Оптические явления в атмосфере

Ложные солнца.

Паргелический круг (или  круг ложных солнц) - белое кольцо с  центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Он образуется из-за отражения 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 градусов. 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. 

3. Говоря более подробно, паргелический круг — горизонтальная полоса, проходящая чрез светило, обязанная своим происхождением отражению света от вертикально направленных граней медленно падающих шестигранных кристалликов льда. Пересекаясь с малым гало, круг этот образует яркие, окрашенные пятна, — паргелии. В точках парагелия на расстоянии 46° от светила иногда наблюдаются подобные же, но более слабые пятна, это — вторичные паргелии. Касательные дуги получаются от преломления света, вступающего в кристаллы через одно из оснований, а выходящего через одну из граней. Различают околозенитную дугу касательную к большому гало сверху и обращенную вогнутостью к зениту; если светило достаточно высоко, удается иногда наблюдать соответственную дугу и снизу большого гало.

Светящийся столб.

Бывает, что такое отражение  солнечного света от маленьких кристалликов льда, плавающих в морозном воздухе, порождает светящийся столб.

Световой или солнечный столб, представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами. Подвешенные в воздухе плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если солнце находится на высоте 6 градусов над горизонтом, либо позади него, столбовидные — если солнце находится на высоте 20 градусов над горизонтом. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения.

Венцы.

Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой  размер (он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому  по нему можно определить размеры  капель в облаках) и объясняются  дифракционным рассеянием лучей  источника света на водяных каплях, образующих облако или туман. Явления  венцов возникают в тонких водяных  облаках, состоящих из мелких однородных капель (обычно это высококучевые  облака) и закрывающих диск светила, за счет дифракции. Венцы возникают  также в тумане около искусственных  источников света. Основная, а часто  единственная часть венца - светлый  круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила (или искусственный источник света). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю - красноватый. Его называют также ореолом или короной. Он может быть окружен одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу. Радиус ореола 1-5°. Он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капель в облаках. 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.

Радуга.

В религиозных представлениях народов древности радуге приписывалась  роль моста между землей и небом. В греко-римской мифологии известна даже особая богиня радуги – Ирида. Греческие ученые Анаксимен и  Анаксагор считали, что радуга возникает  за счет отражения Солнца в темном облаке. Аристотель изложил представления  о радуге в специальном разделе  своей «Метеорологии». Он считал, что  радуга возникает благодаря отражению  света, но не просто от всего облака, а от его капель.

В 1637 году знаменитый французский  философ и ученый Декарт дал математическую теорию радуги, основанную на преломлении  света. Впоследствии эта теория была дополнена Ньютоном на основании  его опытов по разложению света на цвета с помощью призмы. Дополненная  Ньютоном теория Декарта не могла  объяснить одновременного существования  нескольких радуг, различной их ширины, обязательного отсутствия в цветных  полосах некоторых цветов, влияния  размеров капель облака на внешний  вид явления. Точную теорию радуги на основе представлений о дифракции  света дал в 1836 году английский астроном Д. Эри. Рассматривая пелену дождя как  пространственную структуру, обеспечивающую возникновение дифракции, Эри объяснил все особенности радуги. Его теория полностью сохранила свое значение и для нашего времени.

Радуга – это оптическое явление, возникающее в атмосфере  и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. Наблюдается она  в тех случаях, когда солнечные  лучи освещают завесу дождя, расположенную  на противоположной Солнцу стороне  неба. Центр дуги радуги находится  в направлении прямой, проходящей через солнечный диск (хотя бы и  скрытый от наблюдения тучами) и  глаз наблюдателя, т.е. в точке, противоположной Солнцу. Дуга радуги представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки радиусом в 42°30' (в угловом измерении).

Наблюдатель иногда может  одновременно увидеть несколько  радуг – главную, побочную и вторичные. Главная радуга представляет собой  цветную дугу на каплях удаляющейся  дождевой пелены и возникает она  всегда со стороны неба, противоположной  Солнцу. При Солнце на горизонте  высота верхнего края главной радуги составляет в угловой мере 42°30'. При  подъеме Солнца над горизонтом видимая  часть радуги понижается. Когда Солнце достигает высоты 42°30', для наблюдателя  на земной поверхности радуга будет  не видна, однако если в момент ее исчезновения подняться на башню или мачту  корабля, то радугу можно увидеть  снова.

При наблюдении с высокой  горы или с самолета радуга может  иметь вид полной окружности. Еще  Аристотель математически доказал, что Солнце, местонахождение наблюдателя  и центр радуги находятся на одной  прямой. Поэтому чем выше над горизонтом поднимается Солнце, тем ниже опускается центр радуги. В пересеченной местности  радугу можно наблюдать и на фоне ландшафта.

Интересно расположение цветов в радуге. Оно всегда постоянно. Красный  цвет главной радуги расположен на ее верхнем крае, фиолетовый – на нижнем. Между этими крайними цветами  следуют друг за другом остальные  цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре. В  принципе в радуге никогда не бывают представлены все цвета спектра. Чаще всего в ней отсутствуют  или слабо выражены синий, темно-синий  и насыщенный чисто красный цвета. С увеличением размеров капель дождя  происходит сужение цветных полос  радуги, сами же цвета становятся более  насыщенными. Преобладание в явлении  зеленых тонов обычно указывает  на последующий переход к хорошей  погоде. Общая картина цветов радуги имеет размытый характер, так как  образуется она протяженным источником света.

Над главной радугой располагается  побочная с чередованием цветов, обратным главной. Угловая высота верхнего края побочной радуги составляет 53°32'. Кроме  того, со стороны фиолетового конца  главной радуги иногда можно наблюдать  радуги вторичные, преимущественной их окраской является зеленая и розовая. В редких случаях вторичные радуги отмечаются и со стороны фиолетового  края побочной радуги. Вторичные радуги более широки в высоких слоях  дождевой пелены, где капли дождя  имеют меньшие размеры.

При искусственном воспроизведении  явления в лаборатории удавалось  получать до 19 радуг. Над водоемом могут  наблюдаться дополнительные радуги, расположенные друг относительно друга  неконцентрично. Для одной из них  источником света является Солнце, для другой – его отражение  от водной поверхности. В этих условиях могут встречаться и радуги, расположенные  «вверх ногами».

Ночью при лунном освещении  и туманной погоде в горах и  на берегах морей можно наблюдать  белую радугу. Такой тип радуги может возникать и при воздействии  солнечного света на туман. Она имеет  вид блестящей белой дуги, с  внешней стороны, окрашенной в желтоватый и оранжево-красный цвета, а изнутри – в сине-фиолетовый.

Если радуга образована действием  лунного света на капли дождя, то она выглядит белой. В некоторых  случаях она кажется белой  только вследствие малой интенсивности  света. Такого типа радуга при укрупнении капель дождя может перейти в  цветную. Наоборот, цветная радуга может  потерять окраску, если дождь превратится  в мелкокапельный туман. Как правило, при наличии мелких капель окраска  радуги выражена слабо.

Радуга наблюдается не только на пелене дождя. В меньших  масштабах ее можно увидеть на каплях воды у водопадов, фонтанов и  в морском прибое. При этом в  качестве источника света могут  служить не только Солнце и Луна, но и прожектор.

Строение радуги.

Радуга может рассматриваться  как гигантское колесо, которое как  на ось надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и  наблюдателя.

Положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к Солнцу, а угловые размеры радуги определяются высотой Солнца над горизонтом. Наблюдатель есть вершина конуса, ось которого направлена по линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем. Радуга есть находящаяся над линией горизонта часть окружности основания этого конуса. При передвижениях наблюдателя указанный конус, а значит, и радуга, соответствующим образом перемещаются.

Здесь необходимо сделать  два пояснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии, соединяющей  наблюдателя с Солнцем, то имеем  в виду не истинное, а наблюдаемое  направление на Солнце. Оно отличается от истинного на угол рефракции.

Во-вторых, когда мы говорим  о радуге над линией горизонта, то имеем в виду относительно далекую  радугу — когда завеса дождя удалена  от нас на несколько километров.

Можно наблюдать также  и близкую радугу, на пример, радугу, возникающую на фоне большого фонтана. В этом случае концы радуги как  бы уходят в землю. Степень удаленности  радуги от наблюдателя не влияет, очевидно, на ее угловые размеры.

Для основной радуги угол у  равен примерно 42° (для желтого  участка радуги) а для вторичной  этот угол составляет 52°. Отсюда ясно, почему земной наблюдатель не может  любоваться основной радугой, если высота Солнца над горизонтом превышает 42°, и не увидит вторичную радугу при  высоте Солнца, превышающей 52°.

Образование радуги.

Основная радуга образуется за счёт отражения света в каплях воды. А побочная радуга образуется в результате двукратного отражения  света внутри каждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли  под другими углами, чем те, которые  дают основную радугу, и цвета в  побочной радуге располагаются в  обратной последовательности.

Внутри капли идет по прямой. Затем происходит частичное преломление  луча и частичное его отражение. Надо заметить, что, чем меньше угол падения, тем меньше интенсивность  отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча. Луч после отражения попадает в другую точку, где также происходит частичное отражение и частичное  преломление света. Преломленный луч  выходит из капли под некоторым  углом, а отраженный может пройти дальше и т. д. Таким образом, луч  света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При  каждом отражении некоторая часть  лучей света выходит наружу, и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, первым вышедший из капли. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей.

При рассмотрении образования  радуги нужно учесть еще одно явление - неодинаковое преломление волн света  различной длины, то есть световых лучей  разного цвета. Это явление носит  название дисперсии. Вследствие дисперсии  углы преломления и угла отклонения лучей в капле различны для  лучей различной окраски. Чем  больше внутренних отражений испытают лучи в капле, тем слабее радуга. Наблюдать радугу можно, если Солнце находится позади наблюдателя. Поэтому  самая яркая, первичная радуга формируется  из лучей, испытавших одно внутреннее отражение. Они пересекают падающие лучи под углом около 42°. Геометрическим местом точек, расположенных под  углом 42° к падающему лучу, является конус, воспринимаемый глазом в его  вершине как окружность. При освещении  белым светом будет получаться цветная  полоса, причем красная дуга всегда выше фиолетовой.

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.

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 фосфена (РН3). Блуждающие огоньки имеют разную форму, иногда даже шаровидную.