СХЕМА РАЗЛОЖЕНИЯ
И ПРЕЛОМЛЕНИЯ солнечного луча при образовании
главной радуги
СХЕМА РАЗЛОЖЕНИЯ
И ПРЕЛОМЛЕНИЯ солнечного луча при образовании
побочной радуги.
На восходе и закате Солнца наблюдатель
видит радугу в виде дуги, равной половине
окружности, так как ось радуги параллельна
горизонту. Если Солнце располагается
выше над горизонтом, дуга радуги меньше
половины окружности. Когда Солнце поднимается
выше 42° над горизонтом, радуга исчезает.
Везде, кроме высоких широт, радуга не
может появиться в полдень, когда Солнце
стоит слишком высоко. Интересно оценить
расстояние до радуги. Хотя кажется, что
разноцветная дуга расположена в одной
плоскости, это - иллюзия. На самом деле
радуга имеет огромную глубину, и ее можно
представить в виде поверхности пустотелого
конуса, в вершине которого находится
наблюдатель. Ось конуса соединяет Солнце,
наблюдателя и центр радуги. Наблюдатель
смотрит как бы вдоль поверхности этого
конуса. Два человека никогда не могут
увидеть совершенно одинаковую радугу.
Конечно, можно наблюдать в целом один
и тот же эффект, но две радуги занимают
различное положение и образованы разными
капельками воды. Когда дождь или водяная
пыль образуют радугу, полный оптический
эффект достигается за счет суммарного
воздействия всех капелек воды, пересекающих
поверхность конуса радуги с наблюдателем
в вершине. Роль каждой капли мимолетна.
Поверхность конуса радуги состоит из
нескольких слоев. Быстро пересекая их
и проходя при этом через серию критических
точек, каждая капля мгновенно разлагает
солнечный луч на весь спектр в строго
определенной последовательности - от
красного до фиолетового цвета. Множество
капель таким же образом пересекает поверхность
конуса, так что радуга представляется
наблюдателю непрерывной как вдоль, так
и поперек ее дуги. Гало - белые или радужные
световые дуги и окружности вокруг диска
Солнца или Луны. Они возникают вследствие
преломления или отражения света находящимися
в атмосфере кристаллами льда или снега.
Кристаллы, формирующие гало, располагаются
на поверхности воображаемого конуса
с осью, направленной от наблюдателя (из
вершины конуса) к Солнцу. При некоторых
условиях атмосфера бывает насыщена мелкими
кристаллами, многие грани которых образуют
прямой угол с плоскостью, проходящей
через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы.
Такие грани отражают поступающие лучи
света с отклонением на 22°, образуя красноватое
с внутренней стороны гало, но оно может
состоять и из всех цветов спектра. Реже
встречается гало с угловым радиусом 46°,
располагающееся концентрически вокруг
22-градусного гало. Его внутренняя сторона
тоже имеет красноватый оттенок. Причиной
этого также является преломление света,
происходящее в этом случае на образующих
прямые углы гранях кристаллов. Ширина
кольца такого гало превышает 2,5°. Как
46-градусные, так и 22-градусные гало, как
правило, имеют наибольшую яркость в верхней
и нижней частях кольца. Изредка встречающееся
90-градусное гало представляет собой слабо
светящееся, почти бесцветное кольцо,
имеющее общий центр с двумя другими гало.
Если оно окрашено, то имеет красный цвет
на внешней стороне кольца. Механизм возникновения
такого типа гало до конца не выяснен (рис.
7).
ГАЛО видны вокруг
Солнца и иногда вокруг Луны благодаря
преломлению света в атмосфере микроскопическими
кристаллами льда. На рисунке показано
расположение различных типов гало на
небе, которые видит смотрящий вертикально
вверх наблюдатель, когда Солнце находится
на юге.
Паргелии и дуги. Паргелический
круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо
с центром в точке зенита, проходящее через
Солнце параллельно горизонту. Причиной
его образования служит отражение солнечного
света от граней поверхностей кристаллов
льда. Если кристаллы достаточно равномерно
распределены в воздухе, становится видимым
полный круг. Паргелии, или ложные солнца,
- это ярко светящиеся пятна, напоминающие
Солнце, которые образуются в точках пересечения
паргелического круга с гало, имеющими
угловые радиусы 22°, 46° и 90°. Наиболее часто
образующийся и самый яркий паргелий формируется
на пересечении с 22-градусным гало, обычно
окрашенный почти во все цвета радуги.
Ложные солнца на пересечениях с 46- и 90-градусными
гало наблюдаются гораздо реже. Паргелии,
возникающие на пересечениях с 90-градусными
гало, называются парантелиями, или ложными
противосолнцами. Иногда виден также антелий
(противосолнце) - яркое пятно, расположенное
на кольце паргелия точно напротив Солнца.
Предполагается, что причиной возникновения
этого явления служит двойное внутреннее
отражение солнечного света. Отраженный
луч проходит по тому же пути, что и падающий
луч, но в обратном направлении. Околозенитная
дуга, иногда неверно называемая верхней
касательной дугой 46-градусного гало,
- это дуга в 90° или меньше с центром в точке
зенита, расположенная выше Солнца приблизительно
на 46°. Она бывает видна редко и только
в течение нескольких минут, имеет яркие
цвета, причем красный цвет приурочен
к внешней стороне дуги. Околозенитная
дуга примечательна своей расцветкой,
яркостью и четкими очертаниями. Еще один
любопытный и очень редкий оптический
эффект типа гало - дуги Ловица. Они возникают
как продолжение паргелиев на пересечении
с 22-градусным гало, проходят с внешней
стороны гало и слегка вогнуты в сторону
Солнца. Столбы беловатого света, как и
разнообразные кресты, иногда видны на
рассвете или на закате, особенно в полярных
регионах, и могут сопутствовать как Солнцу,
так и Луне. Временами наблюдаются лунные
гало и другие эффекты, подобные описанным
выше, причем наиболее обычное лунное
гало (кольцо вокруг Луны) имеет угловой
радиус 22°. Подобно ложным солнцам, могут
возникать ложные луны. Короны, или венцы,
- небольшие концентрические цветные кольца
вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов,
которые наблюдаются время от времени,
когда источник света находится за полупрозрачными
облаками. Радиус короны меньше радиуса
гало и составляет ок. 1-5°, ближайшим к
Солнцу оказывается голубое или фиолетовое
кольцо. Корона возникает при рассеивании
света мелкими водяными капельками воды,
образующими облако. Иногда корона выглядит
как светящееся пятно (или ореол), окружающее
Солнце (или Луну), которое завершается
красноватым кольцом. В других случаях
за пределами ореола видно не менее двух
концентрических колец большего диаметра,
очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается
радужными облаками. Иногда края очень
высоко расположенных облаков окрашены
в яркие цвета.
Глории (нимбы). В
особых условиях возникают необычные
атмосферные явления. Если Солнце находится
за спиной наблюдателя, а его тень проецируется
на близрасположенные облака или завесу
тумана, при определенном состоянии атмосферы
вокруг тени головы человека можно увидеть
цветной светящийся круг - нимб. Обычно
такой нимб образуется из-за отражения
света капельками росы на травяном газоне.
Глории также довольно часто можно обнаружить
вокруг тени, которую отбрасывает самолет
на нижележащие облака.
Призраки Броккена. В
некоторых районах земного шара, когда
тень находящегося на возвышенности наблюдателя
при восходе или заходе Солнца сзади него
падает на облака, расположенные на небольшом
расстоянии, обнаруживается поразительный
эффект: тень приобретает колоссальные
размеры. Это происходит из-за отражения
и преломления света мельчайшими капельками
воды в тумане. Описанное явление носит
название "призрак Броккена" по имени
вершины в горах Гарц в Германии.
Миражи - оптический
эффект, обусловленный преломлением света
при прохождении через слои воздуха разной
плотности и выражающийся в возникновении
мнимого изображения. Удаленные объекты
при этом могут оказаться поднятыми или
опущенными относительно их действительного
положения, а также могут быть искажены
и приобрести неправильные, фантастические
формы. Миражи часто наблюдаются в условиях
жаркого климата, например над песчаными
равнинами. Обычны нижние миражи, когда
отдаленная, почти ровная поверхность
пустыни приобретает вид открытой воды,
особенно если смотреть с небольшого возвышения
или просто находиться выше слоя нагретого
воздуха. Подобная иллюзия обычно возникает
на нагретой асфальтированной дороге,
которая далеко впереди выглядит как водная
поверхность. В действительности эта поверхность
является отражением неба. Ниже уровня
глаз в этой "воде" могут появиться
объекты, обычно перевернутые. Над нагретой
поверхностью суши формируется "воздушный
слоеный пирог", причем ближайший к
земле слой - самый нагретый и настолько
разрежен, что световые волны, проходя
через него, искажаются, так как скорость
их распространения меняется в зависимости
от плотности среды. Верхние миражи менее
распространены и более живописны по сравнению
с нижними. Удаленные объекты (часто находящиеся
за морским горизонтом) вырисовываются
на небе в перевернутом положении, а иногда
выше появляется еще и прямое изображение
того же объекта. Это явление типично для
холодных регионов, особенно при значительной
температурной инверсии, когда над более
холодным слоем находится более теплый
слой воздуха. Данный оптический эффект
проявляется в результате сложных закономерностей
распространения фронта световых волн
в слоях воздуха с неоднородной плотностью.
Время от времени возникают очень необычные
миражи, особенно в полярных регионах.
Когда миражи возникают на суше, деревья
и другие компоненты ландшафта перевернуты.
Во всех случаях в верхних миражах объекты
видны более отчетливо, чем в нижних. Когда
границей двух воздушных масс является
вертикальная плоскость, порой наблюдаются
боковые миражи.
Огни святого Эльма. Некоторые
оптические явления в атмосфере (например,
свечение и самое распространенное метеорологическое
явление - молния) имеют электрическую
природу. Гораздо реже встречаются огни
святого Эльма - светящиеся бледно-голубые
или фиолетовые кисти длиной от 30 см до
1 м и более, обычно на верхушках мачт или
концах рей находящихся в море судов. Иногда
кажется, что весь такелаж судна покрыт
фосфором и светится. Огни святого Эльма
порой возникают на горных вершинах, а
также на шпилях и острых углах высоких
зданий. Это явление представляет собой
кистевые электрические разряды на концах
электропроводников, когда в атмосфере
вокруг них сильно повышается напряженность
электрического поля. Блуждающие огоньки
- слабое свечение голубоватого или зеленоватого
цвета, которое иногда наблюдается на
болотах, кладбищах и в склепах. Они часто
выглядят как приподнятое примерно на
30 см над землей спокойно горящее, не дающее
тепла, пламя свечи, на мгновение зависающее
над объектом. Огонек кажется совершенно
неуловимым и при приближении наблюдателя
как бы перемещается в другое место. Причиной
этого явления служит разложение органических
остатков и самовозгорание болотного
газа метана (СН4) или фосфина (РН3). Блуждающие
огоньки имеют разную форму, иногда даже
шаровидную. Зеленый луч - вспышка солнечного
света изумрудно-зеленого цвета в тот
момент, когда последний луч Солнца скрывается
за горизонтом. Красная составляющая солнечного
света исчезает первой, все прочие - по
порядку вслед за ней, и последней остается
изумрудно-зеленая. Это явление возникает,
лишь когда над горизонтом остается только
самый краешек солнечного диска, а иначе
происходит смешение цветов. Сумеречные
лучи - расходящиеся пучки солнечного
света, которые становятся видимыми благодаря
освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы.
Тени от облаков образуют темные полосы,
а между ними распространяются лучи. Этот
эффект наблюдается, когда Солнце находится
низко над горизонтом перед рассветом
или после заката.
СУМЕРЕЧНЫЕ ЛУЧИ
- расходящиеся потоки солнечного света,
видимые при освещении Солнцем пыли в
высоких слоях атмосферы.
Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка, окружающая
планету Земля, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность
покрывает гидросферу и частично земную кору,
внешняя граничит с околоземной частью
космического пространства.
Совокупность разделов
физики и химии, изучающих атмосферу, принято
называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли,
изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.
Физические свойства[править | править исходный
текст]
Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)·1015 т. Из них масса сухого
воздуха составляет (5,1352 ±0,0003)·1018 кг, общая масса водяных
паров в среднем равна 1,27·1016 кг.
Молярная масса чистого сухого воздуха
составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря
приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря
составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C (~132,4 К); критическое давление — 3,7 МПа; Cp при 0 °C — 1,0048·103 Дж/(кг·К), Cv — 0,7159·103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость
воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %,
при 25 °C — 0,0023 %.
За «нормальные условия» у поверхности Земли
приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое
давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C
и относительная влажность 50 %. Эти условные
показатели имеют чисто инженерное значение.
Химический состав[править | править исходный
текст]
Атмосфера Земли возникла
в результате выделения газов при вулканических
извержениях. С появлением океанов и биосферы
она формировалась и за счёт газообмена
с водой, растениями, животными и продуктами
их разложения в почвах и болотах.
Состав сухого воздуха
В настоящее время атмосфера
Земли состоит в основном из газов и различных
примесей (пыль, капли воды, кристаллы
льда, морские соли, продукты горения).
Концентрация газов,
составляющих атмосферу, практически
постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого
газа (CO2).
Состав сухого
воздуха[4] |
Газ |
Содержание
по объёму, % |
Содержание
по массе, % |
Азот |
78,084 |
75,50 |
Кислород |
20,946 |
23,10 |
Аргон |
0,932 |
1,286 |
Углекислый газ[5] |
3,95·10−2 |
— |
Неон |
1,82·10−3 |
1,3·10−3 |
Гелий |
4,6·10−4 |
7,2·10−5 |
Метан[6] |
1,7·10−4 |
— |
Криптон |
1,14·10−4 |
2,9·10−4 |
Водород |
5·10−5 |
7,6·10−5 |
Ксенон |
8,7·10−6 |
— |
Закись азота |
5·10−5 |
7,7·10−5 |
Содержание воды в атмосфере
(в виде водяных паров) колеблется от 0,2 %
до 2,5 % по объёму, и зависит в основном от
широты[7].
Кроме указанных в таблице
газов, в атмосфере содержатся SO2, NH3, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы
в незначительных количествах. В тропосфере
постоянно находится большое количество
взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).
Строение атмосферы[править | править исходный
текст]
Тропосфера[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Тропосфера
Её верхняя граница
находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км
в умеренных и 16—18 км в тропических широтах;
зимой ниже, чем летом. Нижний, основной
слой атмосферы содержит более 80 % всей
массы атмосферного воздуха и около 90 %
всего имеющегося в атмосфере водяного
пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает
с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м
Тропопауза[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Тропопауза
Переходный слой от
тропосферы к стратосфере, слой атмосферы,
в котором прекращается снижение температуры
с высотой.
Стратосфера[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Стратосфера
Слой атмосферы, располагающийся
на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное
изменение температуры в слое 11—25 км (нижний
слой стратосферы) и повышение её в слое
25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы
или область инверсии). Достигнув на высоте
около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C),
температура остаётся постоянной до высоты
около 55 км. Эта область постоянной температуры
называется стратопаузой и является границей
между стратосферой и мезосферой.
Стратопауза[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Стратопауза
Пограничный слой атмосферы
между стратосферой и мезосферой. В вертикальном
распределении температуры имеет место
максимум (около 0 °C).
Мезосфера[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Мезосфера
Атмосфера Земли
Мезосфера начинается на высоте
50 км и простирается до 80—90 км. Температура
с высотой понижается со средним вертикальным
градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим
процессом является лучистый теплообмен.
Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых
молекул и т. д. обусловливают свечение
атмосферы.
Мезопауза[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Мезопауза
Переходный слой между
мезосферой и термосферой. В вертикальном
распределении температуры имеет место
минимум (около —90 °C).
Линия Кармана[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Линия
Кармана
Высота над уровнем
моря, которая условно принимается в качестве
границы между атмосферой Земли и космосом.
В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится
на высоте 100 км над уровнем моря.
Термосфера[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Термосфера
Верхний предел — около
800 км. Температура растёт до высот 200—300 км,
где достигает значений порядка 1500 К, после
чего остаётся почти постоянной до больших
высот. Под действием ультрафиолетовой
и рентгеновской солнечной радиации и
космического излучения происходит ионизация
воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы.
На высотах свыше 300 км преобладает атомарный
кислород. Верхний предел термосферы в
значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности —
например, в 2008—2009 гг — происходит заметное
уменьшение размеров этого слоя[8].
Термопауза[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Термопауза
Область атмосферы
прилегающая сверху к термосфере. В этой
области поглощение солнечного излучения
незначительно и температура фактически
не меняется с высотой.
Экзосфера (сфера рассеяния)[править | править исходный
текст]
Основная
статья: Экзосфера
Атмосферные слои до
высоты 120 км
Экзосфера — зона рассеяния, внешняя
часть термосферы, расположенная выше
700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён,
и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное
пространство (диссипация).
До высоты 100 км атмосфера
представляет собой гомогенную хорошо
перемешанную смесь газов. В более высоких
слоях распределение газов по высоте зависит
от их молекулярных масс, концентрация
более тяжёлых газов убывает быстрее по
мере удаления от поверхности Земли. Вследствие
уменьшения плотности газов температура
понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C
в мезосфере. Однако кинетическая энергия
отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует
температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются
значительные флуктуации температуры
и плотности газов во времени и пространстве.
На высоте около 2000—3500 км
экзосфера постепенно переходит в так
называемый ближнекосмический
вакуум, который заполнен
сильно разрежёнными частицами межпланетного
газа, главным образом атомами водорода.
Но этот газ представляет собой лишь часть
межпланетного вещества. Другую часть
составляют пылевидные частицы кометного
и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно
разрежённых пылевидных частиц, в это
пространство проникает электромагнитная
и корпускулярная радиация солнечного
и галактического происхождения.