ЛЕКЦИЯ 11 Оптические явления

 

 

Многообразие оптических явлений в атмосфере обусловлено различными причинами. К наиболее распространенным феноменам относятся молния и весьма живописные северное и южное полярные сияния. Кроме того, особенно интересны радуга, гал, паргелий (ложное солнце) и дуги, корона, нимбы и призраки Броккена, миражи, огни святого Эльма, светящиеся облака, зеленые и сумеречные лучи.

Радуга – самое красивое атмосферное явление. Обычно это огромная арка, состоящая из разноцветных полос, наблюдаемая, когда Солнце освещает лишь часть небосвода, а воздух насыщен капельками воды, например во время дождя. Разноцветные дуги располагаются в последовательности спектра (красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая), однако цвета почти никогда не бывают чистыми, поскольку полосы взаимно перекрываются. Как правило, физические характеристики радуг существенно различаются, поэтому и по внешнему виду они весьма разнообразны. Их общей чертой является то, что центр дуги всегда располагается на прямой, проведенной от Солнца к наблюдателю.

Главная радуга представляет собой дугу, состоящую из наиболее ярких цветов – красного на внешней стороне и фиолетового – на внутренней. Иногда видна только одна дуга, но часто с внешней стороны основной радуги появляется побочная. Она имеет не столь яркие цвета, как первая, а красная и фиолетовая полосы в ней меняются местами: красная располагается с внутренней стороны.

Образование главной радуги объясняется двойным преломлением и однократным внутренним отражением лучей солнечного света. Проникая внутрь капли воды (А), луч света преломляется и разлагается, как при прохождении сквозь призму. Затем он достигает противоположной поверхности капли (В), отражается от нее и выходит из капли наружу (С). При этом луч света, прежде чем достичь наблюдателя, преломляется вторично. Исходный белый луч разлагается на лучи разных цветов с углом расхождения 2. При образовании побочной радуги происходит двойное преломление и двойное отражение солнечных лучей (см. рис. 10.1.). В этом случае свет преломляется, проникая внутрь капли через ее нижнюю часть (А), и отражается от внутренней поверхности капли сначала в точке В, затем в точке С. В точке D свет преломляется, выходя из капли в сторону наблюдателя.

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, на которой находятся Солнце, наблюдатель 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

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.

Многообразие оптических явлений в атмосфере обусловлено различными причинами. К наиболее распространенным феноменам относятся молния и весьма живописные северное и южное полярные сияния. Кроме того, особенно интересны радуга, гал, паргелий (ложное солнце) и дуги, корона, нимбы и призраки Броккена, миражи, огни святого Эльма, светящиеся облака, зеленые и сумеречные лучи.

Венцы - в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капелек, перед диском светила наблюдаются явления венцов. Венцы бывают также в тумане около искусственных источников света.

Основная, нередко единственная часть венца – это светлый круг небольшого радиуса, вплотную окружающий солнечный диск. Круг этот голубоватый, по внешнему краю красноватый. Его часто называют ореолом. Он может быть окружен одним или несколькими светлыми дополнительными кольцами такой же окраски, которые не примыкают ни к венцу, ни друг к другу вплотную. Радиус ореола бывает порядка 1°-5 °. Он обратно пропорционален диаметрам капелек в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капелек в облаках.

Венцы обусловлены дифракцией света на мельчайших капельках облаков, которые образуют своего рода дифракционную решетку. Вокруг каждой точки диска светила образуется дифракционный спектр и несколько спектров, имеющих кольцевую форму. Они накладываются друг на друга, причем их цвета сливаются и дают голубоватый оттенок. Спектры, образованные точками, расположенными по краю диска светила, создают кайму красноватого цвета вокруг внешней периферии каждого кольца.

Венцы вокруг искусственных источников света малых размеров имеют более богатые радужные цвета.

 

Схема разложения и преломления солнечного луча при образовании главной радуги

 

 

Схема разложения и преломления солнечного луча при образовании побочной радуги.

 

 

Электричество облаков и осадков

Капли облаков и туманов, как и твердые элементы в них, чаще бывают электрически заряженными, чем нейтральными. Наиболее часто встречаются такие туманы, все капли которых несут заряды одного знака; но примерно в 25% случаев капли заряжены разноименно.

Средний заряд таких капель в туманах имеет порядок величины от десятков до тысяч элементарных зарядов. К условиям в туманах, по-видимому, близки условия в мелкокапельных облаках, или еще сильнее. Дожди значительно чаще выпадают на земную поверхность с положительными, чем с отрицательными зарядами; со снегом дело обстоит менее определенно.

Типичным проявлением мощного атмосферного электричества является развитие кучево-дождевых облаков с электрическими разрядами, как между облаками, так и между облаками и землей. Такие разряды имеют характер искровых с громовыми звуками. Весь процесс, часто сопровождающийся еще и кратковременными усилениями шквального ветра, называется грозой.

По происхождению грозы делятся на те же типы, как и кучево-дождевые облака, различают также внутримассивные и фронтальные грозы.

 

 

Осадки, выпадающие из облаков

При определенных условиях из облаков выпадают осадки, то есть капли воды и кристаллы льда достаточно крупных размеров, которые не могут удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. В зависимости от условий образования осадки делятся на три вида:

8. обложные осадки – выпадают из облаков упорядоченного восходящего движения (высоко-слоистых, слоисто-дождевых). Они связаны с фронтами. Это осадки средней интенсивности, выпадающие сразу на больших площадях (сотни тысяч кв.км), распространяющиеся равномерно и продолжающиеся длительное время (десятки часов). Наибольший процент данных осадков выпадает в умеренных широтах;

9. ливневые осадки – выпадают из кучево-дождевых облаков, связанных происхождением с конвекцией. Сначала эти осадки могут иметь большую интенсивность, но вскоре обрываются. Их непродолжительность объясняется тем, что они связаны с отдельными облаками или узкими зонами облаков. Являются основным видом осадков в тропических и экваториальных широтах;.

10. моросящие осадки – выпадают из слоистых или слоисто-кучевых облаков, типичных для теплых или местных устойчивых воздушных масс. Морось состоит из очень мелких капелек воды.

 

По форме осадки бывают следующих видов:

Дождь – жидкие осадки, состоящие из капель диаметром 0, 5-0, 6 мм;

Морось – жидкие осадки, состоящие из мелких капель диаметром 0, 5 -.05 мм. Отличаются малой скоростью падения и легко переносятся ветром;

Снег – твердые осадки, состоящие из сложных ледяных кристаллов (снежинок);

Снежная и ледяная крупа – осадки, состоящие из ледяных и сильно озерненных снежинок диаметром более 1 мм;

Снежные зерна – маленькие крупинки диаметром менее 1 мм;

Ледяные иглы – ледяные кристаллы в виде шестиугольных призм;

Ледяной дождь – осадки, состоящие из прозрачных ледяных шариков диаметром 1-3 мм;

Град – осадки, выпадающие летом в жаркую погоду в виде кусочков льда шарообразной или неправильной формы диаметром несколько и более мм.

Образование осадков

Осадки выпадают в том случае, если часть элементов, из которых состоит облако, по каким-либо причинам укрупняется. Когда облачные элементы становятся настолько тяжелыми, что сопротивление и восходящие движения воздуха больше не могут удерживать их во взвешенном состоянии, они выпадают из воздуха, точнее - облака в виде осадков.

Капли воды в облаках могут укрупняться в результате взаимного слияния. Если капли заряжены разноименными электрическими зарядами, то это благоприятствует их слиянию. При разных размерах капли падают с различной скоростью и поэтому легче сталкиваются между собой. Столкновению капель способствует также турбулентность. В результате такого слияния капель они могут выпадать в виде мороси или слабоинтенсивного дождя.

Обильные осадки выпадают при укрупнении капель другими путями. Для этого необходимо, чтобы облака были смешанными. У соседствующих переохлажденных капель и кристаллов в смешанных облаках условия влажности разные: для капель имеет быть насыщение, а для кристаллов – перенасыщение. В этом случае кристаллы будут расти путем сублимации, количество водяного пара в воздухе облака уменьшится и для капель водяной пар в облаке станет ненасыщенным. Поэтому одновременно с ростом кристаллов будет происходить испарение капель, то есть перегонка водяного пара с капель на кристаллы. Укрупняющиеся кристаллы начинают падать из верхней части облака. Если при этом в нижней части облака температура больше 0 ⁰, кристаллы тают, превращаясь в капли и выпадают в виде дождя. Если же положительная температура наблюдается в подоблачном слое, то кристаллы тают под основанием облака. Если температура до земной поверхности ниже 0 ⁰, то осадки выпадают в виде снега.

Измерения выпавших осадков проводятся так называемыми дождемерами, которые показывают толщину слоя осадков в мм.

Количество осадков, выпавших в том или ином месте, выражается в мм слоя выпавшей воды. Например, 100 мм осадков означают, что если бы вода не испарялась, не стекала и не впитывалась, она покрыла бы поверхность слоем 100 мм.

Систематически фиксируется число дней с осадками, интенсивность осадков (мм в сутки), средняя интенсивность (мм в час), число часов с осадками, что дает вероятность осадков за год.

Распределение осадков связано с распределением облачности и температуры, следовательно, обладает зональностью. На суше распределение осадков крайне неравномерно, сильно зависит от местных условий, особенно – от рельефа.

Для оценки условий увлажнения учитывают не только выпадающие осадки, но и возможность их испарения. Для определения увлажненности существует коэффициент увлажнения Иванова: R

К ув. = -------. 100%

Ен

R – сумма осадков;

Ен – испаряемость за тот же период.

Коэффициент увлажнения показывает, в какой доле выпадающие осадки могут возместить потерю влаги.

По Иванову, если коэффициент увлажнения увеличивается во все времена года более 100%, то это постоянно влажный климат. Если коэффициент увлажнения не достигает 100% во все месяцы, то климат непостоянно влажный. Если коэффициент равен 25 – 100%, то климат постоянно умеренный влажный, если менее 25% во все месяцы, то постоянно засушливый, если менее 25% в части месяцев, то климат непостоянно засушливый.

 

Искусственное осаждение облаков

Выпадение осадков не находится в прямой связи с мощностью и водностью облаков. Конечно, чем больше мощность облаков, тем больше вероятность того, что они достигнут уровня обледенения и начнутся осадки. Еще больше вероятность осадков при большой водности облаков. Однако облака могут получить сильное развитие, водность их также может быть большой, но если уровень оледенения лежит высоко, осадков не будет.

В степной зоне летом и в тропических широтах часто развиваются мощные кучевые облака, которые, однако, не дают осадков из-за слишком высокого положения уровня оледенения.

На этом и основан способ осаждения облаков, который состоит в том, что в облака вводится пар йодистого серебра, который, охлаждаясь, образует в воздухе ультрамикроскопические кристаллики. При температурах ниже – 4 ° С они являются в облаке ядрами кристаллизации: на них растут ледяные кристаллы.

Есть и другие химические реагенты, приводящие к замерзанию облачных элементов. Введение йодистого серебра и других реагентов в кучево-дождевые облака, угрожающие, например, градом, может привести к быстрому выпадению из облака осадков в виде ливневого дождя или мелкого града, что предотвратит образование крупных градин и сведет к минимуму ущерб для того же сельского хозяйства.

 

Вопросы к разделу об облаках:

1. Деление облаков по фазовому состоянию.

2. Какие световые явления облаков вы знаете?.

3.Как образуются осадки?

4. Виды осадков.

5. Как определяется коэффициент увлажнения?

1.