Наука и природа

• Земля и ее воздушная оболочка

  Мы живем на дне огромного воздушного океана. Превышая по размерам и глубине все земные океаны, он имеет с ними нечто общее. Движение воздуха и движение воды во многих отношениях сходны. Они создаются в основном различием  температур, разным нагревом отдельных частей океанов. Возникающие при этом течения воздуха или воды в обоих случаях называются конвекцией. В атмосфере конвекция проявляется в ветре, в морях конвекционные явления порождают морские течения.

  Не все, происходящее в воздушном океане, имеет прямое отношение к оптике. Однако, где бы ни находился наблюдатель, его основанием служит Земля, а над головой остается огромный по толщине слой земной атмосферы. Воздушный океан, несмотря на огромную глубину (около 1000 км.), так прозрачен, что свет небесных светил, доходящий до нашего глаза, не испытывает в воздухе сколько-нибудь значительного поглощения. Мы видим небесные светила почти не ослабленными в блеске, но для точных астрономических исследований непременно надо знать, что происходит со световым лучом при его движении сквозь атмосферу.

  Приключения солнечных лучей

  Прежде всего, мельчайшие частицы воздуха-молекулы составляющих его газов сортируют падающие на них солнечные лучи. Белый солнечный луч состоит из множества разноцветных лучей. Убедиться в этом просто. Если пропустить сквозь трехгранную стеклянную призму солнечный луч, то на противоположной стене комнаты или на потолке вы увидите разноцветную радужную полоску, называемую спектром. Стеклянная призма разложила белый солнечный луч на составные лучи, - в этом заключается одно из главнейших ее свойств. Дело в том, что лучи разного цвета призма преломляет по-разному: сильнее всего - фиолетовые , слабее всего - красные.

  В атмосфере тоже иногда происходит разложение солнечного света на составные лучи. Так, например, всем известная радуга возникает при прохождении солнечного света сквозь маленькие капельки дождя, которые в этом случае играют роль стеклянных призмочек. Иногда около Солнца или Луны в морозную погоду появляются туманные радужные кольца или кресты. Это так называемые галосы. Они сходны с радугой, но только свет от Луны или Солнца разлагается в этом случае не водяными капельками, а образующимися в атмосфере мельчайшими кристалликами льда. И радуга и галосы - все это оптические явления в атмосфере, результат взаимодействия солнечного света с воздушным океаном.

  Однако "сортировка" солнечных лучей - это совсем иное.  Всем, конечно, приходилось видеть тлеющую папиросу, испускающую дым из обоих своих концов. Но вот что удивительно: спереди папиросы, там, где вложен табак, дым выделяется в виде узенькой голубоватой струйки, а из другого конца папиросы выходит и стелется густой белый дымок. Табак один, а дым разный. В чем причина этого явления?

  Все дело, оказывается, в законах рассеяния света. Когда луч света попадает на какую-нибудь частицу, то он рассеивается, т. е. разбрасывается частицей в разные стороны. Но вот какие именно лучи рассеиваются и какие пропускаются частицей - это зависит от ее свойств, главное - от ее размеров.

  В голубом дыме папиросы частицы маленькие, легкие, свободно поднимающиеся вверх. Такие частицы, как установил английский физик Рэлей, рассеивают голубые лучи. Крупные же, тяжелые частицы, из которых состоит белый дым, представляют собой мельчайшие капельки воды. Они рассеивают все лучи одинаково, поэтому рассеянные разноцветные лучи, складываясь затем вместе, образуют снова белый цвет.

  Почему небо синее?

  Молекулы газов, составляющих воздух, по закону Рэлея, рассеивают синие и голубые лучи. Вот почему небо синее и в этом отношении похоже на голубоватый дымок тлеющей папиросы. Облака же в небе белые, потому что они состоят из мельчайших водяных капелек.

  Закон Рэлея проявляется не только в синем цвете неба и белизне облаков. Когда Солнце или Луна находятся вблизи горизонта, они кажутся оранжевыми, а иногда и ярко-красными. Почему? Луч Солнца или Луны, находящихся вблизи горизонта, проходит через большую толщу атмосферы, чем в полдень.

  Кроме того, утренние и вечерние солнечные лучи пронизывают нижние запыленные слои атмосферы. В этих слоях рассеиваются не только синие и голубые, но даже зеленые и часть желтых лучей. Только красные и оранжевые лучи беспрепятственно достигают человеческого глаза. Именно поэтому Солнце и Луна вблизи горизонта кажутся красновато-оранжевыми.

  Кстати, Луна и Солнце, находясь у горизонта, не только краснеют, но и заметно увеличиваются в размерах. Это легко объяснить: нам только кажется, что Луна и Солнце увеличиваются у горизонта. Поверить в это трудно, но проверить легко.

  Возьмите обычную линейку и на одном из ее концов воткните 5-6 булавок. С помощью этого нехитрого прибора посмотрите на большую Луну и заметьте по булавкам размер ее поперечника. Такое же наблюдение повторите и тогда, когда Луна будет высоко над горизонтом. Вы убедитесь, что в обоих случаях размеры Луны(и Солнца) совершенно одинаковы. Перед вами еще один пример всем знакомого обмана зрения.

  С поднятием вверх все эти явления постепенно ослабевают. На высотах в сотни километров нет ни зорь, ни облаков - на совершенно черном небе сияют Солнце, Луна и немерцающие звезды.

  Мерцание звезд

  Подъезжая к далекому городу, можно наблюдать из окна вагона море мерцающих огней. Мерцание звезд и мерцание далеких земных огней вызвано одной причиной - неоднородностью воздуха и его движением. В воздушном океане постоянно движутся различные струйки воздуха. Одни из них толще и плотнее, другие разреженнее. Лучи света, проходя сквозь эти струйки, преломляются по-разному, а так как струйки все время движутся, то и луч непрерывно дрожит, искривляется, "мерцает".

  Свет от звезд, кроме того, еще разлагается на водяных капельках в атмосфере. Поэтому после дождя или перед дождем звезды не только сильно мерцают, но и переливаются всеми цветами радуги.

  Мерцание звезд можно наблюдать лишь со дна воздушного океана. За пределами земной атмосферы звезды светят спокойно, не мигая и не переливаясь различными цветами.

  Рефракция в атмосфере

  Если в стакан с водой опустить ложку, то у поверхности воды ложка кажется переломленной, хотя в действительности никакого излома у ложки нет. Причина этого явления в рефракции света. Луч света, переходя из одной среды в другую, преломляется, изменяя первоначальное направление.

  При переходе из более плотной среды в менее плотную луч приближается к поверхности, которая разделяет обе среды; в обратном случае угол между поверхностью раздела и лучом света увеличивается. Это изменение направления луча света при переходе границы двух различных веществ и называют рефракцией.

  Благодаря рефракции дно реки или озера кажется менее глубоким, чем в действительности. Рефракция очень сильно искажает предметы, если их рассматривать сквозь толстый слой воды. Воздушный океан тоже вносит некоторые искажения в картину вселенной, но так как плотность воздуха в сравнении с водой очень мала, то искажения эти незначительны.

  Рассмотрим Землю, покрывающий ее слой земной атмосферы и звезду, обозначенную буквой А. Луч, идущий от звезды, преломится на границе атмосферы и попадет в глаз по иному направлению, чем первоначальное. Естественно, что наблюдатель увидит звезду не там, где она на самом деле находится (точка А), а в направлении, по которому пришел в его глаз луч света от звезды (точка Б). Значит, из-за рефракции видимые положения светил не совпадают с истинными. Правда, разница в положениях невелика и зависит от высоты светила над горизонтом. Чем выше светило, тем меньше рефракция, а для светил, находящихся над головой, в зените, рефракция равна нулю. Наибольшего значения рефракция достигает у горизонта, но и там она близка к 35 минутам дуги.

  Данное объяснение рефракции приближенно. Ведь на самом деле плотность атмосферы убывает с высотой. Земля не плоска, а шарообразна, как и атмосфера. Поэтому путь луча в атмосфере вовсе не прямолинеен, а представляет собой сложную кривую, подробно изучаемую в специальной теории рефракции.

  Рефракция увеличивает продолжительность дня. Не будь атмосферы, дни на Земле были бы на несколько минут короче, чем в действительности.

  Есть еще одно всем знакомое явление, которое объясняется рефракцией. Солнце и Луна у горизонта расплющиваются, теряя обычную форму круга. Эти искажения вызваны рефракцией. Для разных точек вертикального поперечника Солнца рефракция различна. Она сильнее всего для нижнего края и наиболее слаба для верхнего края Солнца. Поэтому из-за разной величины рефракции вертикальный поперечник Солнца сжимается. Что же касается горизонтального поперечника, то все его точки имеют одинаковую высоту над горизонтом, рефракция для них одинакова, а потому он остается неизменным.

  Самое красивое

  Иногда в земной атмосфере возникают редкие по красоте явления - полярные сияния. На фоне ночного неба появляются причудливые разноцветные движущиеся ленты, полосы, столбы света. Особенно красивы "короны" - совокупность светящихся лучей, идущих из единого центра.

  Полярные сияния - свечение верхних, разреженных слоев атмосферы. Они вызываются взаимодействием атомов и молекул, находящихся на высотах от ста до нескольких сот километров, с заряженными частицами больших энергий, вторгающимися в земную атмосферу из космоса. Так, Солнце непрерывно выбрасывает со своей поверхности в окружающее мировое пространство великое множество мельчайших частиц вещества (потоки корпускул), несущих электрические заряды. Многие из них проникают в верхние, разреженные слои земной атмосферы и сталкиваются с отдельными ее частицами, вызывая их свечение. Так возникают полярные сияния.

  Полярные сияния чаще всего возникают в высоких широтах. Объясняется это тем, что полярные сияния есть результат сложного взаимодействия заряженных частиц с магнитным полем Земли, полюсы которых расположены вблизи географических полюсов.

  Сумерки и заря

  Виновник сумерек - земная атмосфера. На рисунке изображен земной шар, окутанный воздушной оболочкой. Прямая АВ изображает плоскость горизонта. Из рисунка видно, что, когда Солнце зайдет за горизонт, иначе говоря, скроется от наблюдателя за выпуклостью земного шара, солнечные лучи еще продолжают освещать верхние слои воздуха (выше СЕD). Эти слои и порождают явление зари. Кроме того, освещенные Солнцем частицы воздуха - молекулы составляющих его газов- рассеивают падающие на них солнечные лучи.

  Рассеянный свет попадает в темные, неосвещенные части атмосферы, снова рассеивается и притом многократно. Все рассеянные земной атмосферой лучи и создают сравнительно слабый сумеречный свет.

  Исчезни атмосфера, и сумерки бы не наблюдались. После захода Солнца за горизонт сразу можно было бы увидеть все, даже самые слабосветящиеся, звезды.