Веселка спостерігається осторонь, протилежною Сонцю, на тлі дощових хмар або дощу. Різноколірна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані 1-2 км., а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.
Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що сполучає Сонце і око спостерігача, - на проти сонячній лінії. Кут між напрямом на головну веселку і проти сонячну лінією складає 41-42е.
У момент сходу сонця проти сонячна крапка знаходиться на лінії горизонту і веселка має вид півкола. У міру підняття Сонця проти сонячна крапка опускається під горизонт і розмір веселки зменшується. Вона є лише частиною кола.
Часто спостерігається побічна веселка, концентрична з першою, з кутовим радіусом біля 52е і зворотного розташування квітів.
При висоті Сонця 41е головна веселка перестає бути видимою і над горизонтом виступає лише частина побічної веселки, а при висоті Сонця більш 52е не видно і побічна веселка. Тому в середніх екваторіальних широтах це явище природи ніколи не спостерігається.
У веселки розрізняють сім основних кольорів, що плавно переходять один в іншій.
Вид дуги, яскравість квітів, ширина смуг залежать від розмірів крапельок води і їх кількості. Великі краплі створюють вужчу веселку, з кольорами, що різко виділяються, малі - дугу розпливчату, бляклу і навіть білу. От чому яскрава вузька веселка видно влітку після грозового дощу, під час якого падають крупні краплі.
Вперше теорія веселки була дана в 1637 році Рене Декартом. Він пояснив веселку, як явище, пов'язане з віддзеркаленням і заломленням світла в дощових краплях.
Утворення квітів і їх послідовність були пояснені пізніше, після розгадки складної природи білого світу і його дисперсії в середовищі. Дифракційна теорія веселки розроблена Ері і Партнером.
Можна розглянути простий випадок: хай на краплі, що мають форму кулі, падає пучок паралельних сонячних променів. Промінь, падаючий на поверхню краплі, заломлюється усередині неї за законом заломлення:
n sin б=n sin в,
де n=1, n_1,33 - відповідно показники заломлення повітря і води, би - кут падіння, а в - кут заломлення світла.
Усередині краплі йде по прямий промінь АВ. У крапці У відбувається часткове заломлення світивши і часткове його віддзеркалення. Треба відмітити, що, чим менше кут падіння в крапці В, а отже і в крапці А, тим менше інтенсивність відображеного променя і тим більше інтенсивність заломленого променя.
Промінь АВ після віддзеркалення в крапці У відбувається під кутом, де також відбувається часткове віддзеркалення і часткове заломлення світла. Заломлений промінь виходить з краплі під кутом г, а відображений може пройти далі, в точку D і т.д. Таким чином, промінь світла в краплі зазнає багатократне віддзеркалення і заломлення. При кожному віддзеркаленні деяка частина променів світла виходить назовні і інтенсивність їх усередині краплі зменшується. Найбільш інтенсивним з променів, що виходять в повітря, є промінь, що вийшов з краплі в точці В. Але спостерігати його важко, оскільки він втрачається на тлі яскравих прямих сонячних променів. Промені ж, заломлені в крапці З, створюють в сукупності на тлі темної хмари первинну веселку, а промені, що випробовують заломлення в точці D дають вторинну веселку, яка менш інтенсивна, чим первинна.
При розгляді утворення веселки потрібно врахувати ще одне явище - неоднакове заломлення хвиль світла різної довжини, тобто світлових променів різного кольору. Це явище носить назва дисперсії. Унаслідок дисперсії кути заломлення г і кута відхилення променів І в краплі різні для променів різного забарвлення.
Найчастіше ми спостерігаємо одну веселку. Нерідкі випадки, коли на небозводі з'являються одночасно дві веселкові смуги, розташовані одна за одною; спостерігають і ще більше число небесних дуг - три, чотири і навіть п'ять одночасно. Виявляється, що веселка може виникати не тільки від прямих променів; нерідко вона з'являється і у відображених променях Сонця. Це можна бачити на березі морських заток, великих річок і озер. Три-чотири веселки - звичайні і відображені - створюють часом красиву картину. Оскільки відображені від водної поверхні промені Сонця йдуть від низу до верху, то веселка утворюється в променях, може виглядати іноді абсолютно незвично.
Не слід думати, що веселку можна спостерігати тільки вдень. Вона буває і вночі, правда, завжди слабка. Побачити таку веселку можна після нічного дощу, коли із-за хмар вигляне Місяць.
Деякій подібність веселки можна отримати на такому досвіді: Потрібно колбу, наповнену водою, освітити сонячних світлом або лампою через отвір в білій дошці. Тоді на дошці виразно стане видна веселка, причому кут розбіжності променів в порівнянні з початковим напрямом складе біля 41-42°. У природних умовах екрану немає, зображення виникає на сітківці ока, і око проектує це зображення на хмари.
Якщо веселка з'являється увечері перед заходом Сонця, то спостерігають червону веселку. У останніх п'ять або десять хвилин перед заходом всі барви веселки, окрім червоного, зникають, вона стає дуже яскравою і видимою навіть опісля десять хвилин після заходу.
Красиве видовище є веселка на росі. Її можна спостерігати при сході Сонця на траві, покритою росою. Ця веселка має форму гіперболи.
Полярні сяйва
Одним з красивих оптичних явищ природи є полярне сяйво.
В більшості випадків полярні сяйва мають зелений або синій-зелений відтінок з плямами, що зрідка з'являються, або облямівкою рожевого або червоного кольору.
Полярні сяйва спостерігають в двох основних формах - у вигляді стрічок і у вигляді плям. Коли сяйво інтенсивне, воно набуває форми стрічок. Втрачаючи інтенсивність, воно перетворюється на плями. Проте багато стрічок зникають, не встигнувши розбитися на плями. Стрічки як би висять в темному просторі неба, нагадуючи гігантську завісу, що протягнулася зазвичай зі сходу на захід на тисячі кілометрів. Висота цієї завіси складає декілька сотень кілометрів, товщина не перевищує декількох сотень метрів, причому вона така голуба і прозора, що крізь неї видно зірки. Нижній край завіси досить різко і виразно обкреслений і часто підфарбований в червоний або рожевий колір, верхній, - поступово втрачається у висоті і це створює особливо ефектне враження глибини простору.
Розрізняють чотири типи полярних сяйв:
Однорідна дуга - смуга, що світиться, має найбільш просту, спокійну форму. Вона яскравіша знизу і поступово зникає догори на тлі свічення неба ;
Промениста дуга - стрічка стає декілька активнішою і рухливішою, вона утворює дрібні складки і цівки;
Промениста смуга - із зростанням активності крупніші складки накладаються на дрібні;
При підвищенні активності складки або петлі розширюються до величезних розмірів, нижній край стрічки яскраво сяє рожевим свіченням. Коли активність спадає, складки зникають і стрічка повертається до однорідної форми. Це наводить на думку, що однорідна структура є основною формою полярного сяйва, а складки пов'язані із зростанням активності.
Часто виникають сяйва іншого вигляду. Вони захоплюють весь полярний район і виявляються дуже інтенсивними. Відбуваються вони під час збільшення сонячної активності. Ці сяйва представляються у вигляді білувато-зеленої шапки. Такі сяйва називають шквалами.
По яскравості сяйва розділяють на чотири класи, що відрізняються один від одного на один порядок (тобто в 10 разів). До першого класу відносяться сяйва, ледве помітні і приблизно рівні по яскравості Чумацькому Шляху, сяйво ж четвертого класу освітлюють Землю так яскраво, як повний Місяць.
Треба відзначити, що виникле сяйво розповсюджується на захід із швидкістю 1 км/сек. Верхні шари атмосфери в області спалахів сяйв розігріваються і спрямовуються вгору, що позначилося на посиленому гальмуванні штучних супутників Землі, що проходять ці зони.
Під час сяйв в атмосфері Землі виникають вихрові електричні струми, захоплюючі великі області. Вони порушують додаткові нестійкі магнітні поля, так звані магнітні бурі. Під час сяйв атмосфера випромінює рентгенівські промені, які, мабуть, є результатом гальмування електронів в атмосфері.
Інтенсивні спалахи сяйва часто супроводжуються звуками, що нагадують шум, тріск. Полярні сяйва викликають сильні зміни в іоносфері, що у свою чергу впливає на умови радіозв'язку. В більшості випадків радіозв'язок значно погіршується. Виникають сильні перешкоди, а іноді повна втрата прийому.
Як виникають полярні сяйва. Земля є величезним магнітом, південний полюс якого знаходиться поблизу північного географічного полюса, а північний - поблизу південного. Силові лінії магнітного поля Землі, звані геомагнітними лініями, виходять з області, прилеглої до північного магнітного полюса Землі, охоплює земну кулю і входять в нього в області південного магнітного полюса, утворюючи грати навколо Землі.
Довго вважалося, що розташування магнітних силових ліній симетричне щодо земної осі. Тепер з'ясувалося, що так званий “сонячний вітер” - потік протонів і електронів, що випромінюються Сонцем, налітаю на геомагнітну оболонку Землі з висоти близько 20000 км., зволікає її назад, убік від Сонця, утворюючи у Землі своєрідний магнітний “хвіст”.
Електрон або протон, Землі, що потрапили в магнітне поле, рухаються по спіралі, як би навиваючись на геомагнітну лінію. Електрони і протони, що потрапили з сонячного вітру в магнітне поле Землі, розділяються на дві частини. Частина з них уздовж магнітних силових ліній відразу стікає в полярні області Землі. Ці протони і електрони врешті-решт по геомагнітних лініях також стікають в область полюсів, де виникає їх збільшена концентрація. Протони і електрони проводять іонізацію і збудження атомів і молекул газів. Для цього вони мають достатньо енергії, оскільки протони прилітають на Землю з енергіями 10000-20000 (1= 1.6 10 Дж), а електрони з енергіями 10-20.
Збуджені атомів газів віддають назад отриману енергію у вигляді світла, на зразок того, як це відбувається в трубках з розрідженим газом при пропусканні через них струмів.
Спектральне дослідження показує, що зелене і червоне свічення належить збудженим атомам кисню, інфрачервоне і фіолетове - молекулам азоту. Деякі лінії випромінювання кисню і азоту утворюються на висоті 110 км., а червоне свічення кисню - на висоті 200-400 км. Іншим слабким джерелом червоного світла є атоми водню, атмосфери, що утворили у верхніх шарах, з протонів тих, що прилетіли з Сонця. Захопивши електрон, такий протон перетворюється на збуджений атом водню і випромінює червоне світло.
Спалахи сяйв відбуваються зазвичай через день-два після спалахів на Сонці. Це підтверджує зв'язок між цими явищами. Дослідження за допомогою ракет показало, що в місцях більшої інтенсивності сяйв є значніша іонізація газів електронами.
Останнім часом учені встановили, що полярні сяйва інтенсивніші у берегів океанів і морів.
Але наукове пояснення всіх явищ, пов'язаних з полярними сяйвами, зустрічає ряд труднощів. Наприклад, невідомий точно механізм прискорення частинок до вказаних енергій, не цілком ясні їх траєкторії в навколоземному просторі, не все сходиться кількісно в енергетичному балансі іонізації і збудження частинок, не цілком ясний механізм утворення свічення різних видів, неясне походження звуків.
Висновок.
Практичне значення оптики і її вплив на інші галузі знання виключно великі. Область явищ, що вивчається фізичною оптикою, вельми обширна. Оптичні явища найтіснішим чином пов'язані з явищами, що вивчаються в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідження відносяться до найбільш тонким і точним. Тому недивно, що оптиці впродовж тривалого часу належала провідна роль в дуже багатьох фундаментальних дослідженнях і розвитку основних фізичних переконань. Досить сказати, що обидві основні фізичні теорії минулого сторіччя - теорія відносності і теорія квантів - зародилися і в значній мірі розвинулися на грунті оптичних досліджень. Винахід лазерів відкрив нові щонайширші можливості не тільки в оптиці, але і в її застосуваннях в різних галузях науки і техніки.
Страницы: 1, 2, 3
