Природа света

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 γ  и угла отклонения лучей Θ в  капле различны для лучей различной  окраски.

Чаще всего мы наблюдаем  одну радугу. Нередки случаи, когда  на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные  одна за другой; наблюдают и еще  большее число небесных дуг –  три, четыре и даже пять одновременно. Это интересное явление наблюдали  ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда  во второй половине дня среди туч  над Невой появились четыре радуги. Оказывается, что радуга может возникать  не только от прямых лучей; нередко  она появляется и в отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, больших  рек и озер. Три-четыре радуги –  обыкновенные и отраженные – создают  подчас красивую картину. Так как  отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга, образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.

Не следует думать, что  радугу можно наблюдать только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть такую радугу можно  после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна.

Некоторой подобие радуги можно получить на таком опыте: Нужно  колбу, наполненную водой, осветить солнечным светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доске отчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению с начальным направлением составит около 41-42°. В естественных условиях экрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака.

Если радуга появляется вечером  перед заходом Солнца, то наблюдают  красную радугу. В последние пять или десять минут перед закатом  все цвета радуги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой  и видимой даже спустя десять минут  после заката.

Красивое зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать  при восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму  гиперболы.

4. Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

В большинстве случаев  полярные сияния имеют зеленый или  сине-зеленый оттенок с изредка  появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярные сияния наблюдают  в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает  форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев  разбиться на пятна. Ленты как  бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или  драпировку, протянувшуюся обычно с  востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько  сотен километров, толщина не превышает  нескольких сотен метров, причем так  нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо очерчен  и часто подкрашен в красный  или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Различают виды полярных сияний:

Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную  форму. Она более ярка снизу и  постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга – лента  становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса – с  ростом активности более крупные  складки накладываются на мелкие;

При повышении активности складки или петли расширяются  до огромных размеров, нижний край ленты  ярко сияет розовым свечением. Когда  активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что  однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки  связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного  вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень  интенсивными. Происходят они во время  увеличения солнечной активности. Эти  сияния представляются в виде беловато-зеленой  шапки. Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют  на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так  ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее  сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек. Верхние слои атмосферы  в области вспышек сияний разогреваются  и устремляются вверх, что сказалось  на усиленном торможении искусственных  спутников Земли, проходящих эти  зоны.

Во время сияний в атмосфере  Земли возникают вихревые электрические  токи, захватывающие большие области. Они возбуждают магнитные бури, так называемые дополнительные неустойчивые магнитные поля. Когда атмосфера сияет, она излучает рентгеновские лучи, являющиеся, скорей всего результатом торможения электронов в атмосфере.

Частые вспышки сияния практически всегда сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния оказывают большое  влияние на сильные изменения  в ионосфере, влияющие в свою очередь  на условия радиосвязи, т. е. радиосвязь сильно ухудшается, в результате чего возникают сильные помехи, или  даже полная потеря приема.

Возникновение полярных сияний.

Земля - это огромный магнит, северный полюс которого находится  вблизи южного географического полюса, а южный – вблизи северного. А  силовые линии магнитного поля Земли - это геомагнитные линии, выходящие  из области, прилегающей к северному  магнитному полюсу Земли. Они охватывают весь земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Считалось в течение длительного  периода времени, что расположение магнитных силовых линий симметрично  относительно земной оси. Но на самом  деле оказалось, что так называемый “солнечный ветер”, т. е. поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетает на геомагнитную оболочку Земли с  высоты около 20000 км. Он оттягивает ее в  сторону от Солнца, тем самым у  Земли образуется своеобразный магнитный  “хвост”.

Попавшие в магнитное  поле Земли, электрон или протон движутся по спирали, навиваясь на геомагнитную линию. Эти частицы, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части: одна часть  вдоль магнитных силовых линий  сразу стекает в полярные области  Земли, а другая - попадает внутрь тероида  и движется внутри него, как это  можно по правилу левой руки, вдоль  замкнутой кривой АВС. В конце  концов, эти протоны и электроны  по геомагнитным линиям также стекают  в область полюсов, где появляется их увеличенная концентрация. Протоны  и электроны производят ионизацию  и возбуждение атомов и молекул  газов. Для этого они обладают достаточной энергией. Поскольку протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20эв. А для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, для возбуждения же еще меньше.

По принципу того, как  это происходит в трубках с  разреженным газом при пропускании  через них токов, возбужденные атомы  газов отдают обратно полученную энергию в виде света.

Зеленое и красное свечение, по результатам спектрального исследования принадлежит возбужденным атомам кислорода, а инфракрасное и фиолетовое –  ионизованным молекулам азота. Некоторые  линии излучения кислорода и  азота образуются на высоте 110 км, а  красное свечение кислорода –  на высоте 200-400 км. Следующим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних  слоях атмосферы из протонов прилетевших  с Солнца. Такой протон, после  захвата электрона, превращается в  возбужденный атом водорода и дает излучение красным светом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая литература:

1. “Физика в природе”, автор - Л. В. Тарасов, издательство “Просвещение”, Москва, 1988 год.

2. “Оптические явления в природе”, автор - В. Л. Булат, издательство “Просвещение”, Москва, 1974 год.

3. “Беседы по физике, часть II” , автор - М. И. Блудов, издательство “Просвещение”, Москва, 1985 год.

4. “Физика 10”, авторы - Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев, издательство “Просвещение”, Москва, 1987 год.

5. “Энциклопедический словарь юного физика”, составитель В. А. Чуянов, издательство “Педагогика”, Москва, 1984 год.

6. “Справочник школьника по физике”, составитель - , филологическое общество “Слово”, Москва, 1995 год.

7. “Физика 11”, Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, издательство “Просвещение”, Москва, 1991 год.

8. “Решение задач по физике”, В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград, 1999 год.