1. Fenômenos ópticos na atmosfera foram os primeiros efeitos ópticos observados pelo homem. Com a compreensão da natureza desses fenômenos e da natureza da visão humana, começou a formação do problema da luz.
O número total de fenômenos ópticos na atmosfera é muito grande. Apenas os fenômenos mais famosos serão considerados aqui - miragens, arco-íris, halos, coroas, estrelas cintilantes, céu azul e amanhecer escarlate. A formação desses efeitos está associada a propriedades da luz como refração nas interfaces entre meios, interferência e difração.
2. refração atmosférica – é a curvatura dos raios de luz à medida que passam pela atmosfera do planeta. Dependendo das fontes de raios, existem astronômico e terrestre refração. No primeiro caso, os raios vêm de corpos celestes (estrelas, planetas), no segundo caso, de objetos terrestres. Como resultado da refração atmosférica, o observador vê um objeto não onde está, ou não na forma que tem.
3. Refração astronômica já era conhecido no tempo de Ptolomeu (século II dC). Em 1604, I. Kepler sugeriu que a atmosfera da Terra tem uma densidade independente da altura e uma certa espessura h(Fig. 199). Ray 1 vindo da estrela S direto para o observador UMA em linha reta, não cairá em seus olhos. Refratado no limite do vácuo e da atmosfera, atingirá o ponto NO.
O raio 2 atingirá o olho do observador, que, na ausência de refração na atmosfera, teria que passar. Como resultado da refração (refração), o observador verá a estrela não na direção S, mas na continuação do feixe refratado na atmosfera, ou seja, na direção S 1 .
Injeção γ , que se desvia para o zênite Z posição aparente da estrela S 1 em comparação com a posição real S, chamado ângulo de refração. Na época de Kepler, os ângulos de refração já eram conhecidos a partir dos resultados de observações astronômicas de algumas estrelas. Portanto, Kepler usou este esquema para estimar a espessura da atmosfera h. Segundo seus cálculos, h» 4km. Se contarmos pela massa da atmosfera, isso é cerca de metade do valor real.
Na verdade, a densidade da atmosfera da Terra diminui com a altitude. Portanto, as camadas inferiores de ar são opticamente mais densas que as superiores. Raios de luz que vão obliquamente para a Terra não são refratados em um ponto da fronteira do vácuo e da atmosfera, como no esquema de Kepler, mas são curvados gradualmente ao longo de todo o caminho. Isso é semelhante a como um feixe de luz passa por uma pilha de placas transparentes, cujo índice de refração é maior quanto mais baixa a placa estiver localizada. No entanto, o efeito total da refração se manifesta da mesma forma que no esquema de Kepler. Notamos dois fenômenos devido à refração astronômica.
uma. As posições aparentes dos objetos celestes estão mudando para o zênite para o ângulo de refração γ
. Quanto mais baixa a estrela estiver no horizonte, mais perceptível sua posição aparente no céu se eleva em comparação com a verdadeira (Fig. 200). Portanto, a imagem do céu estrelado, observada da Terra, é um pouco deformada em direção ao centro. Apenas o ponto não se move S localizado no zênite. Devido à refração atmosférica, estrelas que estão um pouco abaixo da linha geométrica do horizonte podem ser observadas.
Valores do ângulo de refração γ diminui rapidamente à medida que o ângulo aumenta. β a altura da luminária acima do horizonte. No β = 0 γ = 35" . Este é o ângulo máximo de refração. No β = 5º γ = 10" , no β = 15º γ = 3" , no β = 30º γ = 1" . Para luminárias cuja altura β > 30º, desvio refrativo γ < 1" .
b. O sol ilumina mais da metade da superfície da Terra.. Raios 1 - 1, que na ausência de atmosfera devem tocar a Terra nos pontos da seção diametral DD, graças à atmosfera, eles tocam um pouco mais cedo (Fig. 201).
A superfície da Terra é tocada pelos raios 2 - 2, que passariam sem a atmosfera. Como resultado, a linha de terminação BB, separando a luz da sombra, desloca-se para a região do hemisfério noturno. Portanto, a área da superfície do dia na Terra é maior que a área da noite.
4. Refração da Terra. Se os fenômenos de refração astronômica são devidos efeito refrativo global da atmosfera, então os fenômenos de refração terrestre são devidos mudanças atmosféricas locais geralmente associada a anomalias de temperatura. As manifestações mais notáveis da refração terrestre são miragens.
uma. miragem superior(a partir de fr. miragem). Geralmente é observado em regiões árticas com ar limpo e baixas temperaturas de superfície. O forte resfriamento da superfície aqui se deve não apenas à baixa posição do sol acima do horizonte, mas também ao fato de que a superfície coberta de neve ou gelo reflete a maior parte da radiação para o espaço. Como resultado, na camada superficial, à medida que se aproxima da superfície da Terra, a temperatura diminui muito rapidamente e a densidade óptica do ar aumenta.
A curvatura dos raios em direção à Terra às vezes é tão significativa que são observados objetos que estão muito além da linha do horizonte geométrico. O feixe 2 da Fig. 202, que em uma atmosfera comum teria ido para suas camadas superiores, neste caso é dobrado em direção à Terra e entra no olho do observador.
Aparentemente, tal miragem é o lendário "Flying Dutchmen" - os fantasmas de navios que estão realmente a centenas ou mesmo milhares de quilômetros de distância. O que surpreende nas miragens superiores é que não há diminuição perceptível no tamanho aparente dos corpos.
Por exemplo, em 1898, a tripulação do navio de Bremen "Matador" observou um navio fantasma, cujas dimensões aparentes correspondiam a uma distância de 3 a 5 milhas. De fato, como se viu mais tarde, esse navio estava naquela época a uma distância de cerca de mil milhas. (1 milha náutica é igual a 1852 m). O ar de superfície não apenas dobra os raios de luz, mas também os concentra como um sistema óptico complexo.
Em condições normais, a temperatura do ar diminui com o aumento da altitude. O curso inverso da temperatura, quando a temperatura aumenta com o aumento da altitude, é chamado inversão de temperatura. As inversões de temperatura podem ocorrer não apenas nas zonas árticas, mas também em outros lugares de latitudes mais baixas. Portanto, miragens superiores podem ocorrer onde o ar é suficientemente limpo e onde ocorrem inversões de temperatura. Por exemplo, miragens de visão distante às vezes são observadas na costa do Mediterrâneo. A inversão de temperatura é criada aqui pelo ar quente do Saara.
b. miragem inferior ocorre durante o curso inverso da temperatura e geralmente é observado em desertos durante o tempo quente. Ao meio-dia, quando o sol está alto, o solo arenoso do deserto, composto por partículas de minerais sólidos, aquece até 50 graus ou mais. Ao mesmo tempo, a uma altura de várias dezenas de metros, o ar permanece relativamente frio. Portanto, o índice de refração das camadas de ar acima é visivelmente maior em comparação com o ar próximo ao solo. Isso também leva à curvatura dos raios, mas na direção oposta (Fig. 203).
Raios de luz vindos das partes do céu localizadas abaixo do horizonte, que estão opostas ao observador, são constantemente dobradas para cima e entram no olho do observador na direção de baixo para cima. Como resultado, em sua continuação na superfície da terra, o observador vê um reflexo do céu, assemelhando-se a uma superfície de água. Esta é a chamada miragem do "lago".
O efeito é ainda mais acentuado quando há rochas, morros, árvores, prédios na direção de observação. Neste caso, são visíveis como ilhas no meio de um vasto lago. Além disso, não apenas o objeto é visível, mas também seu reflexo. Pela natureza da curvatura dos raios, a camada terrestre de ar atua como um espelho da superfície da água.
5. Arco-íris. é colorido um fenômeno óptico observado durante a chuva, iluminado pelo sol e representando um sistema de arcos coloridos concêntricos.
A primeira teoria do arco-íris foi desenvolvida por Descartes em 1637. Nessa época, os seguintes fatos experimentais relacionados ao arco-íris eram conhecidos:
uma. O centro do arco-íris O está na linha reta que liga o Sol ao olho do observador.(fig.204).
b. Ao redor da linha de simetria Olho - o Sol é um arco colorido com um raio angular de cerca de 42° . As cores estão dispostas, contando a partir do centro, na ordem: azul (d), verde (h), vermelho (k)(grupo de linhas 1). Isso é arco-íris principal. Dentro do arco-íris principal há arcos multicoloridos fracos de tons avermelhados e esverdeados.
dentro. O segundo sistema de arcos com um raio angular de cerca de 51° chamado arco-íris secundário. Suas cores são bem mais pálidas e vão na ordem inversa, contando do centro, vermelho, verde, azul (um grupo de linhas 2) .
G. O arco-íris principal aparece apenas quando o sol está acima do horizonte em um ângulo não superior a 42 °.
Como Descartes estabeleceu, a principal razão para a formação do arco-íris primário e secundário é a refração e reflexão dos raios de luz nas gotas de chuva. Considere as principais disposições de sua teoria.
6. Refração e reflexão de um feixe monocromático em uma gota. Deixe um feixe monocromático com intensidade EU 0 cai em uma queda esférica de raio R na distância y do eixo no plano da seção diametral (Fig. 205). No ponto de queda UMA parte do feixe é refletida, e a parte principal da intensidade EU 1 passa dentro da gota. No ponto B a maior parte do feixe passa para o ar (na Fig. 205 NO feixe não mostrado), e uma parte menor é refletida e cai em um ponto Com. Saiu no ponto Com intensidade do feixe EU 3 está envolvido na formação do arco principal e bandas secundárias fracas dentro do arco principal.
Vamos encontrar o canto θ , sob o qual o feixe sai EU 3 em relação ao feixe incidente EU 0. Observe que todos os ângulos entre o raio e a normal dentro da gota são iguais e iguais ao ângulo de refração β . (Triângulos OAB e OVS isósceles). Não importa o quanto o feixe “circule” dentro da gota, todos os ângulos de incidência e reflexão são iguais e iguais ao ângulo de refração β . Por esta razão, qualquer raio emergindo da gota nos pontos NO, Com etc., sai no mesmo ângulo igual ao ângulo de incidência α .
Para encontrar um ângulo θ deflexão do feixe EU 3 do original, é necessário somar os ângulos de desvio nos pontos MAS, NO e Com: q = (α – β) + (π – 2β) + (α - β) = π + 2α – 4β . (25.1)
É mais conveniente medir um ângulo agudo φ \u003d π - q \u003d 4β – 2α . (25.2)
Tendo realizado o cálculo para várias centenas de raios, Descartes descobriu que o ângulo φ com crescimento y, ou seja, à medida que o feixe se afasta EU 0 do eixo de queda, primeiro cresce em valor absoluto, em y/R≈ 0,85 assume um valor máximo e depois começa a diminuir.
Agora este é o valor limite do ângulo φ pode ser encontrado examinando a função φ ao extremo no. Desde o pecado α = yçR, e pecado β = yçR· n, então α = arcsin( yçR), β = arcsin( yçRn). Então
, 
. (25.3)
Expandindo os termos em diferentes partes da equação e elevando ao quadrado, obtemos:
, Þ (25,4)
Para amarelo D-linhas de sódio λ = 589,3 nm índice de refração da água n= 1,333. Distância do ponto MAS ocorrências deste raio a partir do eixo y= 0,861R. O ângulo limite para este raio é
Interessante que o ponto NO a primeira reflexão do feixe na gota é também a distância máxima do eixo da gota. Explorando em um ângulo extremo d= p– α – ε = p– α – (p– 2β ) = 2β – α no tamanho no, obtemos a mesma condição no= 0,861R e d= 42,08°/2 = 21,04°.
A Figura 206 mostra a dependência do ângulo φ , sob a qual o feixe deixa a gota após a primeira reflexão (fórmula 25.2), na posição do ponto MAS entrada do feixe na gota. Todos os raios são refletidos dentro de um cone com um ângulo de vértice de ≈ 42º.
É muito importante para a formação de um arco-íris que os raios que entram na gota em uma camada cilíndrica de espessura uçR de 0,81 a 0,90, saem após reflexão na parede fina do cone na faixa angular de 41,48º a 42,08º. Do lado de fora, a parede do cone é lisa (há um extremo do ângulo φ
), por dentro - solto. A espessura angular da parede é ≈ 20 minutos de arco. Para raios transmitidos, a gota se comporta como uma lente com distância focal f= 1,5R. Os raios entram na gota sobre toda a superfície do primeiro hemisfério, são refletidos de volta por um feixe divergente no espaço de um cone com um ângulo axial de ≈ 42º e passam por uma janela com um raio angular de ≈ 21º (Fig. 207). ).
7. A intensidade dos raios que emergem da gota. Aqui falaremos apenas dos raios que emergiram da gota após a 1ª reflexão (Fig. 205). Se um feixe incidir sobre uma queda em um ângulo α , tem intensidade EU 0 , então o feixe que passou na gota tem uma intensidade EU 1 = EU 0 (1 – ρ ), Onde ρ é o coeficiente de reflexão de intensidade.
Para luz não polarizada, o coeficiente de reflexão ρ pode ser calculado usando a fórmula de Fresnel (17.20). Como a fórmula inclui os quadrados das funções da diferença e a soma dos ângulos α e β , então o coeficiente de reflexão não depende se o feixe entra na gota ou da gota. Porque os cantos α e β em pontos MAS, NO, Com são iguais, então o coeficiente ρ em todos os pontos MAS, NO, Com o mesmo. Assim, a intensidade dos raios EU 1 = EU 0 (1 – ρ ), EU 2 = EU 1 ρ = EU 0 ρ (1 – ρ ), EU 3 = EU 2 (1 – ρ ) = EU 0 ρ (1 – ρ ) 2 .
A Tabela 25.1 mostra os valores dos ângulos φ , coeficiente ρ e relações de intensidade EU 3 cI 0 calculado em diferentes distâncias uçR entrada de feixe para linha amarela de sódio λ = 589,3 nm. Como pode ser visto na tabela, quando no≤ 0,8R no feixe EU 3, menos de 4% da energia do feixe incidente na gota cai. E só a partir de no= 0,8R e mais até no= R intensidade do feixe de saída EU 3 é multiplicado.
| Tabela 25.1 |
|||||
| y/R | α ,º | β ,º | φ ,º | ρ | EU 3 /EU 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 |
Assim, os raios que emergem da gota no ângulo limite φ , têm uma intensidade muito maior em comparação com outros feixes por dois motivos. Em primeiro lugar, devido à forte compressão angular do feixe de raios na parede fina do cone, e em segundo lugar, devido às menores perdas na gota. Apenas a intensidade desses raios é suficiente para evocar no olho a sensação do brilho de uma gota.
8. Formação do arco-íris principal. Quando a luz incide sobre uma gota, o feixe se divide devido à dispersão. Como resultado, a parede do cone de reflexão brilhante é estratificada por cores (Fig. 208). raios roxos ( eu= 396,8 nm) saída em ângulo j= 40°36", vermelho ( eu= 656,3 nm) - em um ângulo j= 42°22". Neste intervalo angular D φ
\u003d 1 ° 46 "envolve todo o espectro de raios que emergem da gota. Os raios violeta formam um cone interno, os vermelhos formam um cone externo. Se as gotas de chuva iluminadas pelo sol são vistas pelo observador, então aquelas cujo cone os raios que entram no olho são vistos como os mais brilhantes. Como resultado, todas as gotas que estão em relação ao raio do sol que passa pelo olho do observador, em um ângulo de um cone vermelho, são vistas como vermelhas, em um ângulo de verde - verde (Fig. 209).
9. Formação secundária do arco-íris ocorre devido aos raios que emergem da gota após a segunda reflexão (Fig. 210). A intensidade dos raios após a segunda reflexão é cerca de uma ordem de magnitude menor do que a dos raios após a primeira reflexão e tem aproximadamente o mesmo caminho com uma mudança de uçR.
Os raios que emergem da gota após a segunda reflexão formam um cone com um ângulo de vértice de ≈ 51º. Se o cone primário tiver um lado liso do lado de fora, o cone secundário terá um lado liso do lado de dentro. Praticamente não há raios entre esses cones. Quanto maiores as gotas de chuva, mais brilhante o arco-íris. Com a diminuição do tamanho das gotículas, o arco-íris fica pálido. Quando a chuva se transforma em garoa R≈ 20 - 30 mícrons o arco-íris degenera em um arco esbranquiçado com cores quase indistinguíveis.
10. aréola(do grego. halos- anel) - um fenômeno óptico, que geralmente é círculos iridescentes ao redor do disco do sol ou da lua com um raio angular 22º e 46º. Esses círculos são formados como resultado da refração da luz por cristais de gelo em nuvens cirros, que têm a forma de prismas regulares hexagonais.
Os flocos de neve que caem no chão têm formas muito diversas. No entanto, os cristais formados como resultado da condensação de vapor na alta atmosfera estão principalmente na forma de prismas hexagonais. De todas as opções possíveis para a passagem de uma viga através de um prisma hexagonal, três são as mais importantes (Fig. 211).
No caso (a), o feixe passa por faces paralelas opostas do prisma sem se dividir ou desviar.
No caso (b), o feixe passa pelas faces do prisma, que formam um ângulo de 60º entre elas, e é refratado como em um prisma espectral. A intensidade do feixe que emerge no ângulo de menor desvio de 22º é máxima. No terceiro caso (c), o feixe passa pela face lateral e pela base do prisma. Ângulo de refração 90º, ângulo de menor desvio 46º. Nos dois últimos casos, os raios brancos são divididos, os raios azuis se desviam mais, os raios vermelhos menos. 
Os casos (b) e (c) provocam o aparecimento de anéis observados nos raios transmitidos e com dimensões angulares de 22º e 46º (Fig. 212).
Normalmente o anel externo (46º) é mais claro que o interno e ambos possuem uma tonalidade avermelhada. Isso se explica não apenas pela intensa dispersão dos raios azuis na nuvem, mas também pelo fato de que a dispersão dos raios azuis no prisma é maior que a dos vermelhos. Portanto, os raios azuis saem dos cristais em um feixe fortemente divergente, devido ao qual sua intensidade diminui. E os raios vermelhos saem em um feixe estreito, que tem uma intensidade muito maior. Em condições favoráveis, quando é possível distinguir cores, o interior dos anéis é vermelho, o exterior é azul.
10. coroas- anéis de neblina brilhantes ao redor do disco da estrela. Seu raio angular é muito menor que o raio do halo e não excede 5º. As coroas surgem devido ao espalhamento de raios por difração por gotículas de água formando uma nuvem ou neblina.
Se o raio de queda R, então o primeiro mínimo de difração em feixes paralelos é observado em um ângulo j = 0,61∙lçR(ver fórmula 15.3). Aqui eué o comprimento de onda da luz. Os padrões de difração de gotas individuais em feixes paralelos coincidem; como resultado, a intensidade dos anéis de luz é aumentada.
O diâmetro das coroas pode ser usado para determinar o tamanho das gotículas na nuvem. Quanto maiores as gotas (mais R), menor o tamanho angular do anel. Os maiores anéis são observados a partir das menores gotas. A distâncias de vários quilômetros, os anéis de difração ainda são visíveis quando o tamanho da gota é de pelo menos 5 µm. Nesse caso j máx = 0,61 lçR≈ 5 ¸ 6°.
A cor dos anéis claros das coroas é muito fraca. Quando é perceptível, a borda externa dos anéis tem uma cor avermelhada. Ou seja, a distribuição de cores nas coroas é inversa à distribuição de cores nos anéis de halo. Além das dimensões angulares, isso também permite distinguir entre as coroas e o halo. Se houver gotículas de uma ampla gama de tamanhos na atmosfera, os anéis das coroas, sobrepostos uns aos outros, formam um brilho geral ao redor do disco da estrela. Esse brilho é chamado aréola.
11. Céu azul e amanhecer escarlate. Quando o Sol está acima do horizonte, um céu sem nuvens parece azul. O fato é que dos raios do espectro solar, de acordo com a lei de Rayleigh EU rass ~ 1 /eu 4, raios curtos azuis, cianos e violetas são espalhados com mais intensidade.
Se o Sol estiver baixo acima do horizonte, seu disco será percebido como vermelho carmesim pelo mesmo motivo. Devido ao intenso espalhamento da luz de comprimento de onda curto, principalmente raios vermelhos fracamente dispersos atingem o observador. A dispersão dos raios do Sol nascente ou poente é especialmente grande porque os raios percorrem uma longa distância perto da superfície da Terra, onde a concentração de partículas de dispersão é especialmente alta.
O amanhecer ou o entardecer - a coloração da parte do céu próxima ao Sol em rosa - é explicado pelo espalhamento por difração da luz nos cristais de gelo na atmosfera superior e pelo reflexo geométrico da luz dos cristais.
12. estrelas cintilantes- São mudanças rápidas no brilho e na cor das estrelas, especialmente perceptíveis perto do horizonte. O cintilar das estrelas é devido à refração dos raios em jatos de ar que correm rapidamente, que, devido a diferentes densidades, têm um índice de refração diferente. Como resultado, a camada da atmosfera através da qual o feixe passa se comporta como uma lente com distância focal variável. Pode ser tanto coleta quanto dispersão. No primeiro caso, a luz é concentrada, o brilho da estrela é aprimorado, no segundo, a luz é espalhada. Essa mudança de sinal é registrada até centenas de vezes por segundo.
Devido à dispersão, o feixe é decomposto em raios de cores diferentes, que seguem caminhos diferentes e podem divergir tanto mais quanto mais baixa a estrela estiver no horizonte. A distância entre os raios violeta e vermelho de uma estrela pode chegar a 10 metros perto da superfície da Terra. Como resultado, o observador vê uma mudança contínua no brilho e na cor da estrela.
Fenômenos ópticos na atmosfera
A atmosfera é uma mistura complexa de gases. Moléculas, átomos de gases, produtos de condensação e sublimação de vapor de água, várias partículas sólidas suspensas no ar participam do processo de dispersão da luz. Como resultado, a atmosfera é uma espécie de sistema óptico com parâmetros em constante mudança. Fenômenos ópticos na atmosfera surgem como resultado da reflexão,
refração e dispersão(a luz branca é decomposta em um espectro),
refração do halo de dispersão da atmosfera
difração ( desvio de uma onda de luz de uma direção retilínea ao passar por pequenos orifícios ou ao se curvar em torno de pequenos obstáculos) e interferência(sobreposição) ondas
A cor azul do céu é explicada cientificamente teoria de Rayleigh baseado na lei de espalhamento molecular. Ele afirma: “a intensidade da luz espalhada varia inversamente com a quarta potência do comprimento de onda da luz incidente na partícula espalhada”. Como o comprimento de onda dos raios violetas é metade do dos raios vermelhos, eles se espalham 16 vezes mais. Todos os outros raios coloridos do espectro visível serão incluídos na luz espalhada em uma quantidade inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda de cada um deles. Uma mistura de todos os raios dispersos dá uma cor azul.
Espalhamento Molecular de Rayleighé um caso especial de dispersão de aerossol. Se o tamanho da partícula exceder 1/10 do comprimento de onda incidente, então ela passa em dispersão de aerossol Mie(céu esbranquiçado e avermelhado). Ao meio-dia, raios predominantemente de ondas longas atingem o Sol - raios vermelhos, laranja e amarelos. Quando o Sol desce em direção ao horizonte, os raios têm que percorrer um caminho mais longo na atmosfera. Perdas de raios de comprimento de onda curto tornam-se perceptíveis. E a cor do Sol ao pôr do sol torna-se laranja ou vermelha.
A tonalidade dourada, laranja ou avermelhada do céu acima do horizonte é chamada alvorecer. A cor do céu depende das impurezas dos aerossóis no ar. Tons dourados indicam uma pequena quantidade de aerossóis no ar que dispersam a luz do sol. A presença de vapor de água aumenta a dispersão dos raios vermelhos na atmosfera.
raios crepusculares- esse fenômeno se deve ao contraste entre a luz do Sol, vapor d'água espalhado no ar e a sombra projetada por nuvens localizadas abaixo do horizonte ou não acima do horizonte.
Arco-íris e aréola- fenômenos associados à refração e reflexão de raios de luz em gotas e cristais de nuvens.
Arco-íris observado na direção oposta ao Sol, geralmente a uma distância de 1-2 km do observador. Às vezes, pode ser observado a uma distância de vários metros no contexto de gotas de água. O centro do arco-íris está na mesma linha com o olho do observador e com o centro do disco solar. Refratado em uma gota, o feixe se decompõe em cores primárias. A cor interna do arco-íris é roxa, a cor externa é vermelha. O tipo de arco, o brilho das cores, a largura das listras dependem do número, tamanho e deformação das gotas de chuva. As gotas grandes criam um arco-íris mais estreito e brilhante, as pequenas criam um arco embaçado, desbotado e até branco.
A formação do arco-íris principal (com um raio angular de cerca de 42°) é explicada pela dupla refração e única reflexão interna luz solar a que são expostos em gotas de água.
Muitas vezes aparece um segundo arco-íris menos brilhante, com um raio angular de cerca de 52° com as cores invertidas. Este arco-íris é formado como resultado Duplo refração e reflexões raios em uma gota. Muito menos frequentemente, arcos secundários fracamente coloridos são observados no lado interno do primeiro arco-íris.
Vários formulários aréola podem ser divididos em dois grupos principais:
Halo, ligeiramente tingido com cores iridescentes. São círculos, arcos tangentes a eles, pontos de luz (falsos sóis);
Os halos incolores são brancos. Este é um círculo horizontal, pilares e cruzes.
O fenômeno do primeiro grupo é obtido como resultado da refração dos raios nos cristais de gelo e o fenômeno do segundo grupo - como resultado da reflexão de seus rostos. Esses cristais estão localizados entre o observador e a fonte de luz no verão na forma de nuvens cirros, e no inverno, também na forma de poeira de gelo, neblina ou neblina. A diversidade do halo depende da forma dos cristais de gelo, sua orientação, movimento e a altura do Sol acima do horizonte.
O halo mais frequentemente observado com um raio de 22 °, cuja parte interna é avermelhada, a parte externa é azulada, o céu dentro do anel parece mais escuro. Um halo de raio de 46° é uma ocorrência mais rara. Devido ao seu grande tamanho, este halo é extremamente raramente observado como um círculo completo, geralmente apenas uma parte dele é visível. A cor iridescente do halo surge da decomposição de um feixe de luz branca em um prisma de gelo.
Ainda mais raramente, formas complexas de auréola são observadas quando consiste em vários círculos, arcos tangentes e oblíquos e falsos sóis ou luas. Mais frequentemente observado arcos tangentes superiores ao halo em 22 e 46°. Eles são convexamente voltados para o sol, são coloridos e a cor vermelha é voltada para o sol. Eles aparecem quando há cristais na nuvem com diferentes arranjos de faces e arestas refratárias.
círculo parélico(ou círculo de sóis falsos) - um anel branco centrado no ponto zênite, passando pelo Sol paralelo ao horizonte. Este círculo é o resultado do reflexo dos raios do sol nas faces laterais dos cristais de gelo hexagonais flutuando no ar em posição vertical.
parélia, ou falsos sóis, são manchas brilhantemente luminosas * lembrando o Sol, que se formam nos pontos de intersecção do círculo parélico * com o halo, possuindo raios angulares de 22°, 46° e 90°. Às vezes, um antelium (anti-sol) é visível - um ponto brilhante localizado no anel do parélio exatamente oposto ao Sol. Supõe-se que a causa desse fenômeno seja a dupla reflexão interna da luz solar. O feixe refletido segue o mesmo caminho que o feixe incidente, mas na direção oposta.
arco circunzenitalé um arco de 90° ou menos, centrado no zênite, aproximadamente 46° acima do Sol. Tem cores brilhantes, o lado externo do arco é pintado de vermelho.
poste solar ocorrência muito comum, lembrando espada. Surge como resultado da reflexão dos raios de luz das faces horizontais, placas de gelo flutuando no ar. Cruz. Este fenômeno é obtido como resultado da interseção dos pilares com um círculo horizontal branco.
3) Coroas, glórias, fantasmas quebrados, halos, iridescência de nuvens surgem como resultado difração e interferência raios solares.
coroas anéis leves e levemente coloridos, cujo lado interno é azul, o lado externo é vermelho. Eles cercam o Sol ou a Lua, que brilham através de finas nuvens de água. A coroa pode ser uma adjacente à luminária (halo), ou vários "anéis adicionais" separados por lacunas. As coroas são formadas por raios tangentes extremos incidentes na superfície de uma partícula esférica (nuvem ou gotículas de neblina, orvalho, grãos de areia). A razão para o aparecimento de coroas é a difração da luz ao passar entre as gotículas e os cristais da nuvem. Passando por pequenos orifícios, o feixe de luz contorna as bordas da gota e ao mesmo tempo se decompõe em raios coloridos, que são desviados de diferentes maneiras quando o feixe é dobrado na borda do orifício. As dimensões da coroa dependem do tamanho das gotas e cristais: quanto maiores as gotas (cristais), menor a coroa e vice-versa. Se os elementos da nuvem se tornam maiores na nuvem, o raio da coroa diminui gradualmente e, quando o tamanho dos elementos da nuvem diminui (evaporação), aumenta.
Quando os raios passam dentro da partícula e em certos ângulos (tangentes), a maior parte dos raios é quase completamente refletida e direcionada para trás, quase paralela aos raios incidentes. Esses raios criam um padrão de difração na direção oposta. então glória também chamado de "anti-coroa" ou "anti-corona". Fantasma quebrado formado em terreno acidentado quando o sol está atrás do observador em torno da sombra de uma pessoa caindo em uma parede vertical de neblina. De madrugada, assim que o sol nasce, em um prado abundantemente coberto de orvalho, uma nimbo, ele se forma ao redor da sombra da cabeça de uma pessoa.
Às vezes, durante o dia, partes separadas das nuvens de nuvens cirrocúmulos ou altocúmulos brilham com as cores do arco-íris, e essas cores brilham como madrepérola. A coloração é especialmente intensa nas bordas finas das nuvens. Nuvem iridescência . O jogo de cores é obtido porque a nuvem se move e muda sua densidade.
Os fenômenos ópticos observados na atmosfera estão intimamente relacionados aos processos que ocorrem nela, portanto, coroas e halos são um dos principais sinais locais do clima.
Fenômenos astronômico e refração terrestre, devido à refração dos raios de luz na atmosfera devido à distribuição desigual de temperatura e densidade do ar. refração é chamada astronômico, se a fonte de luz estiver fora da atmosfera. Suas consequências: o brilho das estrelas, a distorção da forma do disco solar ao nascer e ao pôr do sol, um aumento na duração do dia. Nas latitudes médias (Moscou, São Petersburgo), devido à refração, o dia geralmente aumenta não mais que 8-12 minutos, mais nos pólos. Ao pôr do sol ou ao nascer do sol, quando o Sol está abaixo do horizonte, a refração o eleva e o dia continua. O aumento da duração do dia depende da altura da luminária, da latitude do local da temperatura e da pressão do ar na superfície da Terra.
Devido à refração dos raios do sol, ao nascer e ao pôr do sol a forma do disco solar é distorcida. O achatamento do Sol é explicado pelo fato de sua borda inferior, tocando o horizonte, sofrer refração mais forte que a superior. estrelas cintilantes Isso se explica pela refração e dispersão parcial dos raios vindos da estrela em jatos de ar quente ou frio, que são constantemente encontrados no caminho de seus raios na atmosfera.
Refração da Terra surge como resultado da passagem e refração de raios de objetos localizados no interior da atmosfera em camadas de ar de diferentes densidades. A manifestação da refração terrestre é causada por grandes gradientes de temperatura (mais de 3°C por 100 m) na atmosfera. Nesse caso, objetos distantes podem ser levantados ou abaixados em relação à sua posição real, e também podem ser distorcidos e adquirir formas irregulares e fantásticas. Existem vários tipos de miragens dependendo de onde a imagem está localizada em relação ao assunto: superior, inferior, lateral e complexa.
miragem inferior: É formado como resultado da reflexão de objetos ou do céu do ar fortemente aquecido perto da superfície da terra. Eles são observados nas estepes e desertos.
Miragem superior. Eles são formados como resultado da reflexão de objetos localizados além da linha do horizonte de uma camada quente de ar localizada acima de uma superfície muito fria da Terra ou do mar. Condições favoráveis para eles são criadas nas regiões polares ou em mares frios.
Miragem lateral. Ocorre quando camadas de ar da mesma densidade estão localizadas na atmosfera não horizontalmente, mas obliquamente ou mesmo verticalmente. Tais condições são criadas no verão, na manhã após o nascer do sol perto das costas rochosas do mar ou lago, quando a costa já está iluminada pelo Sol e a superfície da água e do ar acima dela ainda está fria.
Um tipo complexo de miragem, ou Fata Morgana, surgem quando há condições para o aparecimento de uma miragem superior e inferior ao mesmo tempo, por exemplo, com uma inversão significativa de temperatura a uma certa altura acima da água morna, uma camada de ar frio é formada. Como resultado do ar que flui das montanhas costeiras. Castelos mágicos aparecem sobre o mar, mudando, crescendo, desaparecendo.
Fenômenos atmosféricos incomuns inspiraram e continuam a inspirar medo em pessoas com inclinação mística. Portanto, para formar uma visão de mundo objetiva em um aluno, essas questões podem ser consideradas em aulas optativas. O estudo da natureza dos fenômenos ópticos ajudará a explicar os fundamentos científicos dos processos físicos, satisfazer o interesse cognitivo dos alunos no estudo de áreas selecionadas do conhecimento. Fotos de fenômenos podem ser usadas para fins de demonstração em aulas de geografia na escola. Sem dúvida, todo aluno estará interessado em expandir seus conhecimentos na área de estudo de fenômenos ópticos na natureza.
A abóbada do céu fez muitos mistérios para uma pessoa, no processo de resolver esses problemas, as mesmas muitas novas descobertas foram feitas. Um feixe de luz, passando pela atmosfera do nosso planeta, não só o ilumina, como lhe confere um aspecto único, tornando-o bonito.
A primeira tentativa de explicar o arco-íris como um fenômeno natural foi feita em 1611 pelo arcebispo Antonio Dominis, pelo qual foi excomungado e condenado à morte, e seus manuscritos foram queimados.
A explicação científica do arco-íris foi dada pela primeira vez por René Descartes em 1637. Descartes construiu uma imagem para 10.000 raios. Descobriu-se que com uma única reflexão, apenas um pequeno grupo de raios (eles são destacados por linhas sólidas) emergem da gota em um feixe compacto, formando um ângulo de cerca de 42° com a direção dos raios solares incidentes, e com uma dupla reflexão, 52°. Todo o resto (indicado por linhas pontilhadas) diverge em um amplo leque, se dissipa. Em homenagem ao descobridor, este feixe compacto é chamado raio de Descartes.
Menos de 5% da energia do fluxo solar que cai em uma gota é gasto em um arco-íris. Ao mesmo tempo, cerca de 4% vão para a formação do primeiro arco-íris.
Cada pessoa vê seu próprio arco-íris. Os cálculos mostraram que os arco-íris das 3ª, 4ª, 7ª e 8ª reflexões internas estão localizados ao redor do Sol e 5ª, 6ª - ao redor do ponto anti-solar. As dimensões angulares de tais arco-íris podem diminuir para 30º 14º e 16º 51º. No entanto, dificilmente os vemos.
Arroz. 5.
Vários fenômenos ópticos (de luz) na atmosfera são devidos ao fato de que os raios de luz do sol e outros corpos celestes, passando pela atmosfera, experimentam espalhamento e difração. A esse respeito, vários fenômenos ópticos incrivelmente bonitos ocorrem na atmosfera:
a cor do céu, a cor do amanhecer, do crepúsculo, o cintilar das estrelas, círculos em torno da localização aparente do sol e da lua, um arco-íris, uma miragem, etc. Todos eles, refletindo certos processos físicos na atmosfera, estão intimamente relacionados com a mudança e estado do tempo e, portanto, podem se somar como bons sinais locais para sua previsão.
Como você sabe, o espectro da luz solar consiste em sete cores primárias, vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, índigo e violeta.Várias cores de raios de luz branca são misturadas em uma proporção estritamente definida. Com qualquer violação dessa proporção, a luz passa de branca para colorida. Se os raios de luz incidem sobre partículas cujas dimensões são menores que os comprimentos de onda dos raios, então, de acordo com a lei de Rayleigh, eles são espalhados por essas partículas na proporção inversa dos comprimentos de onda à quarta potência. Essas partículas podem ser tanto moléculas de gases que compõem a atmosfera quanto as menores partículas de poeira.
As mesmas partículas espalham raios de cores diferentes de maneiras diferentes. Os raios violeta, azul e azul são espalhados mais fortemente, os vermelhos são mais fracos. É por isso que o céu é azul: no horizonte tem um tom azul claro e no zênite é quase azul.
Os raios azuis, passando pela atmosfera, são fortemente dispersos, enquanto os raios vermelhos atingem a superfície da Terra quase completamente sem dispersão. Isso explica a cor vermelha do disco solar ao pôr do sol ou imediatamente após o nascer do sol.
Quando a luz incide sobre partículas cujo diâmetro é quase igual ou maior que os comprimentos de onda, os raios de todas as cores são espalhados igualmente. Neste caso, a luz espalhada e incidente terão a mesma cor.
Portanto, se partículas maiores estiverem suspensas na atmosfera, o branco será adicionado à cor azul do céu, devido à dispersão das moléculas de gás, e o céu ficará azul com uma tonalidade esbranquiçada, aumentando à medida que o número de partículas suspensas na atmosfera aumenta.
Essa cor do céu é observada quando há muita poeira no ar.
A cor do céu torna-se esbranquiçada e, se houver grandes quantidades de produtos de condensação de vapor de água no ar na forma de gotículas de água, cristais de gelo, o céu adquire uma tonalidade avermelhada e laranja.
Esse fenômeno geralmente é observado durante a passagem de frentes ou ciclones, quando a umidade é transportada para o alto por fortes correntes de ar.
Quando o sol está perto do horizonte, os raios de luz têm que percorrer um longo caminho até a superfície da terra em uma camada de ar, muitas vezes contendo uma grande quantidade de grandes partículas de umidade e poeira. Nesse caso, a luz azul é espalhada muito fracamente, os raios vermelhos e outros são mais fortemente dispersos, colorindo a camada inferior da atmosfera em vários tons brilhantes e marrons de vermelho, amarelo e outras cores, dependendo do teor de poeira, umidade e secura do ar.
Intimamente relacionado com a cor do céu está um fenômeno chamado neblina opalescente. O fenômeno da turbidez opalescente do ar consiste no fato de que objetos terrestres distantes parecem estar envoltos em uma névoa azulada (cores violeta, azul, azul espalhadas).
Este fenômeno é observado nos casos em que o ar está em estado suspenso (muitas partículas minúsculas de poeira com diâmetro inferior a 4 mícrons.
Numerosos estudos da cor do céu usando um dispositivo especial (cianômetro) e estabeleceram visualmente a relação entre a cor do céu e a natureza da massa de ar. Descobriu-se que existe uma relação direta entre esses dois fenômenos.
Uma cor azul profunda indica a presença de uma massa de ar ártica na área, e uma cor esbranquiçada indica uma massa continental e tropical empoeirada. Quando, como resultado da condensação do vapor de água no ar, se formam partículas de água ou cristais de gelo maiores que as moléculas de ar, elas refletem todos os raios igualmente, e o céu fica esbranquiçado ou acinzentado.
Partículas sólidas e líquidas na atmosfera causam neblina significativa no ar e, portanto, reduzem bastante a visibilidade. A faixa de visibilidade em meteorologia é entendida como a distância limite na qual, sob um determinado estado da atmosfera, os objetos em consideração deixam de ser distinguíveis.
Portanto, a cor do céu e a visibilidade, que dependem em grande parte do tamanho das partículas no ar, permitem avaliar o estado da atmosfera e o clima próximo.
Uma série de sinais locais de previsão do tempo são baseados nisso:
Céus azulados escuros durante o dia (apenas perto do sol pode ser levemente esbranquiçado), visibilidade moderada a boa e clima calmo resultam em pouco vapor de água na troposfera, portanto, o clima anticiclone pode durar 12 horas ou mais.
Um céu esbranquiçado durante o dia, visibilidade média ou ruim indicam a presença de grande quantidade de vapor de água, produtos de condensação e poeira na troposfera, ou seja, a periferia do anticiclone passa aqui, em contato com o ciclone: podemos esperar uma transição para clima ciclônico nas próximas 6-12 horas.
A cor do céu, que tem um tom esverdeado, indica a grande secura do ar na troposfera; No verão, pressagia clima quente e, no inverno, gelado.
Um céu cinza uniforme pela manhã precede um bom tempo claro, uma noite cinzenta e uma manhã vermelha precedem o tempo tempestuoso e ventoso.
A tonalidade esbranquiçada do céu próximo ao horizonte em baixa altitude (enquanto o resto do céu é azul) tem uma leve umidade na troposfera e pressagia um bom tempo.
Uma diminuição gradual do brilho e do azul do céu, um aumento de uma mancha esbranquiçada perto do sol, turvação do céu perto do horizonte, deterioração da visibilidade são um sinal da aproximação de uma frente quente ou uma frente de oclusão do tipo quente .
Se objetos distantes são claramente visíveis e não parecem mais próximos do que realmente são, pode-se esperar um clima anticiclônico.
Se objetos distantes são claramente visíveis, mas a distância deles parece mais próxima do que a real, então há uma grande quantidade de vapor de água na atmosfera: você precisa esperar que o tempo piore.
A má visibilidade de objetos distantes na costa indica a presença de uma grande quantidade de poeira na camada de ar inferior e é um sinal de que não deve haver precipitação nas próximas 6 a 12 horas.
Alta transparência do ar com faixa de visibilidade de 20 a 50 km ou mais é um sinal da presença de uma massa de ar ártica na área
A clara visibilidade da lua com um disco aparente abaulado indica alta umidade do ar na troposfera e é um sinal de piora do tempo.
Um luar cinza bem visível pressagia mau tempo. A luz de cinzas é um fenômeno quando, nos primeiros dias após a lua nova, além do estreito e brilhante crescente da lua, todo o seu disco cheio é visível, fracamente iluminado pela luz refletida da terra.
Alvorecer
Amanhecer é a cor do céu ao nascer e ao pôr do sol.
A variedade de cores do amanhecer é causada por diferentes condições da atmosfera. As listras coloridas do amanhecer, contando a partir do horizonte, são sempre observadas na ordem das cores do espectro vermelho, laranja, amarelo, azul.
Cores individuais podem estar completamente ausentes, mas a ordem de distribuição nunca muda.O horizonte abaixo do vermelho pode às vezes ter um roxo sujo cinza que parece lilás. A parte superior do amanhecer é esbranquiçada ou azul.
Os principais fatores que afetam a aparência do amanhecer são os produtos da condensação do vapor d'água e da poeira contida na atmosfera:
Quanto mais umidade no ar, mais pronunciada a cor vermelha do amanhecer. O aumento da umidade do ar costuma ser observado antes da aproximação de um ciclone, frente que traz intempéries. Portanto, com amanheceres vermelhos e alaranjados brilhantes, pode-se esperar tempo úmido com ventos fortes. A predominância de tons amarelos (dourados) do amanhecer indica uma pequena quantidade de umidade e uma grande quantidade de poeira no ar, o que indica o próximo tempo seco e ventoso.
Amanhecers brilhantes e vermelho-púrpura, semelhantes ao brilho de um incêndio distante com tons nublados, indicam alta umidade do ar e são um sinal de piora do tempo - a aproximação de um ciclone, uma frente nas próximas 6-12 horas.
A predominância do amarelo brilhante, assim como os tons dourados e rosados do amanhecer da tarde, indicam uma baixa umidade do ar; tempo seco, muitas vezes ventoso pode ser esperado.
O céu vermelho claro (rosa) à noite indica tempo ventoso leve sem precipitação.
Uma tarde avermelhada e uma manhã cinzenta pressagiam um dia claro e uma noite com ventos fracos.
Quanto mais suave a cor vermelha das nuvens ao amanhecer, mais favorável será o clima que se aproxima.
Um amanhecer marrom-amarelado no inverno durante a geada indica sua persistência e possível intensificação.
Um amanhecer nublado rosa amarelado da noite é um sinal de uma provável deterioração do tempo.
Se o sol, aproximando-se do horizonte, pouco mudar sua cor amarelo-esbranquiçada habitual e se puser muito brilhante, o que está associado a uma alta transparência da atmosfera, baixo teor de umidade e poeira, o bom tempo continuará.
Se o sol, antes de se pôr no horizonte, ou ao nascer do sol no momento em que sua borda aparece, dá um clarão de um raio verde brilhante, então devemos esperar a preservação de um clima estável, claro e calmo; se você conseguiu notar um feixe azul ao mesmo tempo, pode esperar. Especialmente tempo calmo e claro. A duração do flash do feixe verde não é superior a 1-3 segundos.
A predominância de tons esverdeados durante a madrugada indica um tempo longo e seco e claro.
Uma faixa prateada clara sem limites nítidos, visível por muito tempo no horizonte em um céu sem nuvens após o pôr do sol, pressagia um tempo anticiclonal longo e calmo.
A suave iluminação rosa de nuvens cirros imóveis durante a configuração do sal na ausência de outras nuvens é um sinal confiável de clima anticiclônico estabelecido.
A predominância de uma cor vermelha brilhante no amanhecer da tarde, que persiste por muito tempo à medida que o sol se põe mais abaixo do horizonte, é um sinal da aproximação de uma frente quente ou uma frente de oclusão do tipo quente; deve-se esperar inclemência prolongada Tempo ventoso.
Um amanhecer suavemente rosa na forma de um círculo acima do sol que se pôs além do horizonte é um clima bom e estável. Se a cor do círculo ficar rosa-avermelhada, a precipitação e o aumento do vento são possíveis.
A cor do amanhecer está intimamente relacionada com a natureza da massa de ar. A tabela compilada para as latitudes temperadas da parte européia da CEI mostra a relação entre as cores do amanhecer e as massas de ar de acordo com N. I. Kucherov:
Pôr do sol
Como os ciclones se movem principalmente dos pontos ocidentais, o aparecimento de nuvens na metade ocidental do céu geralmente é um sinal da aproximação de um ciclone e, se isso acontecer à noite, o sol se põe nas nuvens. Mas, ao mesmo tempo, é necessário levar em conta a sequência de formas de nuvens, que está associada a ciclones, frentes atmosféricas.
Se o sol se põe atrás de uma nuvem baixa e sólida que se destaca nitidamente contra o fundo de um céu esverdeado ou amarelado, isso é um sinal de tempo bom (seco, calmo e claro) próximo.
Se o sol se põe com baixa nebulosidade contínua e se camadas de nuvens cirros ou cirrostratus são observadas no horizonte e acima da nebulosidade, a precipitação cairá, o clima ciclônico ventoso ocorrerá nas próximas 6-12 horas.
O pôr do sol atrás de nuvens densas escuras com uma cor vermelha nas bordas anuncia um clima ciclônico.
Se, após o pôr do sol, um cone escuro se espalhando gradualmente para cima com uma ampla borda laranja borrada é claramente visível no leste - a sombra da terra, então um ciclone está se aproximando do lado do pôr do sol.
A sombra da terra no leste após o pôr-do-sol é cinza-acinzentado, sem borda colorida ou com uma cor rosa pálido - sinal da persistência do clima anticiclônico.
Este é o nome dado a um feixe de raios de luz individuais ou faixas que saem de trás das nuvens que cobrem o sol. Os raios do sol passam pelos vãos entre as nuvens, iluminam as gotículas de água que flutuam no ar em suspensão e dão um monte de faixas de luz em forma de fitas (raios Buda).
Como essa radiância é observada devido à presença de um grande número de pequenas gotículas de água no ar, pressagia um clima ciclônico chuvoso e ventoso.
O brilho que emerge de trás de uma nuvem escura, atrás da qual o sol está localizado, é um sinal do início do tempo ventoso com chuva nas próximas 3-6 horas.
A radiância devido às nuvens amarelas, observadas imediatamente após a última chuva, prenuncia a iminente retomada das chuvas e aumento do vento.
A cor vermelha do sol, lua e outros corpos celestes indica uma alta umidade na atmosfera, ou seja, estabelecimento nas próximas 6-10 horas de clima ciclônico com ventos fortes e precipitação.
A cor avermelhada do disco escurecido do sol, juntamente com a cor azulada de objetos distantes (montanhas, etc.) é um sinal da propagação do ar tropical empoeirado, e um aumento significativo da temperatura do ar deve ser esperado em breve.
Observando a abóbada do céu de um local aberto (por exemplo, no mar), você pode ver que ela tem a forma de um hemisfério, mas achatada na direção vertical. Muitas vezes parece que a distância do observador ao horizonte é três a quatro vezes maior do que ao zênite.
Isso se explica da seguinte maneira. Ao olhar para cima, sem inclinar a cabeça para trás, os objetos nos parecem encurtados em relação aos que estão na posição horizontal.
Por exemplo, postes ou árvores caídos parecem mais longos do que os verticais. Na direção horizontal, atua a perspectiva atmosférica, fazendo com que objetos envoltos em neblina (de poeira e correntes ascendentes) pareçam menos iluminados e, portanto, mais distantes.
A aparente oblação do firmamento varia de acordo com as condições climáticas. Grande transparência da atmosfera e alta umidade aumentam o achatamento do céu.
Uma abóbada baixa e achatada do céu é vista antes do tempo ciclônico.
Uma alta abóbada celeste é observada nas regiões centrais dos anticiclones; pode-se esperar que o bom tempo anticiclônico persista por 12 horas ou mais.
A atmosfera do nosso planeta é um sistema óptico bastante interessante, cujo índice de refração diminui com a altura devido à diminuição da densidade do ar. Assim, a atmosfera da Terra pode ser considerada como uma "lente" de dimensões gigantescas, repetindo a forma da Terra e tendo um índice de refração monotonicamente variável.
Esta circunstância dá origem a todo um uma série de fenômenos ópticos na atmosfera devido à refração (refração) e reflexão (reflexão) dos raios nele.
Consideremos alguns dos fenômenos ópticos mais significativos na atmosfera.
refração atmosférica
refração atmosférica- fenômeno curvatura raios de luz à medida que a luz passa pela atmosfera.
Com a altura, a densidade do ar (e, portanto, o índice de refração) diminui. Imagine que a atmosfera consiste em camadas horizontais opticamente homogêneas, cujo índice de refração varia de camada para camada (Fig. 299).
Arroz. 299. Mudança no índice de refração na atmosfera da Terra
Quando um feixe de luz se propaga em tal sistema, ele irá, de acordo com a lei da refração, “pressionar” contra a perpendicular ao limite da camada. Mas a densidade da atmosfera não diminui em saltos, mas continuamente, o que leva a uma suave curvatura e rotação do feixe em um ângulo α ao passar pela atmosfera.
Como resultado da refração atmosférica, vemos a Lua, o Sol e outras estrelas um pouco mais altas do que onde realmente estão.
Pela mesma razão, a duração do dia aumenta (em nossas latitudes em 10 a 12 minutos), os discos da Lua e do Sol próximos ao horizonte são comprimidos. Curiosamente, o ângulo de refração máximo é de 35" (para objetos próximos ao horizonte), que excede o tamanho angular aparente do Sol (32").
Deste fato segue-se: no momento em que vemos que a borda inferior da estrela tocou a linha do horizonte, de fato o disco solar já está abaixo do horizonte (Fig. 300).
Arroz. 300. Refração atmosférica dos raios ao pôr do sol
estrelas cintilantes
estrelas cintilantes também associado à refração astronômica da luz. Há muito se notou que o brilho é mais perceptível nas estrelas próximas ao horizonte. As correntes de ar na atmosfera alteram a densidade do ar ao longo do tempo, resultando em uma aparente cintilação do corpo celeste. Os astronautas em órbita não observam nenhuma cintilação.
Miragens
Nas regiões quentes do deserto ou das estepes e nas regiões polares, o forte aquecimento ou resfriamento do ar próximo à superfície da Terra leva ao aparecimento miragens: devido à curvatura dos raios, objetos que estão realmente localizados muito além do horizonte tornam-se visíveis e parecem estar próximos.
Às vezes, esse fenômeno é chamado refração terrestre. O aparecimento de miragens é explicado pela dependência do índice de refração do ar com a temperatura. Existem miragens inferiores e superiores.
miragens inferiores pode ser visto em um dia quente de verão em uma estrada de asfalto bem aquecida: parece-nos que há poças à frente, que na verdade não são. Neste caso, tomamos por "poças" a reflexão especular dos raios de camadas de ar não uniformemente aquecidas localizadas nas imediações do asfalto "quente".
miragens superiores diferem em considerável variedade: em alguns casos dão uma imagem direta (Fig. 301, a), em outros são invertidos (Fig. 301, b), podem ser duplos e até triplos. Essas características estão associadas a diferentes dependências da temperatura do ar e do índice de refração da altitude.
Arroz. 301. Formação das miragens: a - miragem direta; b - miragem reversa
Arco-íris
A precipitação atmosférica leva ao aparecimento de fenômenos ópticos espetaculares na atmosfera. Assim, durante a chuva, a educação é uma visão incrível e inesquecível. arco-íris, o que é explicado pelo fenômeno de diferente refração (dispersão) e reflexão da luz solar nas menores gotículas na atmosfera (Fig. 302).
Arroz. 302. Formação de um arco-íris
Em casos particularmente bem-sucedidos, podemos ver vários arco-íris ao mesmo tempo, cuja ordem das cores é mutuamente inversa.
O feixe de luz envolvido na formação de um arco-íris experimenta duas refrações e reflexões múltiplas em cada gota de chuva. Neste caso, simplificando um pouco o mecanismo de formação do arco-íris, podemos dizer que as gotas de chuva esféricas desempenham o papel de um prisma no experimento de Newton sobre a decomposição da luz em um espectro.
Devido à simetria espacial, o arco-íris é visível na forma de um semicírculo com um ângulo de abertura de cerca de 42°, enquanto o observador (Fig. 303) deve estar entre o Sol e as gotas de chuva, de costas para o Sol.
A variedade de cores na atmosfera é explicada por padrões dispersão de luz em partículas de vários tamanhos. Devido ao fato de o azul ser mais disperso do que o vermelho, durante o dia, quando o Sol está alto no horizonte, vemos o céu azul. Pela mesma razão, perto do horizonte (ao pôr do sol ou ao nascer do sol), o Sol fica vermelho e não tão brilhante quanto no zênite. O aparecimento de nuvens coloridas também está associado à dispersão da luz por partículas de vários tamanhos na nuvem.
Literatura
Zhilko, V. V. Física: livro didático. subsídio para o 11º ano. Educação geral instituições com o russo. lang. formação com um período de estudos de 12 anos (básico e avançado) / V.V. Zhilko, L. G. Markovich. - Minsk: Nar. Asveta, 2008. - S. 334-337.
A variedade de fenômenos ópticos na atmosfera se deve a várias razões. Os fenômenos mais comuns incluem raios e auroras do norte e do sul muito pitorescas. Além disso, o arco-íris, halo, parélio (falso sol) e arcos, coroa, halos e fantasmas de Brocken, miragens, fogos de St. Elmo, nuvens luminosas, raios verdes e crepusculares são de particular interesse. O arco-íris é o fenômeno atmosférico mais bonito. Normalmente, este é um enorme arco, composto por listras multicoloridas, observadas quando o Sol ilumina apenas parte do céu e o ar fica saturado de gotículas de água, por exemplo, durante a chuva. Os arcos multicoloridos estão dispostos em uma sequência de espectro (vermelho, laranja, amarelo, verde, ciano, índigo, violeta), mas as cores quase nunca são puras porque as bandas se sobrepõem. Como regra, as características físicas dos arco-íris variam significativamente e, portanto, são muito diversas na aparência. Sua característica comum é que o centro do arco está sempre localizado em uma linha reta traçada do Sol ao observador. O arco-íris de lava é um arco das cores mais brilhantes - vermelho por fora e roxo por dentro. Às vezes, apenas um arco é visível, mas geralmente um arco secundário aparece do lado de fora do arco-íris principal. Ele não tem cores tão brilhantes quanto o primeiro, e as listras vermelhas e roxas mudam de lugar: o vermelho está localizado no interior.
A formação do arco-íris principal é explicada pela dupla refração e única reflexão interna dos raios de luz solar. Penetrando dentro de uma gota de água (A), um raio de luz é refratado e decomposto, como ao passar por um prisma. Em seguida, atinge a superfície oposta da gota, é refletida e sai da gota para o exterior. Neste caso, o feixe de luz, antes de atingir o observador, é refratado uma segunda vez. O feixe branco inicial é decomposto em raios de cores diferentes com um ângulo de divergência de 2°. Quando um arco-íris lateral é formado, ocorre a dupla refração e dupla reflexão dos raios do sol. Neste caso, a luz é refratada, penetrando no interior da gota através de sua parte inferior, e é refletida da superfície interna da gota, primeiro no ponto B, depois no ponto C. No ponto D, a luz é refratada, deixando o cair em direção ao observador. Quando a chuva ou neblina forma um arco-íris, o efeito óptico completo é alcançado pelo efeito combinado de todas as gotas de água que cruzam a superfície do cone do arco-íris com o observador no ápice. O papel de cada gota é fugaz. A superfície do cone do arco-íris consiste em várias camadas. Atravessando-os rapidamente e passando por uma série de pontos críticos, cada gota decompõe instantaneamente o raio do sol em todo o espectro em uma sequência estritamente definida - do vermelho ao roxo. Muitas gotas cruzam a superfície do cone da mesma maneira, de modo que o arco-íris aparece para o observador como contínuo tanto ao longo quanto ao longo de seu arco. Halo - arcos de luz branca ou iridescente e círculos ao redor do disco do Sol ou da Lua. Eles são causados pela refração ou reflexão da luz por cristais de gelo ou neve na atmosfera. Os cristais que formam o halo estão localizados na superfície de um cone imaginário com o eixo direcionado do observador (do topo do cone) ao Sol. Sob certas condições, a atmosfera está saturada de pequenos cristais, muitos dos quais formam um ângulo reto com o plano que passa pelo Sol, o observador e esses cristais. Tais facetas refletem os raios de luz que chegam com um desvio de 22°, formando um halo avermelhado por dentro, mas também pode consistir em todas as cores do espectro. Menos comum é um halo com um raio angular de 46°, localizado concentricamente em torno de um halo de 22°. Seu lado interno também tem um tom avermelhado. A razão para isso também é a refração da luz, que ocorre neste caso nas faces do cristal que formam ângulos retos. A largura do anel de tal halo excede 2,5?. Ambos os halos de 46 graus e 22 graus tendem a ser mais brilhantes na parte superior e inferior do anel. O raro halo de 90 graus é um anel levemente luminoso, quase incolor, que tem um centro comum com os outros dois halos. Se for colorido, tem uma cor vermelha na parte externa do anel. O mecanismo de origem deste tipo de halo não foi totalmente elucidado. Parélio e arcos. Círculo parélico (ou círculo de sóis falsos) - um anel branco centrado no ponto zênite, passando pelo Sol paralelo ao horizonte. O motivo de sua formação é o reflexo da luz solar nas bordas das superfícies dos cristais de gelo. Se os cristais estiverem distribuídos de maneira suficientemente uniforme no ar, um círculo completo se torna visível. Parhelias, ou falsos sóis, são manchas luminosas semelhantes ao Sol, que se formam nos pontos de intersecção do círculo parélico com o halo, tendo raios angulares de 22?, 46? e 90?. O parélio mais frequente e brilhante se forma na interseção com um halo de 22 graus, geralmente colorido em quase todas as cores do arco-íris. Sóis falsos em interseções com halos de 46 e 90 graus são observados com muito menos frequência. Parélios que ocorrem em interseções com halos de 90 graus são chamados de parantelia, ou falsos contra-sóis. Às vezes, um antelium (contra-sol) também é visível - um ponto brilhante localizado no anel do parélio exatamente oposto ao Sol. Supõe-se que a causa desse fenômeno seja a dupla reflexão interna da luz solar. O feixe refletido segue o mesmo caminho que o feixe incidente, mas na direção oposta. O arco circunzenital, às vezes incorretamente chamado de arco tangente superior do halo de 46 graus, é o arco de 90? ou menos, centrado no zênite, cerca de 46° acima do Sol. Raramente é visível e apenas por alguns minutos, possui cores brilhantes, e a cor vermelha está confinada ao lado externo do arco. O arco circunzenital é notável por sua coloração, brilho e contornos claros. Outro efeito óptico curioso e muito raro do tipo halo é o arco Lovitz. Eles surgem como uma continuação da parélio na interseção com o halo de 22 graus, passam do lado externo do halo e são ligeiramente côncavos em direção ao Sol. Pilares de luz esbranquiçada, bem como várias cruzes, às vezes são visíveis ao amanhecer ou ao anoitecer, especialmente nas regiões polares, e podem acompanhar tanto o Sol quanto a Lua. Às vezes, halos lunares e outros efeitos semelhantes aos descritos acima são observados, com o halo lunar mais comum (anel ao redor da Lua) tendo um raio angular de 22?. Como falsos sóis, falsas luas podem surgir. Coroas, ou coroas, são pequenos anéis coloridos concêntricos ao redor do Sol, Lua ou outros objetos brilhantes que são observados de tempos em tempos quando a fonte de luz está atrás de nuvens translúcidas. O raio da coroa é menor que o raio do halo e é de aprox. 1-5?, o anel azul ou roxo está mais próximo do Sol. Uma coroa é formada quando a luz é espalhada por pequenas gotas de água que formam uma nuvem. Às vezes, a coroa parece um ponto luminoso (ou halo) ao redor do Sol (ou Lua), que termina com um anel avermelhado. Em outros casos, pelo menos dois anéis concêntricos de maior diâmetro, muito fracamente coloridos, são visíveis fora do halo. Este fenômeno é acompanhado por nuvens iridescentes. Às vezes, as bordas de nuvens muito altas são pintadas em cores brilhantes. Glória (halos). Sob condições especiais, ocorrem fenômenos atmosféricos incomuns. Se o Sol está atrás do observador e sua sombra é projetada em nuvens próximas ou em uma cortina de neblina, sob um certo estado da atmosfera ao redor da sombra da cabeça de uma pessoa, você pode ver um círculo luminoso colorido - um halo. Normalmente, esse halo é formado devido à reflexão da luz pelas gotas de orvalho em um gramado. As glórias também são bastante comuns em torno da sombra que o avião projeta sobre as nuvens subjacentes. Fantasmas do Brocken. Em algumas regiões do globo, quando a sombra de um observador sobre uma colina, ao nascer ou ao pôr do sol, cai atrás dele sobre nuvens localizadas a uma curta distância, revela-se um efeito marcante: a sombra adquire dimensões colossais. Isso se deve à reflexão e refração da luz pelas menores gotas de água no nevoeiro. O fenômeno descrito é chamado de "fantasma do Brocken" após o pico nas montanhas Harz na Alemanha. As miragens são um efeito óptico causado pela refração da luz ao passar por camadas de ar de diferentes densidades e se expressa na aparência de uma imagem virtual. Nesse caso, objetos distantes podem ser levantados ou abaixados em relação à sua posição real, e também podem ser distorcidos e adquirir formas irregulares e fantásticas. As miragens são frequentemente observadas em climas quentes, como em planícies arenosas. As miragens inferiores são comuns, quando a superfície distante e quase plana do deserto assume a aparência de mar aberto, especialmente quando vista de uma pequena elevação ou simplesmente acima de uma camada de ar aquecido. Uma ilusão semelhante geralmente ocorre em uma estrada pavimentada aquecida que parece uma superfície de água muito à frente. Na realidade, esta superfície é um reflexo do céu. Abaixo do nível dos olhos, objetos, geralmente de cabeça para baixo, podem aparecer nessa "água". Um “bolo de camada de ar” é formado acima da superfície terrestre aquecida, e a camada mais próxima da terra é a mais aquecida e tão rarefeita que as ondas de luz que passam por ela são distorcidas, pois sua velocidade de propagação varia de acordo com a densidade do meio. As miragens superiores são menos comuns e mais cênicas do que as miragens inferiores. Objetos distantes (geralmente abaixo do horizonte do mar) aparecem de cabeça para baixo no céu e, às vezes, uma imagem direta do mesmo objeto também aparece acima. Esse fenômeno é típico de regiões frias, principalmente quando há uma significativa inversão de temperatura, quando uma camada de ar mais quente está acima da camada mais fria. Este efeito óptico se manifesta como resultado de padrões complexos de propagação da frente de ondas de luz em camadas de ar com densidade não uniforme. Miragens muito incomuns ocorrem de tempos em tempos, especialmente nas regiões polares. Quando as miragens ocorrem em terra, as árvores e outros componentes da paisagem ficam de cabeça para baixo. Em todos os casos, os objetos nas miragens superiores são mais claramente visíveis do que nas inferiores. Quando o limite de duas massas de ar é um plano vertical, às vezes são observadas miragens laterais. O fogo de São Elmo. Alguns fenômenos ópticos na atmosfera (por exemplo, brilho e o fenômeno meteorológico mais comum - relâmpagos) são de natureza elétrica. Muito menos comuns são as fogueiras de São Elmo - pincéis luminosos azul-claros ou roxos de 30 cm a 1 m ou mais de comprimento, geralmente nos topos dos mastros ou nas extremidades dos estaleiros dos navios no mar. Às vezes parece que todo o cordame do navio está coberto de fósforo e brilha. As fogueiras de St. Elmo às vezes aparecem nos picos das montanhas, bem como em pináculos e cantos agudos de prédios altos. Esse fenômeno são descargas elétricas em escova nas extremidades dos condutores elétricos, quando a intensidade do campo elétrico é muito aumentada na atmosfera ao seu redor. Will-o'-the-wisps são um leve brilho azulado ou esverdeado que às vezes é visto em pântanos, cemitérios e criptas. Eles geralmente aparecem como uma chama de vela que queima calmamente, sem aquecimento, levantada cerca de 30 cm acima do solo, pairando sobre o objeto por um momento. A luz parece ser completamente ilusória e, à medida que o observador se aproxima, parece mover-se para outro lugar. A razão para este fenômeno é a decomposição de resíduos orgânicos e a combustão espontânea do gás metano do pântano (CH 4) ou fosfina (PH 3). As luzes errantes têm uma forma diferente, às vezes até esférica. Feixe verde - um flash de luz do sol verde esmeralda no momento em que o último raio do sol desaparece abaixo do horizonte. O componente vermelho da luz solar desaparece primeiro, todos os outros seguem em ordem e o verde esmeralda permanece por último. Esse fenômeno ocorre apenas quando apenas a borda do disco solar permanece acima do horizonte, caso contrário, há uma mistura de cores. Os raios crepusculares são feixes divergentes de luz solar que se tornam visíveis quando iluminam a poeira na alta atmosfera. As sombras das nuvens formam faixas escuras e os raios se propagam entre elas. Este efeito ocorre quando o Sol está baixo no horizonte antes do amanhecer ou após o pôr do sol.
