Световые явления

 

Радуга.

Радуга есть не что иное, как непрерывный спектр солнечного света, образованный разложением света в каплях дождя как в призмах. Из дождевых капель под разными углами преломления выходят широкие разноцветные световые пучки. [3]

Наблюдатель, находясь вне зоны дождя, видит над горизонтом радугу в виде разноцветных дуговых полос на фоне дождевых облаков, освещаемых Солнцем. В это время Солнце стоит невысоко над горизонтом за спиной наблюдателя, а центр радуги – под горизонтом. Верхняя полоса радуги – красная – находится не выше 42º над горизонтом, нижняя же полоса – фиолетовая, а между ними располагаются все остальные участки спектра.

Чем выше Солнце над горизонтом, тем меньшую часть  радуги мы видим над горизонтом. Когда Солнце поднимается выше 43º  над горизонтом, тогда радуга не видна.

Если подняться  высоко над земной поверхностью, то можно увидеть все радужное кольцо.

При солнечном  освещении радугу можно наблюдать  иногда в брызгах водопада, фонтана, при работе поливочной машины. Удается  видеть радугу на росе, покрывающей траву, - это так называемая росная радуга.

 

Полярное  сияние.

В наше время  не редкость вывески и рекламы, сделанные  из разноцветных светящихся трубок. Тут, в темном небе, вспыхнет вдруг зеленая  надпись – название нового кинофильма. Там, в витрине, загорится красная надпись «Кафе». Поодаль светится оранжевая вывеска – «Гастроном».

Такие светящиеся надписи очень удобны: когда наступает  темнота, их видно издалека.

Светится в  трубках разреженный газ, отсюда их название – «газосветные трубки». [8]

Газосветные трубки стали также привычны на городских  улицах, как электрическое освещение  или асфальтовая мостовая. Но при  этом мало кто знает, что свечение газосветных трубок сродни такому величественному  явлению природы, как полярное сияние.

Правда, трубка светится непрерывно, и свет её равномерный; он не затухает и не усиливается. А у полярного сияния огни разноцветные; они дрожат, мерцают, вспыхивают то ярче, то слабее. И все же свечение газосветных трубок и полярного сияния подчинены одним и тем же физическим законам.

…Долгая полярная ночь. Только звезды льют свой слабый свет на заснеженную землю. И вдруг  на небе возникает светящееся пятно. Оно совсем небольшое; сияние его  едва приметное. Но трепетный свет нарастает, пятно ширится, становится все больше и больше. И, наконец, словно отблеск огромного пожара, колеблющееся свечение захватывает чуть ли не все небо.

Минуту назад  еще совсем темное, оно теперь горит, искрится, переливается розовым, желтым, оранжевым, бледно-зеленым, багряно-красным  светом. Снопы света то бледнеют, то разгораются. Вот они собрались кистями, вот кисти слились в светящиеся, колышущиеся ленты и, наконец, развернулись в громадный сверкающий занавес. Он колеблется, мерцает, полыхает огнями. Это полярное сияние. В народе его называют сполохами. И тот, кто видел это величественное явление природы, навряд ли когда-нибудь забудет это. [5]

В старину, не понимая, почему возникает полярное сияние, люди считали его чудесным знамением. Даже летописец упоминает о полярном сиянии, которое будто бы преднамеренно озарило лед Чудского озера во время битвы воинов прославленного русского полководца Александра Невского с иноземными захватчиками.

«Но откуда же берутся  эти бесконечные переливы огней  в ночном небе?» - давно уже спрашивали себя люди. И в далекой северной деревне, будущий великий ученый России Михаил Ломоносов ещё мальчиком не раз задавал этот вопрос своим односельчанам. Но разве мог кто-нибудь ответить Ломоносову на такой вопрос?

Если бы в  ту пору Ломоносов обратился к  знаменитым ученым, то и от них бы не услыхал толкового объяснения.

Впервые ответ  на свой вопрос дал сам Ломоносов. Но пришел этот ответ много позже, лишь тогда, когда Ломоносов стал зрелым ученым-академиком.

Двести лет  назад об электричестве, его природе  и свойствах знали немногое.

В те годы уже  было известно, что некоторые вещества, например металлы, хорошо проводят электричество, что воздух не проводник. А разреженный  воздух? Способен ли электрический  ток проходить через пространство, в котором мало воздуха?

Ответ мог дать только опыт. Такой опыт, тщательно продуманный и выполненный, поставил Ломоносов.

Ученый впаял  два металлических стержня в  стеклянный шар и с помощью  насоса выкачал из него часть воздуха. Затем присоединил стержни к  электрической машине и стал вращать  рукоятку.

Газ состоит  из нейтральных молекул (или атомов). Поэтому при обычных условиях он является диэлектриком (веществом, плохо проводящим электрический  ток). Для того чтобы газ стал проводить  ток, нужно ионизировать молекулы. Прохождение  электрического тока через газ называют газовым разрядом, и этот ток может сопровождаться различными тепловыми и оптическими (свечением) явлениями. [7]

Разряд прошел через разреженный воздух шара, - в этом Ломоносов не сомневался: стеклянный сосуд засветился изнутри  мерцающим розовато-лиловым светом. В своем лабораторном журнале Ломоносов записал: «бледный и слабый свет».

Пристально  всматриваясь в свечение шара, Ломоносов  заметил лучи, которые «во мгновение  ока исчезают, и в то же почти  время новые на их местах выскакивают, так что беспрерывное мерцание быть кажется».

Что же напоминало это «блистание»? Конечно, полярное сияние, замечательную игру разноцветных огней, то разгорающихся, то затухающих высоко в небе, те самые сполохи, которые Ломоносов видел столько раз у себя на родине.

Так пришел ответ  на вопрос, который занимал Ломоносова ещё в детстве.

Ведь воздух в верхних слоях атмосферы  тоже разрежен, как и воздух внутри шара. И под действием электрического разряда разреженный газ начинает светиться.

 

Прозрачность  тел.

В повседневной жизни нас окружают тела, сквозь которые может проходить свет. Такие тела называются прозрачными, например воздух, вода, стекло, хрусталь, алмаз.

Однако сквозь прозрачные тела свет проходит не полностью: часть света отражается от их поверхности, часть поглощается, превращаюсь в другие виды энергии, например во внутреннюю.

Неполное прохождение  света сквозь прозрачные тела можно  наблюдать повседневно. Например, глядя  сквозь стекло витрины магазина, мы видим там различные вещи и  в то же время можем видеть в том же стекле людей, движущийся по улице транспорт и самих себя. Примечательно, что пучки света, проходящие сквозь стекло витрины, и пучки отраженного света от того же стекла, многократно встречаясь и пересекаясь, проникают в наши глаза, и мы видим предметы и изображения предметов без каких-либо искажений. Изображение зажженной свечи в плоском зеркале – это зрительная иллюзия. Глядя сквозь стекло, поставим за ним незажженную свечу на том месте, где, нам кажется, находится изображение зажженной свечи. Отметим положение стекла, начертив линию вдоль его основания, и уберем стекло. Измерив, расстояние от свечи до стекла и от изображения (там, где стоит незажженная свеча) до стекла, мы увидим то, что эти отрезки равны.

При помощи плоского зеркала можно создать такую зрительную иллюзию, которая может с успехом способствовать борьбе с суевериями и религиозными предрассудками, с верой в сверхъестественное, например, с верой в появление призраков.

Оптический  опыт легко разоблачает появление  призраков. Для его осуществления на передней части сцены надо наклонно поставить огромное плоское стекло. Актер, облаченный в соответствующий костюм и сильно освещенный, должен находиться в углублении под сценой. Тогда отраженный от него свет будет падать на стекло и почти целиком отражаться в зал. Зрители, сидящие в слабо освещенном зале, не замечают стекла, а видят за ним изображение актера, принимая его за призрак. [6]

 

Тени  и полутени.

Прямолинейным распространением света в однородной среде объясняется образование тени.

Тенью называют ту часть пространства за непрозрачным предметом, куда не проникает свет. [9] В солнечный день отчетливо видны тени людей, зданий, деревьев и других предметов.

Если поместить  небольшой непрозрачный шар в  область светового пучка, падающего  на экран, то за шаром образуется в пространстве конусообразная тень, а на экране появится тень в виде круга. В конусообразности тени можно легко убедиться, если передвигать экран в горизонтальном направлении и следить за изменением размеров тени на экране.

Если от двух точечных источников свет падает на непрозрачную преграду, то образуются три тени. Одна из них – полная тень, т. е. область пространства, куда не проникает свет ни от одного из двух источников. Две другие тени менее темные, потому что в эти области пространства не проникает свет только от одного из двух источников. Поэтому такие тени называют полутенями. На экране же образуются две отдельные полутени в виде кругов. Если поочередно гасить источники света, то полутени становятся тенями.

 

Солнечное затмение.

Планеты и их спутники, освещаемы Солнцем, отбрасывают  конусы тени (сходящиеся) и полутени (расходящиеся).

Если Луна при  своем движении вокруг Земли окажется между Землей и Солнцем, то она  может закрыть собой Солнце –  и тогда наступит солнечное затмение.

Вследствие  небольшого изменения расстояний Земли  от Луны Солнца видимый угловой диаметр  Луны бывает то немного больше солнечного, то немного меньше, то равен ему. В первом случае полное затмение Солнца длиться до 7 мин 40 с, в третьем  – только одно мгновение, а во втором случае Луна вообще не закрывает Солнца целиком, наблюдается кольцеобразное затмение. Тогда вокруг темного диска Луны виден сияющий ободок солнечного диска. [1]

Солнечные затмения бывают только во время новолуний, т. е. когда Луна находится между Солнцем и Землей и невидима для земного наблюдателя, так как повернута к нему своим неосвещенным полушарием.

Размер лунной тени на поверхности земли не бывает больше 250 км в диаметре. Диаметр  же Земли составляет примерно 12 700 км, значит, размер лунной тени на земной поверхности ограничивает видимость полного солнечного затмения. Солнечные затмения видимы только в тех местах, на которые падает тень или полутень Луны. Если место находиться в области лунной тени, то там наблюдается полное солнечное затмение; для мест, находящихся в области полутени, то же затмение будет частным.

Поразительное зрелище представляет собой полное солнечное затмение. Так как Луна движется с запада на восток, затмение начинается на западном (правом) краю диска Солнца, на котором в начале затмения появляется небольшой «ущерб», имеющий форму дуги круга. Ущерб этот постепенно растет, и Солнце принимает форму все более узкого серпа. Как только диск Луны закроет Солнце, мы видим вокруг него великолепное сияние – это корона Солнца. Она представляет собой светящиеся наружные части раскаленной атмосферы Солнца. При помощи современных оптических приборов корону Солнца можно видеть и днем при солнечном свете.

Во время  полного солнечного затмения быстро темнеет. По всему горизонту наблюдается свечение, похожее на красноватое зарево, - это освещена Солнцем атмосфера Земли, находящаяся вне конуса лунной тени. На небе видны звезды и планеты. Понижается температура воздуха, появляется даже роса, а на небе виден черный диск с сияющей вокруг него короной Солнца.

Однако Луна движется. Проходят самые дорогие  минуты для научных наблюдений. Во многих местах Земли, по которым проходит лунная тень, ученые изучают корону Солнца и исследуют различного рода излучения Солнца.

И вот блеснул  яркий узкий и солнечный серп, сразу исчезла корона – диск Луны сдвинулся к востоку. Лунная тень сбегает с нашей местности, и Солнце по-прежнему сияет на небосклоне.

Полное затмение может длиться разное время, но не более 8 минут, чаще 2-3 минуты. Бывает оно  на Земле один раз в полтора года, но в одном и том же месте Земли оно происходит очень редко. Например, в Москве солнечное затмение наблюдалось 25 февраля 1476 года, а следующее полное затмение Солнца там можно будет только наблюдать 16 октября 2126 года. [6]

Так как движения Луны и Земли хорошо изучены, время  и место полных солнечных затмений можно рассчитать весьма точно.

 

Лунное  затмение.

Когда в область  земной тени входит Луна, то наступает лунное затмение. Космонавт же, находящийся в это время на Луне, увидел бы затмение Солнца Землей.

Лунные затмения происходят только во время полнолуний, т. е. когда Луна находится близ точки  неба, противоположной Солнцу, и  обращена к Земле всем своим освещенным полушарием.

Так как Луна движется с запада на восток, то первым вступает в земную тень восточный (левый) край Луны. На нем появляется «ущерб», который постепенно увеличивается. Луна принимает форму серпа. Если вся Луна войдет в земную тень, то произойдет полное затмение; если она пройдет близ края тени, то затмение будет частным. Вследствие того, что диаметр земной тени значительно больше диаметра лунного диска, полное лунное затмение может продолжаться сравнительно долго, почти два часа (1 час 40 минут). Так как во время затмения Луна действительно не освещается Солнцем, то она будет казаться темной, откуда бы на неё не смотрели. Поэтому лунное затмение наблюдается совершенно одинаково на всем земном полушарии, обращенном к Луне. Для всех точек Земли оно начинается и кончается в один и тот же момент времени.