Phänomene der terrestrischen Refraktion bedingt lokale atmosphärische Veränderungen normalerweise mit Temperaturanomalien verbunden. Die bemerkenswertesten Manifestationen der terrestrischen Brechung sind Luftspiegelungen.

a. überlegene Fata Morgana(ab fr. Fata Morgana). Es wird normalerweise in arktischen Regionen mit klarer Luft und niedrigen Oberflächentemperaturen beobachtet. Die starke Abkühlung der Oberfläche ist hier nicht nur auf den tiefen Sonnenstand über dem Horizont zurückzuführen, sondern auch darauf, dass die mit Schnee oder Eis bedeckte Oberfläche reflektiert die meisten Strahlung in den Weltraum. Infolgedessen nimmt die Temperatur in der Oberflächenschicht, wenn sie sich der Erdoberfläche nähert, sehr schnell ab und wieder zu optische Dichte Luft.

Die Krümmung der Strahlen zur Erde ist manchmal so stark, dass Objekte beobachtet werden, die weit jenseits der Linie des geometrischen Horizonts liegen. Strahl 2 in Abb. 202, der in einer gewöhnlichen Atmosphäre in seine oberen Schichten gegangen wäre, hinein dieser Fall krümmt sich zur Erde und tritt in das Auge des Betrachters ein.

Anscheinend ist es genau eine solche Fata Morgana, die den legendären „ Fliegende Holländer“- die Geister von Schiffen, die tatsächlich Hunderte und sogar Tausende von Kilometern entfernt sind. Überraschend bei überlegenen Luftspiegelungen ist, dass die scheinbare Größe der Körper nicht merklich abnimmt.

Beispielsweise beobachtete die Besatzung des Bremer Schiffes „Matador“ 1898 ein Geisterschiff, dessen scheinbare Ausmaße einer Entfernung von 3-5 Seemeilen entsprachen. Tatsächlich befand sich dieses Schiff, wie sich später herausstellte, zu diesem Zeitpunkt in einer Entfernung von etwa tausend Meilen. (ein nautische Meile gleich 1852 m). Oberflächenluft beugt Lichtstrahlen nicht nur, sondern bündelt sie als komplexes optisches System auch.

BEIM normale Bedingungen Die Lufttemperatur nimmt mit zunehmender Höhe ab. Den umgekehrten Temperaturverlauf, wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe ansteigt, nennt man Temperaturumkehr. Temperaturinversionen können nicht nur in auftreten arktische Zonen, aber auch in anderen Orten niedrigerer Breiten. Daher können hervorragende Trugbilder überall dort auftreten, wo die Luft ausreichend sauber ist und wo Temperaturumkehrungen auftreten. Beispielsweise werden an der Küste manchmal Luftspiegelungen in der Ferne beobachtet Mittelmeer. Temperaturinversion wird hier durch heiße Luft aus der Sahara erzeugt.

b. minderwertige Fata Morgana passiert wenn umgekehrter Kurs Temperaturen und wird normalerweise in Wüsten bei heißem Wetter beobachtet. Bis zum Mittag, wenn die Sonne hoch steht, erwärmt sich der sandige Boden der Wüste, der aus Partikeln fester Mineralien besteht, auf 50 Grad oder mehr. Gleichzeitig bleibt die Luft in einer Höhe von mehreren zehn Metern relativ kalt. Daher ist der Brechungsindex der darüber liegenden Luftschichten im Vergleich zur bodennahen Luft deutlich größer. Dies führt auch zu einer Balkenbiegung, aber in Rückseite(Abb.203).

Lichtstrahlen, die von den tief über dem Horizont liegenden Teilen des Himmels kommen, die dem Betrachter gegenüberliegen, werden ständig nach oben gebogen und treten in der Richtung von unten nach oben in das Auge des Betrachters ein. Dadurch sieht der Betrachter bei ihrer Fortsetzung auf der Erdoberfläche eine Spiegelung des Himmels, die einer Wasseroberfläche ähnelt. Dies ist die sogenannte „See“-Fantasie.

Der Effekt wird noch verstärkt, wenn sich Felsen, Hügel, Bäume oder Gebäude in Beobachtungsrichtung befinden. In diesem Fall sind sie als Inseln inmitten eines riesigen Sees sichtbar. Außerdem ist nicht nur das Objekt sichtbar, sondern auch seine Spiegelung. Durch die Krümmung der Strahlen wirkt die Bodenluftschicht wie ein Spiegel der Wasseroberfläche.

5. Regenbogen. Es ist bunt ein optisches Phänomen, das bei Regen beobachtet wird, von der Sonne beleuchtet wird und ein System konzentrischer farbiger Bögen darstellt.

Die erste Theorie des Regenbogens wurde 1637 von Descartes entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt waren die folgenden experimentellen Fakten in Bezug auf den Regenbogen bekannt:

a. Der Mittelpunkt des Regenbogens O liegt auf der Geraden, die die Sonne mit dem Auge des Betrachters verbindet.(Abb.204).

b. Um die Symmetrielinie Auge – Sonne verläuft ein farbiger Bogen mit einem Winkelradius von etwa 42° . Die Farben sind von der Mitte aus gezählt in der Reihenfolge: blau (d), grün (h), rot (k)(Leitungsgruppe 1). Das Hauptregenbogen. Innerhalb des Hauptregenbogens befinden sich schwache mehrfarbige Bögen in rötlichen und grünlichen Farbtönen.

in. Das zweite System von Bögen mit einem Winkelradius von ca 51° wird sekundärer Regenbogen genannt. Seine Farben sind viel blasser und gehen ins Spiel umgekehrte Reihenfolge, von der Mitte aus gezählt, rot, grün, blau (eine Gruppe von Linien 2) .

G. Der Hauptregenbogen erscheint nur, wenn die Sonne in einem Winkel von nicht mehr als 42 ° über dem Horizont steht.

Wie Descartes festgestellt hat, ist der Hauptgrund für die Bildung des primären und sekundären Regenbogens die Brechung und Reflexion von Lichtstrahlen in Regentropfen. Betrachten Sie die wichtigsten Bestimmungen seiner Theorie.

6. Brechung und Reflexion eines monochromatischen Strahls in einem Tropfen. Lassen Sie einen monochromatischen Strahl mit Intensität ich 0 fällt auf einen kugelförmigen Tropfen mit Radius R auf Distanz j von der Achse in der Ebene des diametralen Abschnitts (Abb. 205). Am Sturzpunkt EIN Ein Teil des Strahls wird reflektiert und der Hauptteil der Intensität ich 1 geht in den Tropfen. Am Punkt B Der größte Teil des Strahls geht in die Luft (in Abb. 205 BEIM Strahl nicht gezeigt), aber Minderheit reflektiert und fällt auf einen Punkt Mit. An der Stelle ausgestiegen Mit Strahlintensität ich 3 ist an der Bildung des Hauptbogens und schwacher Nebenbänder innerhalb des Hauptbogens beteiligt.

Lass uns die Ecke finden θ , unter dem der Strahl herauskommt ich 3 in Bezug auf den einfallenden Strahl ich 0 . Beachten Sie, dass alle Winkel zwischen dem Strahl und der Normalen innerhalb des Tropfens gleich und gleich dem Brechungswinkel sind β . (Dreiecke OAB und OVS gleichschenklig). Egal wie sehr der Strahl innerhalb des Tropfens „kreist“, alle Einfalls- und Reflexionswinkel sind gleich und gleich dem Brechungswinkel β . Aus diesem Grund tritt an den Punkten kein Strahl aus dem Tropfen aus BEIM, Mit usw., kommt im gleichen Winkel heraus, gleich dem Winkel fallen α .

Um einen Winkel zu finden θ Strahlablenkung ich 3 vom Original, ist es notwendig, die Abweichungswinkel an Punkten zu summieren SONDERN, BEIM und Mit: q = (α – β) + (π – 2β) + (α - β) = π + 2α – 4β . (25.1)

Bequemer zu messen scharfe Ecke φ \u003d π - q \u003d 4β – 2α . (25.2)

Nachdem Descartes die Berechnung für mehrere hundert Strahlen durchgeführt hatte, fand er heraus, dass der Winkel φ mit Wachstum j, das heißt, wenn sich der Strahl wegbewegt ich 0 von der Achse des Tropfens, zuerst entlang wächst Absolutwert, beim j/R≈ 0,85 akzeptiert höchster Wert und beginnt dann zu sinken.

Dies ist nun der Grenzwert des Winkels φ kann durch Untersuchen der Funktion gefunden werden φ bis zum Äußersten beim. Seit der Sünde α = yçR, und Sünde β = yçR· n, dann α = arcsin ( yçR), β = arcsin ( yçRn). Dann

, . (25.3)

Wenn wir die Terme in verschiedene Teile der Gleichung erweitern und quadrieren, erhalten wir:

, Þ (25.4)

Für gelb D- Natriumlinien λ = 589,3 nm Brechungsindex von Wasser n= 1,333. Punktabstand SONDERN Vorkommen dieses Strahls von der Achse j= 0,861R. Der Grenzwinkel für diesen Strahl ist

Interessant, dass der Punkt BEIM die erste Reflexion des Strahls im Tropfen ist auch der maximale Abstand von der Tropfenachse. Erkunden in einem extremen Winkel d= p– α – ε = p– α – (p– 2β ) = 2β – α in Größe beim, erhalten wir die gleiche Bedingung beim= 0,861R und d= 42,08°/2 = 21,04°.

Abbildung 206 zeigt die Winkelabhängigkeit φ , unter der der Strahl den Tropfen nach der ersten Reflexion verlässt (Formel 25.2), an der Position des Punktes SONDERN Strahleintritt in den Tropfen. Alle Strahlen werden in einem Kegel mit einem Spitzenwinkel von ≈ 42º reflektiert.

Für die Bildung eines Regenbogens ist es sehr wichtig, dass die in den Tropfen eintretenden Strahlen in einer zylindrischen Schicht dicker sind uçR B. von 0,81 bis 0,90, treten nach Reflexion an der dünnen Wand des Kegels im Winkelbereich von 41,48º bis 42,08º aus. Außen ist die Wand des Kegels glatt (es gibt ein Extremum des Winkels φ ), von innen - locker. Die Winkeldicke der Wand beträgt ≈ 20 Bogenminuten. Für durchgelassene Strahlen verhält sich der Tropfen wie eine Linse mit Brennweite f= 1,5R. Strahlen treten über die gesamte Oberfläche der ersten Halbkugel in den Tropfen ein, werden von einem divergierenden Strahl im Raum eines Kegels mit einem Achswinkel von ≈ 42º zurückgeworfen und treten durch ein Fenster mit einem Winkelradius von ≈ 21º (Abb. 207). ).

7. Die Intensität der aus dem Tropfen austretenden Strahlen. Wir sprechen hier nur von den Strahlen, die nach der ersten Reflexion aus dem Tropfen ausgetreten sind (Abb. 205). Trifft ein Strahl schräg auf einen Tropfen α , hat Intensität ich 0 , dann hat der Strahl, der in das Tröpfchen eingedrungen ist, eine Intensität ich 1 = ich 0 (1 – ρ ), wo ρ ist der Intensitätsreflexionskoeffizient.

Für unpolarisiertes Licht der Reflexionskoeffizient ρ kann mit der Fresnel-Formel (17.20) berechnet werden. Da die Formel die Quadrate der Funktionen der Differenz und der Summe der Winkel enthält α und β , dann hängt der Reflexionskoeffizient nicht davon ab, ob der Strahl in das Tröpfchen eintritt oder aus dem Tröpfchen kommt. Weil die Ecken α und β an Punkten SONDERN, BEIM, Mit gleich sind, dann der Koeffizient ρ an allen Punkten SONDERN, BEIM, Mit das gleiche. Daher die Intensität der Strahlen ich 1 = ich 0 (1 – ρ ), ich 2 = ich 1 ρ = ich 0 ρ (1 – ρ ), ich 3 = ich 2 (1 – ρ ) = ich 0 ρ (1 – ρ ) 2 .

Tabelle 25.1 zeigt die Werte der Winkel φ , Koeffizient ρ und Intensitätsverhältnisse ich 3 cI 0 bei unterschiedlichen Entfernungen berechnet uçR Strahleintritt für gelbe Natriumlinie λ = 589,3 nm. Wie aus der Tabelle ersichtlich, wann beim≤ 0,8R in den Strahl ich 3 fallen weniger als 4 % der Energie des auf den Tropfen auftreffenden Strahls. Und erst ab beim= 0,8R und mehr bis zu beim= R Ausgangsstrahlintensität ich 3 wird multipliziert.

Tabelle 25.1
j/R	α ,º	β ,º	φ ,º	ρ	ich 3 /ich 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

Also die Strahlen, die im Grenzwinkel aus dem Tropfen austreten φ , haben im Vergleich zu anderen Strahlen aus zwei Gründen eine viel größere Intensität. Zum einen durch die starke Winkelkompression des Strahlenbündels in der dünnen Kegelwand und zum anderen durch geringere Verluste im Tropfen. Allein die Intensität dieser Strahlen reicht aus, um im Auge das Gefühl des Glanzes eines Tropfens hervorzurufen.

8. Entstehung des Hauptregenbogens. Wenn Licht auf einen Tropfen fällt, teilt sich der Strahl aufgrund von Dispersion. Dadurch wird die Wand des hellen Reflexionskegels farbig geschichtet (Abb. 208). lila Strahlen ( l= 396,8 nm) schräg austreten j= 40°36", rot ( l= 656,3 nm) - schräg j= 42°22". In diesem Winkelintervall D φ \u003d 1 ° 46 "umfasst das gesamte Spektrum der aus dem Tropfen austretenden Strahlen. Violette Strahlen bilden einen inneren Kegel, rote einen äußeren Kegel. Wenn die von der Sonne beleuchteten Regentropfen vom Beobachter gesehen werden, dann diejenigen von ihnen, deren Kegel Strahlen, die in das Auge eintreten, werden als die hellsten gesehen.Als Ergebnis werden alle Tropfen, die in Bezug auf den Sonnenstrahl stehen, der durch das Auge des Betrachters in einem Winkel eines roten Kegels geht, als rot gesehen, in einem Winkel von grün - grün (Abb. 209).

9. Sekundäre Regenbogenbildung entsteht durch die nach der zweiten Reflexion aus dem Tropfen austretenden Strahlen (Abb. 210). Die Intensität der Strahlen nach der zweiten Reflexion ist etwa eine Größenordnung geringer als die der Strahlen nach der ersten Reflexion und hat bei einer Änderung in etwa den gleichen Weg uçR.

Die nach der zweiten Reflexion aus dem Tropfen austretenden Strahlen bilden einen Kegel mit einem Spitzenwinkel von ≈ 51º. Wenn der Primärkegel außen eine glatte Seite hat, dann hat der Sekundärkegel innen eine glatte Seite. Zwischen diesen Kegeln gibt es praktisch keine Strahlen. Je größer die Regentropfen, desto heller der Regenbogen. Mit abnehmender Größe der Tröpfchen wird der Regenbogen blass. Wenn aus Regen Nieselregen wird R≈ 20 - 30 Mikrometer degeneriert der Regenbogen zu einem weißlichen Bogen mit fast nicht unterscheidbaren Farben.

10. Heiligenschein(aus dem Griechischen. Heiligenscheine- Ring) - ein optisches Phänomen, das normalerweise ist schillernde Kreise um die Sonnen- oder Mondscheibe mit einem Winkelradius 22º und 46º. Diese Kreise entstehen durch Lichtbrechung durch Eiskristalle in Cirruswolken, die die Form von sechseckigen regelmäßigen Prismen haben.

Zu Boden fallende Schneeflocken haben eine sehr unterschiedliche Form. Die durch Dampfkondensation in der oberen Atmosphäre gebildeten Kristalle haben jedoch hauptsächlich die Form von hexagonalen Prismen. Von allen Optionen Es gibt drei wichtigste Durchgänge eines Strahls durch ein sechseckiges Prisma (Abb. 211).

Im Fall (a) geht der Strahl ohne Aufspaltung oder Ablenkung durch gegenüberliegende parallele Flächen des Prismas.

Im Fall (b) tritt der Strahl durch die Prismenflächen, die einen Winkel von 60º zueinander bilden, und wird wie in einem Spektralprisma gebrochen. Die Intensität des Strahls, der im Winkel der geringsten Abweichung von 22º austritt, ist maximal. Im dritten Fall (c) tritt der Strahl durch Seitenansicht; Seitenfläche und die Basis des Prismas. Brechungswinkel 90º, Winkel der geringsten Abweichung 46º. In den beiden letzteren Fällen werden die weißen Strahlen geteilt, die blauen Strahlen weichen stärker ab, die roten Strahlen weniger. Die Fälle (b) und (c) verursachen das Erscheinen von Ringen, die in den durchgelassenen Strahlen beobachtet werden und Winkelabmessungen von 22º und 46º haben (Abb. 212).

Normalerweise ist der äußere Ring (46º) heller als der innere und beide haben einen rötlichen Farbton. Dies erklärt sich nicht nur durch die starke Streuung der blauen Strahlen in der Wolke, sondern auch dadurch, dass die Streuung der blauen Strahlen im Prisma größer ist als die der roten. Daher verlassen blaue Strahlen die Kristalle in einem stark divergierenden Strahl, wodurch ihre Intensität abnimmt. Und die roten Strahlen kommen in einem schmalen Strahl heraus, der eine viel größere Intensität hat. Beim Bevorzugte Umstände wenn Farben unterschieden werden können Innenteil Ringe rot, außen - blau.

10. Kronen- helle Nebelringe um die Scheibe des Sterns. Ihr Eckenradius ist kleiner als Radius Halo und nicht mehr als 5º. Kronen entstehen durch Beugungsstreuung von Strahlen durch Wassertröpfchen, die eine Wolke oder einen Nebel bilden.

Wenn der Tropfenradius R, dann wird das erste Beugungsminimum in parallelen Strahlen unter einem Winkel beobachtet j = 0,61∙lçR(siehe Formel 15.3). Hier l ist die Wellenlänge des Lichts. Die Beugungsmuster einzelner Tropfen in parallelen Strahlen fallen zusammen, wodurch die Intensität der Lichtringe verstärkt wird.

Aus dem Durchmesser der Kronen lässt sich die Größe der Tröpfchen in der Wolke bestimmen. Je größer die Tropfen (mehr R), desto kleiner die Winkelgröße des Rings. Die größten Ringe werden aus den kleinsten Tröpfchen beobachtet. Bei Entfernungen von mehreren Kilometern sind Beugungsringe noch sichtbar, wenn die Tröpfchengröße mindestens 5 µm beträgt. In diesem Fall j max = 0,61 lçR≈ 5 ¸ 6°.

Die Farbe der hellen Ringe der Kronen ist sehr schwach. Wenn es auffällt, hat der äußere Rand der Ringe eine rötliche Farbe. Das heißt, die Farbverteilung in den Kronen ist umgekehrt zu der Farbverteilung in den Halo-Ringen. Dies ermöglicht neben den Winkelmaßen auch eine Unterscheidung zwischen den Kronen und dem Halo. Wenn sich in der Atmosphäre Tröpfchen unterschiedlicher Größe befinden, bilden die übereinander liegenden Ringe der Kronen ein allgemeines helles Leuchten um die Sternscheibe. Dieses Leuchten wird genannt Heiligenschein.

11. Blauer Himmel und scharlachrote Morgendämmerung. Wenn die Sonne über dem Horizont steht, erscheint ein wolkenloser Himmel blau. Tatsache ist, dass aus den Strahlen des Sonnenspektrums gemäß dem Rayleigh-Gesetz ich Rasse ~ 1 /l 4, kurze blaue, cyanfarbene und violette Strahlen werden am intensivsten gestreut.

Wenn die Sonne tief über dem Horizont steht, wird ihre Scheibe aus dem gleichen Grund als purpurrot wahrgenommen. Durch die starke Streuung von kurzwelligem Licht erreichen hauptsächlich schwach gestreute rote Strahlen den Betrachter. Die Streuung der Strahlen der aufgehenden oder untergehenden Sonne ist besonders groß, weil die Strahlen in der Nähe der Erdoberfläche, wo die Konzentration der Streupartikel besonders hoch ist, eine lange Strecke zurücklegen.

Morgen- oder Abenddämmerung - Einfärbung des sonnennahen Teils des Himmels pinke Farbe- aufgrund von Beugungsstreuung von Licht durch Eiskristalle in der oberen Atmosphäre und geometrische Spiegelung Kristall Licht.

12. funkelnde Sterne- Das schnelle Veränderung Brillanz und Farbe der Sterne, besonders auffällig in Horizontnähe. Das Funkeln der Sterne entsteht durch die Brechung von Strahlen in schnell laufenden Luftstrahlen, die aufgrund unterschiedlicher Dichten eine unterschiedliche Dichte haben anderer Indikator Brechung. Dadurch verhält sich die Atmosphärenschicht, die der Strahl durchdringt, wie eine Linse mit variabler Brennweite. Es kann sowohl Sammeln als auch Streuen sein. Im ersten Fall wird das Licht gebündelt, die Brillanz des Sterns verstärkt, im zweiten Fall wird das Licht gestreut. Ein solcher Vorzeichenwechsel wird bis zu hundertmal pro Sekunde aufgezeichnet.

Durch die Streuung wird der Strahl in verschiedenfarbige Strahlen zerlegt, die unterschiedlichen Bahnen folgen und um so stärker divergieren können, je tiefer der Stern am Horizont steht. Der Abstand zwischen den violetten und roten Strahlen eines Sterns kann in der Nähe der Erdoberfläche 10 Meter erreichen. Dadurch sieht der Beobachter eine kontinuierliche Veränderung der Helligkeit und Farbe des Sterns.

Phänomene durch Brechung, Reflexion, Streuung und Beugung von Licht in der Atmosphäre: Aus ihnen kann auf den Zustand der entsprechenden Schichten der Atmosphäre geschlossen werden.

Dazu gehören Lichtbrechung, Luftspiegelungen, zahlreiche Halo-Phänomene, Regenbögen, Kronen, Dämmerungs- und Dämmerungsphänomene, Bläue des Himmels usw.

Fata Morgana(fr. Mirage - Lit. Visibility) - ein optisches Phänomen in der Atmosphäre: die Brechung von Lichtstrahlen an der Grenze zwischen Luftschichten, die sich in Dichte und Temperatur stark unterscheiden. Für einen Beobachter besteht ein solches Phänomen darin, dass neben einem wirklich sichtbaren fernen Objekt (oder einem Ausschnitt des Himmels) auch dessen Reflexion in der Atmosphäre sichtbar ist.

Einstufung

Luftspiegelungen werden in untere, unter dem Objekt sichtbare, obere, über dem Objekt sichtbare und seitliche Luftspiegelungen unterteilt.

minderwertige Fata Morgana

Es wird mit einem großen vertikalen Temperaturgradienten (seinem Abfall mit der Höhe) über einer Überhitzung beobachtet ebene Fläche, oft Wüste oder asphaltierte Straße. Das imaginäre Bild des Himmels erzeugt die Illusion von Wasser auf der Oberfläche. Auf einer Straße, die an einem heißen Sommertag in die Ferne führt, ist eine Pfütze zu sehen.

überlegene Fata Morgana

Es wird über der kalten Erdoberfläche mit einer inversen Temperaturverteilung beobachtet (Lufttemperatur steigt mit der Höhe).

Überlegene Luftspiegelungen sind im Allgemeinen weniger verbreitet als minderwertige Luftspiegelungen, sind aber oft stabiler, weil kalte Luft neigt nicht dazu, sich nach oben zu bewegen, und warm neigt dazu, sich nach unten zu bewegen.

Überlegene Luftspiegelungen sind in den Polarregionen am häufigsten, insbesondere auf großen flachen Eisschollen mit stabil niedrigen Temperaturen. Solche Bedingungen können über Grönland und rund um Island auftreten. Vielleicht aufgrund dieses Effekts, genannt Hillingar(aus dem Isländischen Hillingar) wurden die ersten Siedler Islands auf die Existenz Grönlands aufmerksam.

Höhere Luftspiegelungen werden auch in gemäßigteren Breiten beobachtet, obwohl sie in diesen Fällen schwächer, weniger ausgeprägt und stabil sind. Eine überlegene Luftspiegelung kann aufrecht oder umgekehrt sein, abhängig von der Entfernung zum wahren Objekt und dem Temperaturgradienten. Oft erscheint das Bild als fragmentarisches Mosaik aus aufrechten und umgekehrten Teilen.

Ein Schiff normaler Größe bewegt sich hinter dem Horizont. Im spezifischen Zustand der Atmosphäre erscheint ihr Spiegelbild am Horizont gigantisch.

Überlegene Luftspiegelungen können haben markante Wirkung aufgrund der Erdkrümmung. Wenn die Krümmung der Strahlen etwa der Erdkrümmung entspricht, können die Lichtstrahlen große Entfernungen zurücklegen, wodurch der Beobachter Objekte weit hinter dem Horizont sehen kann. Dies wurde zum ersten Mal im Jahr 1596 beobachtet und dokumentiert, als ein Schiff unter dem Kommando von Willem Barents auf der Suche nach der Nordostpassage auf Novaya Zemlya im Eis feststeckte. Die Besatzung musste die Polarnacht abwarten. Gleichzeitig der Sonnenaufgang danach Polarnacht zwei Wochen früher als erwartet beobachtet. Im 20. Jahrhundert wurde dieses Phänomen erklärt und als „New Earth Effect“ bezeichnet.

Ebenso können Schiffe, die eigentlich so weit entfernt sind, dass sie über dem Horizont nicht sichtbar sein sollten, am Horizont und sogar über dem Horizont als überlegene Luftspiegelungen erscheinen. Dies könnte einige der Geschichten über Flüge von Schiffen oder Küstenstädten am Himmel erklären, wie sie von einigen Polarforschern beschrieben werden.

seitliche Fata Morgana

Seitliche Luftspiegelungen können als Reflexion von einer erhitzten steilen Wand auftreten. Es wird ein Fall beschrieben, in dem die glatte Betonmauer der Festung plötzlich wie ein Spiegel glänzte und die umgebenden Gegenstände reflektierte. An einem heißen Tag wurde immer dann eine Fata Morgana beobachtet, wenn die Wand durch die Sonnenstrahlen ausreichend aufgeheizt war.

Fata Morgana

Komplexe Phänomene einer Fata Morgana mit einer starken Verzerrung des Erscheinungsbilds von Objekten werden Fata Morgana genannt. Fata Morgana(ital. Fata Morgana- Der Legende nach lebt die Fee Morgana weiter Meeresboden und Reisende mit gespenstischen Visionen zu täuschen) ist ein seltenes komplexes optisches Phänomen in der Atmosphäre, das aus mehreren Formen von Luftspiegelungen besteht, in denen entfernte Objekte wiederholt und mit verschiedenen Verzerrungen gesehen werden.

Fata Morgana tritt auf, wenn sich in den unteren Schichten der Atmosphäre mehrere abwechselnde Luftschichten bilden (normalerweise aufgrund von Temperaturunterschieden). unterschiedliche Dichte geben können Spiegelreflexionen. Als Ergebnis der Reflexion sowie der Brechung von Strahlen in der Realität bestehende Einrichtungen Sie geben mehrere verzerrte Bilder am Horizont oder darüber wieder, die sich teilweise überlagern und sich schnell in der Zeit ändern, was ein bizarres Bild der Fata Morgana ergibt.

volumetrische Fata Morgana

In den Bergen ist es sehr selten, unter bestimmten Bedingungen sieht man ein "verzerrtes Selbst" durchaus kurze Reichweite. Dieses Phänomen wird durch das Vorhandensein von "stehendem" Wasserdampf in der Luft erklärt.

Heiligenschein(von anderem Griechisch ἅλως - Kreis, Scheibe; auch Aura, Nimbus, Heiligenschein) ist ein optisches Phänomen, ein leuchtender Ring um eine Lichtquelle.

Physik des Phänomens

Der Halo erscheint normalerweise um die Sonne oder den Mond, manchmal um andere starke Lichtquellen wie Straßenlaternen. Es gibt viele Arten von Halos, die hauptsächlich durch Eiskristalle in Zirruswolken in einer Höhe von 5-10 km in der oberen Troposphäre verursacht werden. Das Aussehen des Halo hängt von der Form und Lage der Kristalle ab. Von Eiskristallen reflektiertes und gebrochenes Licht wird oft in ein Spektrum zerlegt, wodurch der Heiligenschein wie ein Regenbogen aussieht. Parhelia und der Zenitbogen sind am hellsten und vollfarbigsten, während die Tangenten des kleinen und großen Halo weniger hell sind. In einem kleinen 22-Grad-Halo ist nur ein Teil der Farben des Spektrums (von Rot bis Gelb) unterscheidbar, der Rest sieht aufgrund der wiederholten Mischung gebrochener Strahlen weiß aus. Der Halbkreis und einige andere Bögen des Heiligenscheins sind fast immer weiß. Ein interessantes Merkmal des großen 46-Grad-Halo ist, dass er schwach und schwach gefärbt ist, während der obere Tangentenbogen, der bei geringer Höhe der Sonne über dem Horizont fast damit zusammenfällt, ausgeprägte schillernde Farben aufweist.

Im schwachen Mondhalo sind Farben für das Auge nicht sichtbar, was mit den Besonderheiten des Dämmerungssehens verbunden ist.

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Erstellungsdatum der Seite: 13.02.2016

Die Atmosphäre ist ein trübes, optisch inhomogenes Medium. Optische Phänomene sind das Ergebnis von Reflexion, Brechung und Beugung von Lichtstrahlen in der Atmosphäre.

Je nach Entstehungsursache werden alle optischen Phänomene in vier Gruppen eingeteilt:

1) Phänomene, die durch Lichtstreuung in der Atmosphäre verursacht werden (Dämmerung, Morgendämmerung);

2) Phänomene, die durch die Brechung von Lichtstrahlen in der Atmosphäre (Brechung) verursacht werden - Luftspiegelungen, Sternenfunkeln usw.;

3) Phänomene, die durch Brechung und Reflexion von Lichtstrahlen an Tropfen und Wolkenkristallen (Regenbogen, Halo) verursacht werden;

4) Phänomene, die durch Lichtbeugung in Wolken und Nebel verursacht werden - Kronen, Gloria.

Staub verursacht durch die Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre. Dämmerung ist die Übergangszeit von Tag zu Nacht (Abenddämmerung) und von Nacht zu Tag (Morgendämmerung). Die Abenddämmerung beginnt mit dem Sonnenuntergang und bis zum Einbruch der völligen Dunkelheit, die Morgendämmerung - umgekehrt.

Die Dauer der Dämmerung wird durch den Winkel zwischen der Richtung der scheinbaren täglichen Bewegung der Sonne und dem Horizont bestimmt; Die Dauer der Dämmerung hängt also von der geografischen Breite ab: Je näher am Äquator, desto kürzer die Dämmerung.

Es gibt drei Dämmerungsperioden:

1) bürgerliche Dämmerung (das Eintauchen der Sonne unter den Horizont überschreitet nicht 6 °) - Licht;

2) Navigation (Eintauchen der Sonne unter den Horizont bis zu 12 o) - Sichtbedingungen sind stark verschlechtert;

3) astronomisch (Eintauchen der Sonne unter den Horizont bis 18 o) - Erdoberfläche es ist schon dunkel, aber die morgendämmerung ist noch am himmel zu sehen.

Dämmerung - eine Reihe farbenfroher Lichtphänomene in der Atmosphäre, die vor Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang beobachtet werden. Die Farbenvielfalt der Morgendämmerung hängt von der Position der Sonne relativ zum Horizont und vom Zustand der Atmosphäre ab.

Die Farbe des Firmaments wird durch die gestreuten sichtbaren Strahlen der Sonne bestimmt. In einer sauberen und trockenen Atmosphäre tritt Lichtstreuung gemäß dem Gesetz von Rayleigh auf. Blaue Strahlen streuen etwa 16-mal mehr als rote Strahlen, daher ist die Farbe des Himmels (gestreutes Sonnenlicht) blau (blau) und die Farbe der Sonne und ihrer Strahlen in Horizontnähe rot, weil. In diesem Fall legt Licht einen längeren Weg in der Atmosphäre zurück.

Große Partikel in der Atmosphäre (Tropfen, Staubpartikel usw.) streuen das Licht neutral, sodass Wolken und Nebel weiß sind. Bei hoher Luftfeuchtigkeit und Staubigkeit wird der gesamte Himmel nicht blau, sondern weißlich. Daher kann man anhand des Blaugrades des Himmels die Reinheit der Luft und die Beschaffenheit der Luftmassen beurteilen.

atmosphärische Brechung - atmosphärische Phänomene im Zusammenhang mit der Brechung von Lichtstrahlen. Ursache der Lichtbrechung sind: Funkeln der Sterne, Abflachung der sichtbaren Scheibe von Sonne und Mond in Horizontnähe, Verlängerung des Tages um mehrere Minuten sowie Luftspiegelungen. Eine Luftspiegelung ist ein sichtbares imaginäres Bild am Horizont, über dem Horizont oder unter dem Horizont, aufgrund einer scharfen Verletzung der Dichte von Luftschichten. Es gibt untere, obere und seitliche Luftspiegelungen. Bewegte Luftspiegelungen - "Fata Morgana" werden selten beobachtet.

Regenbogen - Dies ist ein in allen Farben des Spektrums gemalter Lichtbogen vor dem Hintergrund einer von der Sonne beleuchteten Wolke, aus der Regentropfen fallen. Der äußere Rand des Bogens ist rot, der innere Rand violett. Steht die Sonne tief am Horizont, sehen wir nur die Hälfte des Kreises. Wenn die Sonne hoch steht, wird der Bogen kleiner, weil. der Mittelpunkt des Kreises fällt unter den Horizont. Bei einer Sonnenhöhe von mehr als 42 etwa ist der Regenbogen nicht sichtbar. Von einem Flugzeug aus können Sie einen fast kreisförmigen Regenbogen beobachten.

Ein Regenbogen entsteht durch Brechung und Reflexion Sonnenstrahlen in Wassertropfen. Die Helligkeit und Breite des Regenbogens hängt von der Größe der Tröpfchen ab. Große Tropfen ergeben einen kleineren, aber helleren Regenbogen. Mit kleinen Tropfen ist es fast weiß.

Heiligenschein - Dies sind Kreise oder Bögen um Sonne und Mond, die in den Eiswolken der oberen Ebene entstehen (meistens in Cirrostratus).

Kronen - helle, leicht gefärbte Ringe um Sonne und Mond, die durch Lichtbeugung in den Wasser- und Eiswolken der oberen und mittleren Ebene entstehen.

Eine Person begegnet ständig Lichtphänomenen. Alles, was mit der Erscheinung von Licht, seiner Ausbreitung und Wechselwirkung mit Materie zusammenhängt, nennt man Lichtphänomene. Anschauliche Beispiele für optische Phänomene können sein: ein Regenbogen nach Regen, Blitze während eines Gewitters, das Funkeln der Sterne am Nachthimmel, das Lichtspiel in einem Wasserstrom, die Veränderlichkeit des Ozeans und des Himmels und viele andere.

Die Studierenden erhalten eine wissenschaftliche Erklärung physikalischer Phänomene und optische Beispiele in der 7. Klasse, wenn sie mit dem Physikstudium beginnen. Für viele wird die Optik der faszinierendste und mysteriöseste Bereich im Schulphysik-Lehrplan sein.

Was sieht die Person?

Das menschliche Auge ist so konstruiert, dass es nur die Farben des Regenbogens wahrnehmen kann. Heute ist bereits bekannt, dass das Spektrum des Regenbogens nicht auf Rot auf der einen und Lila auf der anderen Seite beschränkt ist. Hinter wird rot Infrarot, hinter Violett ist Ultraviolett. Viele Tiere und Insekten können diese Farben sehen, Menschen leider nicht. Andererseits kann eine Person Geräte herstellen, die Lichtwellen der entsprechenden Länge empfangen und aussenden.

Brechung von Strahlen

Sichtbares Licht ist ein Regenbogen aus Farben und Licht weiße Farbe, zum Beispiel sonnig, ist eine einfache Kombination dieser Farben. Wenn Sie ein Prisma in einen Strahl aus hellem weißem Licht stellen, zerfällt es in Farben oder Wellen. unterschiedliche Längen, aus der es besteht. Zuerst kommt Rot mit der längsten Wellenlänge, dann Orange, Gelb, Grün, Blau und schließlich Violett, das im sichtbaren Licht die kürzeste Wellenlänge hat.

Wenn Sie ein anderes Prisma nehmen, um das Licht des Regenbogens einzufangen, und es auf den Kopf stellen, werden alle Farben zu Weiß kombiniert. Es gibt viele Beispiele optischer Phänomene in der Physik, betrachten wir einige davon.

Warum ist der Himmel blau?

Junge Eltern sind oft ratlos über die auf den ersten Blick einfachsten Fragen nach ihrem kleinen Warum. Manchmal sind sie am schwierigsten zu beantworten. Nahezu alle Beispiele optischer Phänomene in der Natur lassen sich durch die moderne Wissenschaft erklären.

Das Sonnenlicht, das tagsüber den Himmel erhellt, ist weiß, was bedeutet, dass der Himmel theoretisch auch strahlend weiß sein müsste. Damit es blau aussieht, sind beim Durchgang durch die Erdatmosphäre einige Prozesse mit Licht notwendig. Folgendes passiert: Ein Teil des Lichts durchdringt den freien Raum zwischen den Gasmolekülen in der Atmosphäre, erreicht die Erdoberfläche und behält dieselbe weiße Farbe wie zu Beginn der Reise. Aber Sonnenlicht trifft auf Gasmoleküle, die wie Sauerstoff absorbiert und dann in alle Richtungen verteilt werden.

Die Atome in den Gasmolekülen werden durch das absorbierte Licht aktiviert und senden wiederum Lichtphotonen in Wellen aus verschiedene Längen- von rot nach lila. So geht ein Teil des Lichts zur Erde, der Rest zurück zur Sonne. Die Helligkeit des emittierten Lichts hängt von der Farbe ab. Für jedes rote Photon werden acht blaue Photonen freigesetzt. Daher ist blaues Licht achtmal heller als rotes. Intensives blaues Licht wird von Milliarden von Gasmolekülen aus allen Richtungen emittiert und erreicht unsere Augen.

bunter Bogen

Früher dachten die Menschen, Regenbögen seien Zeichen, die ihnen von den Göttern geschickt wurden. In der Tat tauchen wunderschöne bunte Bänder immer aus dem Nichts am Himmel auf und verschwinden dann genauso mysteriös. Heute wissen wir, dass der Regenbogen eines der Beispiele für optische Phänomene in der Physik ist, aber wir hören nicht auf, ihn jedes Mal zu bewundern, wenn wir ihn am Himmel sehen. Das Interessante ist, dass jeder Betrachter einen anderen Regenbogen sieht, der durch Lichtstrahlen hinter ihm und Regentropfen vor ihm entsteht.

Woraus bestehen Regenbögen?

Das Rezept für diese optischen Phänomene in der Natur ist einfach: Wassertropfen in der Luft, Licht und ein Beobachter. Aber es reicht nicht, dass die Sonne während des Regens erscheint. Es sollte niedrig sein, und der Beobachter sollte so stehen, dass die Sonne hinter ihm steht, und auf die Stelle schauen, an der es regnet oder gerade geregnet hat.

Ein Sonnenstrahl, der aus dem fernen Weltraum kommt, überholt einen Regentropfen. Der Regentropfen wirkt wie ein Prisma und bricht jede im weißen Licht verborgene Farbe. Wann also weißer Strahl durch einen Regentropfen geht, spaltet es sich plötzlich in wunderschöne mehrfarbige Strahlen auf. Im Inneren des Tropfens treffen sie auf die Innenwand des Tropfens, die wie ein Spiegel wirkt, und die Strahlen werden in die gleiche Richtung reflektiert, aus der sie in den Tropfen eingetreten sind.

Das Endergebnis ist ein Regenbogen aus Farben, der sich über den Himmel wölbt – Licht, das von Millionen winziger Regentropfen gebeugt und reflektiert wird. Sie können wie kleine Prismen wirken und weißes Licht in ein Spektrum von Farben aufspalten. Aber es muss nicht immer regnen, um einen Regenbogen zu sehen. Licht kann auch durch Nebel oder Meeresdämpfe gebrochen werden.

Welche Farbe hat das Wasser?

Die Antwort liegt auf der Hand - Wasser hat eine blaue Farbe. Wenn Sie reines Wasser in ein Glas gießen, wird jeder seine Transparenz sehen. Das liegt daran, dass zu wenig Wasser im Glas ist und seine Farbe zu blass ist, um gesehen zu werden.

Beim Befüllen eines großen Glasbehälters sieht man den natürlichen Blaustich des Wassers. Seine Farbe hängt davon ab, wie Wassermoleküle Licht absorbieren oder reflektieren. weißes Licht Es besteht aus einem Regenbogen von Farben, und Wassermoleküle absorbieren die meisten roten bis grünen Farben, die sie passieren. Und der blaue Anteil wird zurückreflektiert. Wir sehen also blau.

Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge

Dies sind auch Beispiele für optische Phänomene, die eine Person jeden Tag beobachtet. Wenn die Sonne auf- und untergeht, lenkt sie ihre Strahlen in einem Winkel dorthin, wo sich der Betrachter befindet. Sie haben einen längeren Weg als wenn die Sonne im Zenit steht.

Die Luftschichten über der Erdoberfläche enthalten oft viel Staub oder mikroskopisch kleine Feuchtigkeitspartikel. Die Sonnenstrahlen treffen schräg auf die Oberfläche und werden gefiltert. Rote Strahlen haben die längste Wellenlänge der Strahlung und gelangen daher leichter zum Boden als blaue Strahlen, die kurze Wellen haben, die von Staub- und Wasserpartikeln abgewehrt werden. Daher beobachtet ein Mensch während der Morgen- und Abenddämmerung nur einen Teil der Sonnenstrahlen, die die Erde erreichen, nämlich rote.

Planet Lichtshow

Eine typische Aurora ist eine vielfarbige Aurora am Nachthimmel, die jede Nacht am Nordpol beobachtet werden kann. Riesige Streifen aus blaugrünem Licht, die mit Orange und Rot gesprenkelt sind, bewegen sich in bizarren Formen und erreichen manchmal eine Breite von über 160 km und eine Länge von 1.600 km.

Wie lässt sich dieses atemberaubende optische Phänomen erklären? Auroras erscheinen auf der Erde, aber sie werden durch Prozesse verursacht, die auf der fernen Sonne ablaufen.

Wie läuft alles?

Die Sonne ist ein riesiger Gasball, der hauptsächlich aus Wasserstoff- und Heliumatomen besteht. Alle von ihnen haben Protonen mit einer positiven Ladung und Elektronen, die sich um sie herum drehen negative Ladung. In der Form breitet sich ständig ein Halo aus heißem Gas im Weltraum aus Sonnenwind. Diese unzähligen Protonen und Elektronen rasen mit einer Geschwindigkeit von 1000 km pro Sekunde dahin.

Wenn Sonnenwindpartikel die Erde erreichen, werden sie stark angezogen Magnetfeld Planeten. Die Erde ist ein riesiger Magnet mit magnetischen Linien, die im Norden zusammenlaufen Südpole. Die angezogenen Teilchen strömen entlang dieser unsichtbaren Linien in der Nähe der Pole und kollidieren mit den Stickstoff- und Sauerstoffatomen, aus denen die Erdatmosphäre besteht.

Einige Atome der Erde verlieren ihre Elektronen, andere werden aufgeladen neue Energie. Nach der Kollision mit den Protonen und Elektronen der Sonne geben sie Lichtphotonen ab. Beispielsweise zieht Stickstoff, der Elektronen verloren hat, violettes und blaues Licht an, während geladener Stickstoff dunkelrot leuchtet. Geladener Sauerstoff gibt grünes und rotes Licht ab. So lassen die geladenen Teilchen die Luft in vielen Farben schimmern. Das ist das Nordlicht.

Luftspiegelungen

Es sollte sofort festgestellt werden, dass Luftspiegelungen keine Erfindung menschlicher Vorstellungskraft sind, sie können sogar fotografiert werden, sie sind fast mystische Beispiele optischer physikalischer Phänomene.

Es gibt viele Beweise für die Beobachtung von Luftspiegelungen, aber die Wissenschaft kann eine wissenschaftliche Erklärung für dieses Wunder geben. Sie können so einfach sein wie ein Fleck Wasser inmitten heißen Sandes, oder sie können erstaunlich komplex sein und Visionen von Säulenburgen oder Fregatten konstruieren. All diese Beispiele optischer Phänomene entstehen durch das Spiel von Licht und Luft.

Lichtwellen krümmen sich, wenn sie zuerst warme, dann kalte Luft passieren. Heiße Luft ist dünner als kalte Luft, daher sind ihre Moleküle aktiver und divergieren über größere Entfernungen. Mit abnehmender Temperatur nimmt auch die Bewegung der Moleküle ab.

Visionen, die durch die Linsen der Erdatmosphäre gesehen werden, können stark verändert, komprimiert, erweitert oder invertiert sein. Dies liegt daran, dass Lichtstrahlen beim Durchgang durch warme und dann durch kalte Luft gebeugt werden und umgekehrt. Und jene Bilder, die ein Lichtstrahl mit sich trägt, zum Beispiel der Himmel, können sich auf heißem Sand spiegeln und wirken wie ein Stück Wasser, das sich bei Annäherung immer wegbewegt.

Luftspiegelungen können am häufigsten in großen Entfernungen beobachtet werden: in Wüsten, Meeren und Ozeanen, wo gleichzeitig heiße und kalte Luftschichten lokalisiert werden können unterschiedliche Dichte. Es ist der Durchgang durch verschiedene Temperaturschichten, der sich verdrehen kann Lichtwelle und enden mit einer Vision, die etwas widerspiegelt und von der Fantasie als reales Phänomen präsentiert wird.

Heiligenschein

Für die meisten optischen Täuschungen, die man mit bloßem Auge sehen kann, liegt die Erklärung in der Brechung der Sonnenstrahlen in der Atmosphäre. Eines der ungewöhnlichsten Beispiele für optische Phänomene ist solarer Halo. Grundsätzlich ist ein Halo ein Regenbogen um die Sonne. Er unterscheidet sich jedoch sowohl im Aussehen als auch in seinen Eigenschaften vom üblichen Regenbogen.

Dieses Phänomen hat viele Varianten, von denen jede auf ihre eigene Weise schön ist. Aber für das Auftreten jeglicher Art davon optische Täuschung bestimmte Voraussetzungen erforderlich.

Ein Halo entsteht am Himmel, wenn mehrere Faktoren zusammentreffen. Meistens ist es bei frostigem Wetter mit hoher Luftfeuchtigkeit zu sehen. In der Luft gibt es große Menge Eiskristalle. Beim Durchbrechen wird das Sonnenlicht so gebrochen, dass es einen Bogen um die Sonne bildet.

Und obwohl die letzten 3 Beispiele für optische Phänomene von der modernen Wissenschaft leicht erklärt werden können, bleiben sie für einen gewöhnlichen Beobachter oft mystisch und ein Rätsel.

Nachdem wir die wichtigsten Beispiele für optische Phänomene betrachtet haben, kann man davon ausgehen, dass viele von ihnen trotz ihrer Mystik und ihres Mysteriums von der modernen Wissenschaft erklärt werden. Aber Wissenschaftler haben noch viele Entdeckungen und Hinweise vor sich. mysteriöse Phänomene die auf dem Planeten Erde und darüber hinaus stattfinden.

Lyzeum Petru Movila

Kursarbeit in Physik zum Thema:

Optische atmosphärische Phänomene

Die Arbeit eines Schülers der Klasse 11A

Bolyubasch Irina

Chisinau 2006 -

Planen:

1. Einführung

a) Was ist Optik?

b) Arten von Optiken

2. Die Erdatmosphäre als optisches System

3. sonniger sonnenuntergang

a) himmel farbe ändern

b) Sonnenstrahlen

in) Die Einzigartigkeit von Sonnenuntergängen

4. Regenbogen

a) Regenbogenbildung

b) Vielzahl von Regenbogen

5. Polarlichter

a) Arten von Polarlichtern

b) Sonnenwind als Ursache von Polarlichtern

6. Heiligenschein

a) Licht und Eis

b) Prismenkristalle

7. Fata Morgana

a) Erklärung der unteren ("See") Fata Morgana

b)überlegene Luftspiegelungen

in) Doppelte und dreifache Luftspiegelungen

G) Fata Morgana des ultralangen Sehens

e) Legende der Alpen

e) Parade des Aberglaubens

8. Einige Geheimnisse optischer Phänomene

Einführung

Was ist Optik?

Die ersten Vorstellungen antiker Wissenschaftler über Licht waren sehr naiv. Es wurde angenommen, dass spezielle dünne Tentakel aus den Augen kommen und visuelle Eindrücke entstehen, wenn sie Gegenstände fühlen. Optik wurde damals als Wissenschaft vom Sehen verstanden. Das ist die genaue Bedeutung des Wortes „Optik“. Im Mittelalter wandelte sich die Optik allmählich von der Wissenschaft des Sehens zur Wissenschaft des Lichts. Dies wurde durch die Erfindung von Linsen und der Camera Obscura erleichtert. In der heutigen Zeit ist die Optik ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Emission von Licht, seiner Ausbreitung in verschiedenen Medien und der Wechselwirkung mit Materie befasst. Was das Sehen, den Aufbau und die Funktion des Auges anbelangt, ragten sie in einem Special heraus wissenschaftliche Richtung sogenannte physiologische Optik.

Der Begriff „Optik“ moderne Wissenschaft, ist facettenreich. Dies sind atmosphärische Optik und Molekularoptik und Elektronenoptik und Neutronenoptik und nichtlineare Optik und Holographie und Radiooptik und Pikosekundenoptik und adaptive Optik und viele andere Phänomene und Methoden wissenschaftliche Forschung eng verwandt mit optischen Phänomenen.

Die meisten der aufgeführten Arten von Optiken sind als physikalische Phänomene unserer Beobachtung nur unter Verwendung spezieller technischer Geräte zugänglich. Es kann sein Lasersysteme, Röntgenstrahler, Radioteleskope, Plasmageneratoren und viele mehr. Aber die zugänglichsten und gleichzeitig farbenprächtigsten optischen Phänomene sind atmosphärische. Sie sind riesig und das Produkt der Wechselwirkung von Licht und der Atmosphäre der Erde.

Die Erdatmosphäre als optisches System

Unser Planet ist umzingelt Gashülle die wir die Atmosphäre nennen. Es besitzt die größte Dichte an der Erdoberfläche und wird beim Aufstieg allmählich dünner und erreicht eine Mächtigkeit von mehr als hundert Kilometern. Und es ist nicht gefroren gasförmige Umgebung mit identischen physikalischen Daten. Umgekehrt ist die Erdatmosphäre in ständiger Bewegung. Unter Einfluss verschiedene Faktoren, seine Schichten vermischen sich, ändern Dichte, Temperatur, Transparenz, bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über weite Strecken.

Für Lichtstrahlen, die von der Sonne oder anderen Himmelskörpern kommen, ist die Erdatmosphäre eine Art optisches System mit ständig wechselnden Parametern. Da es ihnen im Weg steht, reflektiert es einen Teil des Lichts, streut es, leitet es durch die gesamte Dicke der Atmosphäre, sorgt für eine Beleuchtung der Erdoberfläche, zerlegt es unter bestimmten Bedingungen in Bestandteile und biegt den Weg der Strahlen, wodurch es verursacht wird verschiedene atmosphärische Phänomene. Die ungewöhnlichsten Farben sind Sonnenuntergang, Regenbogen, Nordlichter, Fata Morgana, Sonnen- und Mondschein.

sonniger sonnenuntergang

Das einfachste und zugänglichste atmosphärische Phänomen, das man beobachten kann, ist der Sonnenuntergang unseres göttlicher Körper- Sonne. Außergewöhnlich bunt, es wiederholt sich nie. Und das Bild des Himmels und seiner Veränderung im Verlauf des Sonnenuntergangs ist so hell, dass es bei jedem Menschen Bewunderung hervorruft.

Nähert sich die Sonne dem Horizont, verliert sie nicht nur an Helligkeit, sondern beginnt auch allmählich ihre Farbe zu verändern – in ihrem Spektrum wird der kurzwellige Anteil (rote Farben) zunehmend unterdrückt. Gleichzeitig beginnt sich der Himmel zu färben. In der Nähe der Sonne nimmt es gelbliche und orangefarbene Töne an, und über dem antisolaren Teil des Horizonts erscheint ein blasser Streifen mit einer schwach ausgeprägten Farbskala.

Bis zum Sonnenuntergang, der bereits eine dunkelrote Farbe angenommen hat, zieht sich entlang des Sonnenhorizonts ein helles Morgenband, dessen Farbe von unten nach oben von orange-gelb nach grünlich-blau wechselt. Darüber breitet sich ein runder, heller, fast farbloser Glanz aus. Gleichzeitig beginnt sich am gegenüberliegenden Horizont langsam ein bläulich-graues Segment des Erdschattens zu erheben, das von einem rosa Gürtel begrenzt wird. ("Gürtel der Venus").

Wenn die Sonne tiefer unter den Horizont sinkt, erscheint ein sich schnell ausbreitender rosa Fleck - der sogenannte "lila licht" erreichen größte Entwicklung in einer Tiefe der Sonne unter dem Horizont von etwa 4-5 o . Wolken und Berggipfel sind mit scharlachroten und violetten Tönen überflutet, und wenn Wolken oder hohe Berge sind jenseits des Horizonts, ihre Schatten breiten sich aus Sonnenseite den Himmel und werden gesättigter. In Horizontnähe färbt sich der Himmel rot, und über den hellfarbigen Himmel ziehen sich Lichtstrahlen in Form deutlicher radialer Streifen von Horizont zu Horizont. ("Strahlen des Buddha"). Währenddessen bewegt sich der Schatten der Erde schnell in den Himmel, seine Umrisse verschwimmen und die rosa Umrandung ist kaum wahrnehmbar. Allmählich verblasst das violette Licht, die Wolken verdunkeln sich, ihre Silhouetten heben sich deutlich vom Hintergrund des verblassenden Himmels ab, und nur am Horizont, wo die Sonne verschwunden ist, ist ein heller, vielfarbiger Ausschnitt der Morgendämmerung erhalten. Aber es schrumpft auch allmählich und wird blass und verwandelt sich zu Beginn der astronomischen Dämmerung in einen grünlich-weißlichen schmalen Streifen. Schließlich verschwindet sie – die Nacht kommt.

Das beschriebene Bild ist nur als typisch für klares Wetter anzusehen. Tatsächlich unterliegt die Natur des Sonnenuntergangsflusses großen Schwankungen. Bei zunehmender Lufttrübung verblassen die Farben der Morgendämmerung meist, besonders in Horizontnähe, wo statt Rot- und Orangetönen manchmal nur noch ein schwaches Braun zum Vorschein kommt. Nicht selten entwickeln sich gleichzeitige Leuchtphänomene in verschiedenen Teilen des Himmels unterschiedlich. Jeder Sonnenuntergang hat eine einzigartige Persönlichkeit und dies sollte als eines ihrer charakteristischsten Merkmale betrachtet werden.

Die extreme Individualität des Sonnenuntergangsflusses und die damit einhergehende Vielfalt optischer Phänomene hängen von verschiedenen optischen Eigenschaften der Atmosphäre ab – vor allem von ihren Schwächungs- und Streukoeffizienten, die sich je nach Zenitabstand der Sonne, Beobachtungsrichtung und der Höhe des Betrachters.

Regenbogen

Regenbogen ist schön Himmelserscheinung hat schon immer die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich gezogen. BEIM alte Zeiten, als die Menschen noch wenig über die Welt um sie herum wussten, galt der Regenbogen als „Himmelszeichen“. Die alten Griechen dachten also, dass der Regenbogen das Lächeln der Göttin Irida ist.

Der Regenbogen wird in der der Sonne entgegengesetzten Richtung vor dem Hintergrund von Regenwolken oder Regen beobachtet. Ein mehrfarbiger Bogen befindet sich normalerweise in einer Entfernung von 1 bis 2 km vom Betrachter und kann manchmal in einer Entfernung von 2 bis 3 m vor dem Hintergrund von Wassertropfen beobachtet werden, die von Springbrunnen oder Wassersprays gebildet werden.

Das Zentrum des Regenbogens liegt auf der Fortsetzung der geraden Linie, die die Sonne und das Auge des Betrachters verbindet - auf der Antisonnenlinie. Der Winkel zwischen der Richtung zum Hauptregenbogen und der Antisonnenlinie beträgt 41º - 42º

Zum Zeitpunkt des Sonnenaufgangs liegt der Antisonnenpunkt auf der Horizontlinie und der Regenbogen sieht aus wie ein Halbkreis. Wenn die Sonne aufgeht, fällt der Antisonnenpunkt unter den Horizont und die Größe des Regenbogens nimmt ab. Es ist nur ein Teil eines Kreises.

Oft gibt es einen sekundären Regenbogen, konzentrisch zum ersten, mit einem Winkelradius von etwa 52º und einer umgekehrten Anordnung der Farben.

Der Hauptregenbogen entsteht durch die Reflexion von Licht in Wassertropfen. Ein sekundärer Regenbogen entsteht durch eine doppelte Lichtreflexion in jedem Tropfen. In diesem Fall verlassen die Lichtstrahlen den Tropfen in anderen Winkeln als diejenigen, die den Hauptregenbogen erzeugen, und die Farben im sekundären Regenbogen sind in umgekehrter Reihenfolge.

Der Strahlengang in einem Wassertropfen: a - mit einer Reflexion, b - mit zwei Reflexionen

Bei einer Sonnenhöhe von 41º ist der Hauptregenbogen nicht mehr sichtbar und nur ein Teil des sekundären Regenbogens erscheint über dem Horizont, und bei einer Sonnenhöhe von mehr als 52º ist der sekundäre Regenbogen ebenfalls nicht sichtbar. Daher wird dieses Naturphänomen in den mittleren äquatorialen Breiten nie in der Nähe der Mittagsstunden beobachtet.

Der Regenbogen hat sieben Grundfarben, die fließend ineinander übergehen. Die Form des Bogens, die Helligkeit der Farben, die Breite der Streifen hängen von der Größe der Wassertropfen und ihrer Anzahl ab. Große Tropfen erzeugen einen schmaleren Regenbogen mit scharf hervortretenden Farben, kleine Tropfen erzeugen einen Bogen, der verschwommen, verblasst und sogar weiß ist. Deshalb hell schmaler Regenbogen sichtbar im Sommer nach einem Gewitter, bei dem große Tropfen fallen.