Световые явления в атмосфере. Jl. Оптические явления. Двойная, узкая и широкая радуга

Смерчи и ураганы.

Известный кинорежиссёр Э.А. Рязанов прекрасно сказал стихами:

"У природы нет плохой погоды
Всякая погода - благодать.
Дождь и снег, любое время года
Надо благодарно принимать."

Мы полностью соглашаемся с этими добрыми, полными любви к родной природе словами Эльдара Александровича. Однако должны заметить, что иногда погода портится до такой степени, что становится мало похожей на благодать. К сожалению, это случается нередко. Мы имеем в виду такие погодные явления, как смерчи и ураганы.

Смерч - это атмосферный вихрь с вертикальной, иногда изогнутой осью вращения. Он возникает из-за неустойчивости атмосферы на границе раздела тёплого и холодного воздуха. Смерч, как правило, рождается из дождевой тучи. Эта туча называется материнской и обычно находится на высоте до 10 километров, т.е. на границах раздела, которые отделяют воздушные массы с различной скоростью ветра, с разными температурами и влажностью воздуха. Из тучи холодный воздух опускается на поверхность земли, навстречу тёплому воздуху, поднимающемуся вверх. Возникает вращательное движение воздуха - смерч. Внутри смерча давление сильно падает - до величины ниже 700 мбар (нормальное атмосферное давление равно 1013 мбар). Смерч, опустившись на поверхность земли, с шумом закручивает и словно гигантский пылесос засасывает в себя пыль, песок, воду, траву, камни и другие предметы.

Движутся смерчи с той скоростью, с которой их гонит ветер: 30-60 км/час. Среднее расстояние, которое проходит смерч - около 25 километров, а средняя ширина захвата смерча (своего рода средний диаметр) составляет 150 метров.

Смерч оценивается в баллах от 0 до 5 в зависимости от его интенсивности и вызываемых последствий (разрушений). Интенсивность смерча обусловлена скоростью внутреннего ветра, которая может составлять от 18 до 140 метров в секунду. Поэтому характер разрушений, причиняемых смерчем, бывает самый различный - от слабых до катастрофических.

В Америке и Западной Европе используются термины "торнадо" и "тромб". Эти слова являются синонимами слова "смерч", т.к. обозначают одно и то же явление - вращающийся вихрь (tornado по-испански "вращающийся", tromb по-французски "труба" - форма вихря по вертикали). Кстати, направление вращения воздуха в воронке смерча в северном полушарии - против часовой стрелки, а в южном - по часовой стрелке, что является результатом действия т.н. силы Кориолиса, зависящей от вращения Земли. Действие этой силы вы можете наблюдать ежедневно, когда из ванны выпускаете воду: возникший водоворот закручивается против часовой стрелки (мы обращаемся в данном случае к жителям северного полушария нашей планеты).

Если говорить о территории России, то здесь смерчи - довольно редкое явление. В среднем они случаются два раза в год, обычно летом (июнь-июль) и чаще всего - после полудня, т.е. в часы максимального переноса тепла и воздушных масс в атмосфере.

Вот несколько примеров смерчей, случившихся в России. Самыми разрушительными были смерчи, которые пронеслись по Москве 29 июня 1904 года и по Иваново 9 июня 1984 года. "Пробег" первого смерча составил только 30 километров, а второго - 160. Смерч 1904 года в московском парке Сокольники повалил почти все деревья, а некоторые из них вырвал с корнями. В Иваново смерч прошёл полосой в 500 метров в направлении на север, срывал крыши домов, валил деревья, столбы и опоры линий электропередач, переворачивал вагоны, не говоря уже об автомобилях.

Самым большим по диаметру - до 1 километра был смерч, который прошёл по Башкирскому заповеднику в июле 1935 года.

Если для России смерчи - редкость, то в США торнадо (так здесь обычно называют смерчи) - сущее национальное бедствие: ведь в среднем по стране они случаются не реже двух раз в день (!) Видимо, такова "расплата" США за их географическое положение между льдами Аляски и Канады и тёплым Мексиканским заливом.

Теперь коротко об ураганах. Ураган - это ветер со скоростью более 33 метров в секунду (т.е. 120 км/час и больше), дующий продолжительное время (несколько часов и даже суток).

По международной шкале Бофорта скорость ветра оценивается баллами: всего 17 баллов, включая нулевой. Нулевым баллом оценивается штиль - скорость ветра равна 0,0 - 0,2 м/с; видимое действие ветра - дым поднимается вертикально, листья на деревьях неподвижны.

Ветер в 11 баллов имеет скорость 28,5 - 32,6 м/с и характеризуется как жестокий шторм, несущий большие разрушения.
Ветер в 12 баллов имеет скорость 32,7 - 36,9 м/с и характеризуется как ураган, несущий опустошительные разрушения.
Баллами 13-17 оцениваются ураганы со скоростями ветра 37 м/с и больше.

В метеорологии используется также понятие шквального ветра или шквальной бури. Так называют ветры, которые быстро (в течение 10-15 минут) достигают ураганной скорости (33 м/с) и так же быстро теряют эту скорость до 1-2 м/с.

Последствиями шквального ветра на суше могут быть разрушения лёгких построек, перевёрнутые автомобили, поваленные деревья, а на море шквальный ветер грозит реальной катастрофой даже крупным судам.

Существует также шкала категорий ураганов, так называемая шкала Саффир-Симпсона. Эта шкала делит все ураганы на пять категорий в зависимости от атмосферного давления в глазе (т.е. в центре), скорости ветра и причиняемого ущерба.

К урагану первой (низшей) категории относится ураган со скоростью ветра 34-42 м/с при давлении в глазе свыше 980 мбар; причиняемый ущерб - незначительный. Ураган пятой (высшей) категории характеризуется атмосферным давлением в глазе ниже 920 мбар и скоростью ветра выше 68 м/с (выше 245 км/час); причиняемый ущерб - колоссальный.

Тайфуны - опасное явление природы.

Отдельно нужно рассказать о таких явлениях, как тайфуны. Это тоже атмосферные вихри, но порождаются они тропическими циклонами. Циклон - это область пониженного давления в атмосфере с минимумом в центре. Основным районом возникновения тропических циклонов является акватория всех океанов, примыкающая к экватору и заключённая между параллелями 10-20 градусов северной и южной широт. Тропический циклон образуется там, где поверхность воды имеет высокую температуру (27°С и выше), превышающую температуру прилегающего воздуха на 2-3°С и более.

Тёплый и влажный воздух поднимается вверх, и огромные его массы за счет вращения Земли начинают круговое движение с одновременным смещением в район более низкого атмосферного давления. При значительном перепаде давления между серединой и периферией циклона скорость ветра вокруг середины быстро возрастает. Если она достигает ураганной силы - 33 м/с и более, а в отдельных случаях - до 100 м/с, это означает, что циклон превратился в тайфун. Такова упрощенная схема образования тайфуна.

Тайфуны отличаются огромными размерами: их поперечник (ширина захвата) достигает 300-700 километров, а в отдельных случаях - до 1000 км, высота - от 5 до 15 км. Тёплый и влажный воздух, поднявшийся вверх, образует над районом тайфуна дождевые облака, несущие огромное количество воды. Принесённые тайфуном проливные дожди продолжаются часами и нередко приводят к наводнениям.

Зародившиеся в северо-западной части тропической зоны Тихого океана тайфуны демонстрируют свою разрушительную мощь на южных берегах Китая и Кореи, на севере Вьетнама, на восточных берегах Японии и Курильских островов. Не оставляют они в покое и Приморский край России, а также Сахалин и Камчатку.

Название "тайфун" по-китайски означает "сильный ветер" и используется для обозначения тропических циклонов, буйствующих в только что перечисленных районах. Циклоны подобной силы, бушующие в восточной части Тихого океана и в Атлантике, называют ураганами, а такие же явления у берегов Индостана называют штормами или просто циклонами.

Циклоны возникают и в умеренных широтах, хотя значительно реже, чем в тропических. Конечно, не каждый циклон набирает ураганную силу и превращается в тайфун. Ежегодно на земном шаре бушует в среднем 20-25 тайфунов.

Циклоны - это гигантские возмущения атмосферного воздуха, связанные с резкими колебаниями давления и температуры воздушных масс. Эти колебания, а значит, и колебания погоды в огромных районах Земли, зависят в основном от взаимодействия океана и атмосферы, от характера обмена энергией и влагой между ними. Механизм зарождения циклонов не совсем ясен. Очень сложно с достаточной степенью достоверности определить, где и когда возникнет циклон, т.к. среди прочих факторов необходимо учитывать не только общий характер циркуляции атмосферы, но и особенности воздушных течений в каждом конкретном районе. Исследования циклонов затруднены, в частности, и тем, что обычно не удаётся своевременно доставить научную аппаратуру к месту события: циклоны существуют всего несколько суток (по крайней мере - в начальной стадии). Кроме того, на Земле, особенно в акватории океанов, есть немало труднодоступных районов, куда доставить научную аппаратуру вообще нет возможности.

В последние годы исследования циклонов становятся более эффективными за счёт использования специальных аэрозондов, оснащённых необходимыми измерительными приборами и спускаемых по команде с Земли с космических аппаратов, производящих мониторинг соответствующих районов акватории Мирового океана.

Большой вред людям наносят метеорологические явления : бури, ураганы, штормы, смерчи. Из исторических хроник они известны с давних пор. Особо большой урон наносят смерч (торнадо). В США от них особенно страдают штаты Техас и Огайо. Самый сильный из них 18 марта 1926 г. в течение трех часов свирепствовал над Средним Западом США и унес почти 700 человеческих жизней. Не менее опасны ураганы. Один из них в 1928 г. обрушился на североамериканский континент. Он нанес штату Флорида ущерб в размере 25 млн. долларов США. Тайфун в 1934 г. в Японии разрушил 30 тыс. домов, вывел из строя огромное количество морских судов, погубил около 3 тыс. человек. В 1970 г. ураган обрушился на Восточный Пакистан. Площадь влияния катастрофы составила 7,8 тыс. кв. км. Число жертв колеблется от 160 до 500 тыс. человек. Число пострадавших составило 3 млн. человек. Катастрофический тайфун «Фифи» в Гондурасе погубил 10 тыс. человек и парализовал экономику страны. В 1992 г. ураган «Эндрю» прошелся по штату Флорида (США). В ночь на 3 мая 1999 г. по штатам Оклахома и Канзас (США) прошли сразу несколько мощных торнадо, опустошивших значительные территории. Эти смерчи, названные «ночными убийцами», за короткое время унесли жизни около 50 человек.

Сильный ветер характерен и для России. Летописи и более поздние документы свидетельствуют о многочисленных стихийных бедствиях в России, связанных с сильными ветрами. Еще в XIII веке летописцы зафиксировали имевшие место на Руси бури, погубившие многих людей и скот. В летописях отмечается, что «ураганные порывы ветра поднимают в воздух многие дворы и уносят их вместе с людьми и их бытом». В 1422 г. Новгород потрясен ураганными бурями. В 1827 – 1828 гг. В Саратовской губернии от бурь погибло около 1 млн. овец, около 300 тыс. лошадей, больше 70 тыс. голов крупного рогатого скота. Сильные бури в 1847 г. обрушились на Орловскую, Костромскую, Вологодскую, Астраханскую, Московскую и другие губернии. Всего по XIX век включительно на территории России зафиксировано более 130 “великих бурь”.

Последние десятилетия XX века также отмечены стихийными бедствиями, связанными с ураганами, штормами, смерчами. 1 июля 1974 г. шквалы, ураганные ветры, ливень, град охватили Белгородскую и Курскую области. В 1984 г. смерчи прошли над Костромской, Ивановской, Ярославской, Калининской, Горьковской, Московской областями. Они сопровождались огромными разрушениями производственных и жилых объектов, сельских населенных пунктов, потерями среди населения. В 1986 г. шквальный ветер с дождем обрушился на Удмуртскую АССР, Воронежскую и Пермскую области. Тогда было повреждено более 3 тыс. зданий, имелись человеческие жертвы. В 1990 г. действию урагана подверглась Воркута, погибло 70 человек. В 1993 г. ураганы прошли по Калининградской области, Кольскому полуострову. В 1995 г. циклон «Анжела» нанес большой ущерб о. Сахалин, Камчатке, Хабаровскому краю.

Ураганы, смерчи, бури относятся к ветровым метеорологическим явлениям . Ветер – это движение воздуха относительно земной поверхности, возникающее в результате неравномерного распределения атмосферного давления и направленное от области высокого давления к области с более низким давлением. Он характеризуется направлением и скоростью (силой). Направление определяется азимутом стороны горизонта, откуда он дует. Сила ветра измеряется в метрах в секунду, в километрах в час или приближенно в баллах по шкале Бофорта. Шкала Бофорта служит для выражения силы ветра в баллах по визуальной оценке (табл. 4.6). Она принята Всемирной метеорологической организацией в 1963 г.

Таблица 4.6. Шкала Бофорта

Смерч

Смерчи, даже если они небольшие - самые мощные в природе ураганы. Крутясь и извиваясь, как змеи, выползают они из туч и, спускаясь к земле, причиняют огромные опустошения, разрушая дома, разбрасывая, как мячики, автомобили и вырывая с корнями деревья. Те, кто пережил встречу со смерчем, рассказывают, что на месте происшествия находили соломинки, вбитые в стволы деревьев, как гвозди. Звук приближающегося смерча подобен грохоту гигантского по длине товарного состава.

Соединенные Штаты Америки (США) - чемпион по количеству смерчей. В год в США в среднем бывает до 700 смерчей (в одних штатах смерчи бывают чаще, чем в других). В 1953 году на Аляске был один – единственный смерч, в то время как в Канзасе - больше 1200. На втором месте после США идет Австралия со своими жалкими 15 смерчами в год.

Как образуется смерч или торнадо?

К большой грозовой туче добавляется ветер, дующий в противоположном направлении. Когда этот встречный ветер достигнет тучи, он направляется резко вверх. Если вы посмотрите на вершину грозовой тучи, то увидите, как она вихрем закручивается вверх, а затем опадает вниз, в то время как мощные потоки восходящего воздуха пробуравливают тучу в направлении снизу вверх. Иногда этот восходящий поток, встречаясь с противоположно направленным потоком воздуха в туче, начинает закручиваться.

Материалы по теме:

Почему подросток не слушается родителей?

Почему смерчи чаще всего бывают в США?

В США смерчи называют торнадо. Высоко над Скалистыми горами дуют мощные западные ветры. Вырываясь на равнину, они встречают низкие теплые влажные ветры с Мексиканского залива. Эти воздушные массы сталкиваются над центральными штатами, формируя сильные ураганы и торнадо.

Природа смерча и торнадо

Крутящийся столб поднимающегося воздуха называется мезоциклоном. Эта масса крутящегося воздуха и облако, как горловина слива в ванне, наполненной водой, называется вортексом (водоворотом). В центре вортекса атмосферное давление падает, и в горловину водоворота засасывается все больше воздуха. Никто не знает точно, насколько снижается давление в центре смерча, но некоторые ученые считают, что до половины нормального атмосферного давления.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока: сформировать представление об оптических явлениях в атмосфере..

Планируемый результат: учащиеся должны знать / понимать и объяснять как возникают атмосферные явления, связанные с отражением солнечного света; явления, связанные с электричеством.

Основные термины и понятия: оптические явления в атмосфере, радуга, мираж, гало, полярное сияние, молния, “Огни Святого Эльма”.

Ресурсы:
– учебник – стр. 106–109;
– электронное приложение к учебнику;
– презентация к уроку.

Оборудование:
– Проектор;
– Экран;
– Компьютер у учителя;
– Ноутбуки на каждой парте;
– Сосуд в восточном стиле;
– Костюм для Старика Хоттабыча.

Ход урока

–Есть ли, дети, одеяло,
Чтоб всю Землю укрывало?
Чтоб его на всех хватало,
Да при том не видно было?
Не сложить, не развернуть,
Не пощупать, не взглянуть?
Пропускало б дождь и свет,
Есть, а вроде бы и нет?
– Что это за одеяло? (Атмосфера-воздушная оболочка Земли.)

И мы продолжаем с вами изучать тему “Атмосфера”. Вначале я вам задам несколько вопросов:

1. Из чего состоит атмосфера Земли? (Смесь газов, мельчайших капель воды и кристалликов льда, пыль, сажа, органические вещества.)

2. В каком виде влага содержится в воздухе? (Вод. пар, капельки воды и кристаллики льда.)

3. Атмосфера не однородна, в ней выделяется несколько слоев? (Тропо-страто-мезо-термо-экзо-ионосфера.)

4. В каких слоях возникает полярное сияние? (Ионосфера.)

– Полярное сияние, молнии, миражи пугали в древности людей. Сегодня ученым удалось раскрыть тайны этих загадочных явлений. И тема нашего урока “Оптические явления в атмосфере”.

А что это за загадочный сосуд стоит у меня на столе? Вы не знаете? Давайте посмотрим?

(Открывает сосуд, из него валит дым, появляется старик Хоттабыч.)

– Апчхи! Приветствую тебя, о мудрый мой повелитель! (Д алее слова Хоттабыча , которого играет один из учащихся, выделены подчеркнутым шрифтом. )
– Вы откуда? Вы из театра?
– О, нет, мой повелитель! Я вот из этого сосуда!
– Так Вы..?
– Да, Я – могучий и прославленный во всех четырех странах света джинн Гассан Абдурахман ибн Хоттаб, то есть сын Хоттаба!
– Хоттабыч?!
– А кто эти прекрасные отроки?
– А это ученики 6 "А" класса, и у нас сейчас урок географии.
– Урок географии! Знайте же, о прекраснейшие из прекрасных, что вам неслыханно повезло, ибо я богат знаниями по географии. Я научу вас, и вы прославитесь среди учеников своей школы и среди учеников всех школ вашего края!
– Мы очень рады этому, уважаемый Хоттабыч .
– А что это за волшебные черные коробочки, которые лежат перед вами?
– Это компьютеры, с помощью которых современные дети изучают географию. Я приглашаю Вас, уважаемый Хоттабыч, сегодня поработать с нами. А ребят я попрошу открыть экран урока "Оптические явления в Атмосфере. Как вы думаете, что же такое оптические явления? (световые, зрительные).
Сегодня мы познакомимся с некоторыми оптическими явлениями, заполним таблицу, которая лежит перед вами. Ну а наш уважаемый Хоттабыч расскажет нам, как древние ученые представляли то или иное явление.

Итак, начинаем!

Явления, связанные с отражением солнечного света.

Радуга – Прошел летний дождь, и вновь засияло солнце. И как по волшебству в небе появилась радуга-дуга.

Я знаю, радугу создал Бог древнего Вавилона в знак того, что он решил прекратить всемирный потоп.

А что по этому поводу думают современные ученые?

Солнечный свет кажется нам белым, но в действительности он состоит из световых волн 7 цветов: красного, оранжевого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Проходя сквозь капли воды, солнечный луч преломляется и распадается на разные цвета. Вот отчего после дождя или около водопадов можно наблюдать радугу. (делают запись в таблице).

– Многие путешественники по пустыням становятся свидетелями другого атмосферного явления – Миража.

Древние египтяне верили, что мираж– это призрак страны, которой больше нет на свете.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию)

Почему же возникают миражи? Это происходит, когда раскаленный над поверхностью воздух поднимается вверх. Его плотность начинает возрастать. Воздух при различной температуре обладает различной плотностью, и луч света, переходя из слоя в слой, будет изгибаться, зрительно приближая объект. М. возникают над раскаленной(пустыня, асфальт), либо, напротив, над охлажденной поверхностью (водой).-записи.

Гало. В морозную погоду вокруг Солнца и Луны появляются ярко выраженные кольца – Гало .

– Это значит, что в это время происходит шабаш ведьм.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Они возникают, когда свет отражается в кристаллах льда перисто-слоистых облаков. Венцы – несколько вложенных в друг друга колец.(Записи.)
Воздух не проводит электричество, но в некоторых случаях обнаруживается, что он просто переполнен электричеством.

Явления, связанные с электричеством.

Полярное сияние – Жители приполярных районов могут любоваться Полярным сиянием.

– Это самосветящийся воздух выходит через дырку в Земле.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Солнце посылает на Землю поток электрически заряженных частиц, которые сталкиваются с частичками воздуха и начинают светиться.(Записи.)

Молния –"Летит огневая стрела, никто ее не поймает-ни царь, ни царица, ни красна девица.

– Это Бог Перунпоражает своим каменным оружием змея.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Видимый электрический разряд между облаками, или между облаком и землей. Молния – гром. Воздух может нагреться внутри молнии до 30.000 гр.(это в 5 раз больше, чем на поверхности Солнца.)

Виды молнии(линейная и шаровая), чем опасны?(Записи.)

Другое явление, связанное с электрическим свечением атмосферы

"Огни Святого Эльма".

– Моряки считают его дурным знаком.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Сегодня мы с вами познакомились с некоторыми необычными явлениями в природе.

– Благодаря Хоттабычу мы узнали о взглядах древних на оптические явления в атмосфере.

– Ну а я узнал, как ваши современные ученые объясняют многие загадочные явления.

(Если будет время: я предлагаю вам проверить себя с помощью теста.)

Сегодня вы поработали хорошо, тема эта очень сложная, и более глубоко вы ее будете изучать в курсе физики в 10–11 классе.

Д.З. : выполнить тест к этому уроку.

Для желающих: из дополнительных источников информации узнайте, какие необычные атм. явления когда-либо проходили в вашей местности. Как они описаны?

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

БЕЛОЯРСКОГО РАЙОНА

«ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СРЕДНЯЯ (ПОЛНАЯ) ШКОЛА №2 Г. БЕЛОЯРСКИЙ»

Проект в номинации № 2

Тема проекта:

« Оптические явления в атмосфере »

Тарасенко Юрий Петрович

Класс 11а

Научный руководитель проекта:

Панченко-Бондаренко Галина Константиновна

Место работы

Должность

Учитель физики

Белоярский

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Тарасенко Юрий Петрович

Ханты-Мансийский автономный округ, Тюменская область,

г. Белоярский, МОСШ №2, 11а класс

Аннотация

Предлагаемая работа – это перспективная возможность помочь учителям повысить мотивацию изучения физики, как общеобразовательного предмета. Данный материал познакомит вас с любопытными явлениями, которые можно встретить в обыденной жизни и объяснит их природу с точки зрения физики. В проекте разработан список вопросов для проверки знаний учащихся по данной теме. Было проведено анкетирование, результаты которого также имеются в проекте.

1. Введение………..……………………………………………..……….……….4

2. Основная часть

2.1 Представление об оптике………………………………… ..5

2.2 Земная атмосфера, как оптическая система…………...…………5

2.3 Цвет неба……………………………………………………...……….6

2.4 Гало…………………………………………………………..…………7

2.5 Радуга…………………………………………………………..….……8

2.6Призраки Броккена……………………………………..………..….….9

2.7 Блуждающие огоньки………………………………..………….….….10

2.8 Миражи. Фата-моргана. Виды миражей……………..…………..….11

2.9 Полярные сияния. Как возникают полярные сияния…..……14

2.10 Ложные солнца………………………………………...…………...15

2.11 Световой столб……………………………………………………...16

2.12 Венцы………………………………………………………………...17

3. Анкетирование……………………………………………………………….18

4. Заключение…………………………………………………………………...19

5. Список используемой литературы………………………………………...20

6. Приложение…………………………………………………………………..21

Введение

Целью данного исследовательского проекта является рассмотрение оптических атмосферных явлений и их физической природы. Из – за ограниченного объема работы, в ней описывается лишь некоторая часть подобных явлений, таких как объяснение цвета неба (не затрагивая время утренней и вечерней зори), радуги, гало, «ложных солнц», миражей и полярных сияний. Данные явления описаны в работе достаточно подробно. Менее подробно описаны явления возникновения солнечных столбов, призраков Броккена, венцов и блуждающих огоньков.

В работе содержатся методические аспекты, касающиеся возможностей применения использованного материала в средних общеобразовательных школах.

Для большей наглядности, мною разработана презентация, содержащая редкие фотографии оптических атмосферных явлений, которая может использоваться как приложение к существующей проектной работе, и в дополнение к уже содержащимся в ней наглядным элементам.

Большим плюсом работы, на мой взгляд, является не только ее научная направленность, но и явно выраженная направленность эстетическая. Надеюсь, Вам чтение проекта доставит не меньшее удовольствие, чем мне – ее составление.

Цель проекта:

Ознакомить учащихся с оптическими явлениями в атмосфере

Отобрать литературу по данному проекту

Систематизировать информацию об оптических явлениях в атмосфере

Провести анкетирование учащихся 10х классов

Ознакомить учащихся с проектной работой.

Представление об оптике

Большинство из перечисленных видов оптики, как физическое явление, доступны нашему наблюдению только при использовании специальных технических устройств. Это могут быть лазерные установки, излучатели рентгеновских лучей, радиотелескопы, плазменные генераторы и многие другое. Но наиболее доступным и, вместе с тем, наиболее красочным оптическими явлениями являются атмосферные. Огромные по своим масштабам, они суть - порождение взаимодействия света и атмосферы земли.

Земная атмосфера, как оптическая система

Для лучей света, идущих от солнца или других небесных светил, земная атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оказываясь на их пути, она и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу атмосферы, обеспечивая освещенность земной поверхности, в определенных условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные явления. Наиболее необычные красочные из них это солнечный закат, радуга, северное сияние, мираж, солнечное и лунное гало.

Науки, занимающиеся изучением световых явлений в атмосфере

1. Метеорологическая оптика – занимается изучением атмосферных

явлений, связанных с погодой (явления цвета неба и его окраски,

поляризация небесного свода, явления миража и неправильного

преломления и отражения света в атмосфере, мерцание звезд,

радуга, круги и венцы около светил).

2. Астрономия – подробно изучает явление рефракции

(преломления света в атмосфере).

3. Атмосферное электричество – занимается изучением

атмосферных явлений электрического происхождения (молния,

огни святого Эльма и др.).

4. Атмосферная оптика – изучает преобразование солнечной энергии

и теплового излучения самой атмосферы и подстилающей

поверхности.

Цвет неба

Явление голубой окраски неба в течение дня, зависит исключительно от рассеяния света теми мелкими частицами, которые постоянно находятся в более чем достаточном количестве во взвешенном состоянии не только в нижних, но и в сравнительно высоких слоях атмосферы. Лордом Рэйлеем (Rayleigh) теоретически было доказано, что при достаточно малых размерах такие частицы обладают свойством отражать исключительно только лучи короткой длины волны, т. е. лучи голубые, синие, фиолетовые. Для понимания некоторых явлений субатомного мира полезно представить себе электроны прикрепленными к ядрам на жестких пружинах. Реакция электрона на воздействии электрического поля световой волны зависит от того, как частота волны соотносится с частотами собственных колебаний этой воображаемой пружины. Расчеты показывают, что чем короче длина световой волны, тем выше вероятность ее попадания в резонанс с собственными частотами возбуждения электронов и, соответственно, тем чаще электроны будут поглощать и вновь испускать фотоны соответствующей частоты. Следствием этого же эффекта взаимодействия света с атомами является и рассеяние света в среде. Свет, не вступавший во взаимодействие с атомами, доходит до нас напрямую. Поэтому, когда мы глядим не на источник света, а на рассеянный свет от этого источника, мы наблюдаем в нем преобладание коротких волн синей части спектра.

Вот почему небо выглядит синим, а Солнце желтоватым! Когда мы смотрим на небо в стороне от Солнца, вы видите там рассеянный солнечный свет, где преобладают короткие волны синей части спектра. Когда же вы смотрите непосредственно на Солнце, вы наблюдает спектр его излучения, из которого, путем рассеяния на атомах воздуха, удалена часть синих лучей, и изначально белый спектр Солнца смещается в желто-красную область при прохождении через атмосферу

Гало

Гало (от греч. - «круг», «диск»; также аура, нимб, ореол) - это явление преломления и отражения света в ледяных кристалликах облаков верхнего яруса; представляют собой светлые или радужные круги вокруг Солнца или Луны, отделенные от светила темным промежутком. Гало часто наблюдаются в передней части циклонов (в перисто-слоистых облаках на высоте 5-10 км их теплого фронта) и поэтому могут служить признаком их приближения. Иногда можно наблюдать и лунные гало. В другого рода призмах высота очень мала сравнительно с сечением; тогда получаются шестисторонние плоские таблички. Иногда, наконец, ледяные кристаллики принимают форму призмы, сечение которой представляет собой шестилучевую звезду.

Обыкновенный круг или малое гало - это блестящий круг (черт. 2), окружающий светило, его радиус - около 22°; он окрашен в красноватый цвет с внутренней стороны, затем слабо заметен желтый, далее цвет переходит в белый и постепенно сливается с общим голубоватым тоном неба. Пространство внутри круга кажется сравнительно темным; внутренняя граница круга резко очерчена. Круг этот образуется преломлением света в ледяных иглах, носящихся во всевозможных положениях в воздухе. Угол наименьшего отклонения лучей в ледяной призме - приблизительно 22°, поэтому все лучи, прошедшие сквозь кристаллики, должны показаться наблюдателю отклоненными от источника света по крайней мере на 22°; отсюда - темнота внутреннего пространства. Красный цвет, как наименее преломляемый, покажется и наименее отклоненным от светила; за ним идет желтый; остальные лучи, смешиваясь между собой, дадут впечатление белого цвета.

Радуга

Радуга – это оптическое явление, возникающее в атмосфере и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. Наблюдается она в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба. Центр дуги радуги находится в направлении прямой, проходящей через солнечный диск (хотя бы и скрытый от наблюдения тучами) и глаз наблюдателя, т.е. в точке, противоположной Солнцу. Дуга радуги представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки радиусом в 42°30" (в угловом измерении).

Наблюдатель иногда может одновременно увидеть несколько радуг – главную, побочную и вторичные. Главная радуга представляет собой цветную дугу на каплях удаляющейся дождевой пелены и возникает она всегда со стороны неба, противоположной Солнцу. При Солнце на горизонте высота верхнего края главной радуги составляет в угловой мере 42°30". При подъеме Солнца над горизонтом видимая часть радуги понижается. Когда Солнце достигает высоты 42°30", для наблюдателя на земной поверхности радуга будет не видна, однако если в момент ее исчезновения подняться на башню или мачту корабля, то радугу можно увидеть снова.

Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя.

Положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к Солнцу, а угловые размеры радуги определяются высотой Солнца над горизонтом. Наблюдатель есть вершина конуса, ось которого направлена по линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем. Радуга есть находящаяся над линией горизонта часть окружности основания этого конуса. При передвижениях наблюдателя указанный конус, а значит, и радуга, соответствующим образом перемещаются.

Здесь необходимо сделать два пояснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем, то имеем в виду не истинное, а наблюдаемое направление на Солнце. Оно отличается от истинного на угол рефракции.

Во-вторых, когда мы говорим о радуге над линией горизонта, то имеем в виду относительно далекую радугу - когда завеса дождя удалена от нас на несколько километров.

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.

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 (CH 4) или фосфина (PH 3). Блуждающие огоньки имеют разную форму, иногда даже шаровидную.

Миражи

Мираж - атмосферическое явление, благодаря которому при известных обстоятельствах делаются в какой-либо местности видными предметы, действительное местонахождение которых вдали от места их наблюдения зрителем. Оно объясняется полным отражением лучей на границе двух слоев воздуха, имеющих различные температуры, если луч света падает с очень сильным наклоном на граничную плоскость.

Если зритель и отдаленный предмет находятся на лишь немного повышенных точках и между ними лежит сильно нагретая солнцем песчаная почва, сообщающая свою теплоту ближайшим слоям воздуха и тем нагревающая их сильнее слоев, выше расположенных, зритель видит предмет в его действительном положении при посредстве лучей, прямо от предмета идущих к нему, и во-вторых, в перевернутом положении, при посредстве лучей, сначала идущих от предмета книзу, потом, при встрече с более теплыми и поэтому более редкими слоями воздуха, подвергающихся отражению и идущих к глазу наблюдателя, видящего предмет как бы отраженным в воде. Это объяснение дал еще Монж в "M é moires de l"Institut d"Egypte". Если сильно нагретый теплый слой не внизу, но вверху наблюдателя и наблюдаемого предмета, находящихся в более плотном холодном слое, - может также получиться явление миража, но только по направлению кверху.

Таким образом наблюдаемые в опрокинутом виде над горизонтом, например, корабли, башни, замки и т. д. суть изображения действительных предметов.

В некоторых местностях, в Неаполе, Реджио, на берегу Сицилийского пролива, на больших песчаных равнинах (утром, когда еще нижние слои воздуха холоднее верхних, уже согретых солнцем), в Персии, Туркестане, Египте, часто наблюдается это явление, называемое фата-морганой .

Фата-моргана

Фа́та-морга́на - редко встречающееся сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдаленные объекты видны многократно и с разнообразными искажениями.

Фата-моргана возникает в тех случаях, когда в нижних слоях атмосферы образуется (обычно вследствие разницы температур) несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также и преломления лучей, реально существующие объекты дают на горизонте или над ним по нескольку искаженных изображений, частично накладывающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создает причудливую картину фата-морганы.

Объяснение нижнего («озерного») миража

Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз.

Наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба.

Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.

П ростые верхние миражи

Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение.

Двойные и тройные миражи

Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области 1 будут искривляться быстрее, чем в области 2. В результате возникают два изображения. Световые лучи, распространяющиеся в пределах воздушной области 1, формируют перевернутое изображение объекта. Лучи, распространяющиеся в основном в пределах области 2, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Чтобы понять, как появляется тройной мираж, нужно представить три последовательный воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшается медленно.

Мираж сверхдальнего видения

Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча должна быть все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Хрономиражи

Хрономиражи – таинственные явления, не получившие научного объяснения. Никакими известными законами физики нельзя объяснить, почему миражи могут отражать события, происходящие на некотором расстоянии не только в пространстве, но и во времени. Особую известность получили миражи когда-то прошедших на земле сражений и битв. В ноябре 1956 года несколько туристов заночевали в горах Шотландии. Часа в три утра они проснулись от странного шума, выглянули из палатки и увидели десятки шотландских стрелков в старинной военной форме, которые, стреляя, бежали через каменистое поле! Потом видение исчезло, не оставив никаких следов, но уже через сутки повторилось. Шотландские стрелки, все израненные, брели по полю, спотыкаясь о камни.

По одной из теорий, при особом стечении природных факторов зрительная информация запечатлевается во времени и пространстве. А при совпадении определенных атмосферных, погодных и т.п. условий она вновь становится зримой для посторонних наблюдателей.

Миражи – следовики

Класс явлений, также не получивший научного обоснования. К нему относят миражи, которые после своего исчезновения оставляют материальные следы. Известно, что в марте 1997 г. С неба в Англии падали свежие зрелые орехи. Выдвигают несколько объяснений природы возникновения данных следов.

Первое – эти следы не имеют к миражу непосредственного отношения. «После этого» - не значит «вследствие этого». Самое сложное – установление общей достоверности самих фактов подобных явлений.

Другое объяснение – разность температурных слоев приводит к образованию вихревого эффекта, засасывающего в атмосферу различный мусор. Движение воздушных потоков доставляет «поглощенное» в область образования миража. После выравнивания температур «небесная картина» исчезает, а мусор выпадает на землю.

Полярные сияния

Полярное сияние - свечение (люминесценции) верхних слоев атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра. 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 он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды.

Различают четыре типа 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;

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.

Как возникают полярные сияния

Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» - поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетают на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Ложные солнца

Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Он образуется из-за отражения 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 градусов. 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.

Световой столб

Световой, или солнечный, столб представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами. Подвешенные в воздухе плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если солнце находится на высоте 6 градусов над горизонтом, либо позади него, столбовидные - если солнце находится на высоте 20 градусов над горизонтом. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения.

Венцы

Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой размер (он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капель в облаках) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман. Явления венцов возникают в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капель (обычно это высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счет дифракции. Венцы возникают также в тумане около искусственных источников света. Основная, а часто единственная часть венца - светлый круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила (или искусственный источник света). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю - красноватый. Его называют также ореолом или короной. Он может быть окружен одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу. Радиус ореола 1-5°. Он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капель в облаках.. 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.

Анкетирование

Как появляется радуга?

Что влияет на цвет неба?

Можно ли повторить оптические явления в лабораторных условиях?

Чем объясняется отклонение луча в атмосфере?

Сколько цветов имеет свет?

Почему воздух прозрачен?

Какого цвета космос?

Можно ли промчаться по радуге на коне?

Мираж – это действительность или обман зрения?

Заключение

Физическая природа света интересовала людей с незапамятных времен. Многие выдающиеся ученные, на всем протяжении развития научной мысли, бились над решением этой проблемы. Со временем, была открыта и сложность обыкновенного белого луча, и его способность менять свое поведение в зависимости от окружающей среды, и его умение проявлять признаки, присущие как вещественным элементам, так и природе электромагнитных излучений. Световой луч, подвергнутый различным техническим воздействиям, стал применяться в науке и технике в диапазоне от режущего инструмента, способного с точностью до микрона обработать нужную деталь, до невесомого канала передачи информации с, практически, неисчерпаемыми возможностями.

Но, прежде чем утвердился современный взгляд на природу света, и световой луч нашел свое применение в жизни человека, были выявлены, описаны, научно обоснованы и экспериментально подтверждены многие оптические явления, повсеместно возникающие в атмосфере земли, от известной каждому радуги, до сложных, периодических миражей. Но, не смотря на это, причудливая игра света всегда привлекала и привлекает человека. Никого не оставляет равнодушным ни созерцание зимнего гало, ни яркого солнечного заката, ни широкой, в пол неба, полосы северного сияния, ни скромной лунной дорожки на водной глади. Световой луч, проходя сквозь атмосферу нашей планеты, не просто освещает ее, но и придает ей неповторимый вид, делая прекрасной.

Конечно, в атмосфере нашей планеты происходит значительно больше оптических явлений, чем рассматривается в этой курсовой работе. Среди них есть как хорошо знакомые нам и разгаданные учеными, так и те, которые еще ждут своих первооткрывателей. И нам остается лишь надеяться, что, со временем, мы станем свидетелями все новых и новых открытий в области оптических атмосферных явлений, свидетельствующих о многогранности обыкновенного светового луча.

Список используемой литературы

Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. «Курс общей физики»

Королев Ф.А. «Курс физики» М., «Просвещение» 1988 г.

Ресурсы интернет.

Приложение

Цвет неба