Оптические загадки атмосферы Интерференция, дифракция, рассеяние и преломление света

Оптические загадки
атмосферы
Интерференция, дифракция,
рассеяние и преломление света
в атмосфере
Курин Владислав Викторович,
Институт Физики Микроструктур РАН,
Нижний Новгород
Речь пойдет о физическом
объяснении таких явлений
• «Лучи» и тени
• Рефракционные явления - миражи
• Радуга и другие эффекты рассеяния на
каплях воды
• Гало – рассеяние на кристаллах льда
• Ложные солнца
Использованы фотографии с сайтов
http://www.atoptics.co.uk/
http://www.weather-photography.com
http://mintaka.sdsu.edu/GF/
«Лучи» и тени.
Сумеречные «лучи»
Лунные «лучи»
Образование «лучей» и перспектива
Объясняется в рамках геометрической оптики
Дифракция и геометрическая
оптика
x
F 2
a
• Параметр Френеля
a
x
F  1
F 1
Геометрическая оптика
Дифракция
Соотношение между геометрической и
волновой картиной
• Волна
• Фаза
cos[t   ( x, y, z )]
z
y
t   ( x, y, z )
• Волновой фронт-поверхность
• Лучи – нормали к
волновым фронтам
x
 ( x, y, z )  const
z
x
Миражи (mirror image) mirage
• Миражи с двумя изображенями
– Нижний мираж (перевернутое изображение
под прямым)
– Верхний мираж (перевернутое над прямым)
• Мираж с тремя изображениями
(перевернутое между 2 прямыми)
• Фата-Моргана –чередование
искаженных прямых и перевернутых
изображений (Фея Моргана, героиня легенд о
короле Артуре, живет на морском дне и обманывает
путешественников призрачными видениями)
Миражи
Явления обусловленные преломлением света неоднородно
нагретой атмосферой
Неоднородная атмосфера
действует как линза, отклоняя
лучи в большие n
Показатель преломления n
n    1/ T
Понижение температуры
y
x
Нижние миражи
Space Shuttle Columbia in the Mirage
Закатный мираж
Закат «Этрусская ваза»-W sunset
Моделирование
Ход лучей при миражах
Ход лучей при наличии инверсионного
слоя
Волноводное распространение из-за
полного внутреннего отражения
Оптический атмосферный волновод
Высота
Температура
x
Уплощенное солнце-верхний мираж
Двойной закат
Зеленый луч на побережье Орегона
Последовательные фазы заката
Mock mirage simulation
Weak inversion
Ducted mirage
Зеленый луч-green flash
Загоризонтные видение и волноводное
распространение
Миражи- «фата-моргана»несколько инверсионных слоев
Описаны случаи видения на несколько сотен километров
Фата-моргана у берегов Норвегии
Дифракция или рассеяние света на
каплях воды
•
•
•
•
Радуга
Корона или венцы
Сияние
Переливчатость, игра цветов
Теория радуги:
• Геометрооптический подход: Р. Декарт, 1637
•Волновой подход: Эйри, 1836
Теория короны: Фраунгофер,
Типичная радуга
Еще одна
Ход лучей в капле d>>
d

Прицельный параметр

Угол рассеяния
  
d
Зависимость угла рассеяния от
прицельного параметра
Лучи 1-го
порядка

min  137
Лучи 2-го
порядка
min  127
0
 a
Существуют предельные углы рассеяния!!!

В приближении ГО интенсивность света в
экстремальных направлениях бесконечна
d
d
d
Свет из трубки
d
попадает в угол
d
d
но в экстремуме

d  0
Зависимость интенсивности от угла
в приближении ГО
I
Каустика
Радуга 1-го
порядка
Радуга 2-го
порядка

Темная полоса
Александра
Распределение интенсивности от угла
вблизи каустики при учете конечности 
I
Свет
Каустика
ГО
Тень
0
Функция Эйри
Волновой фронт вблизи предельного угла
Показатель преломления зависит
от длины волны!
I
Свет
Каустика синего
Каустика красного
Главная радуга
Побочные радуги
Тень
0
Вид побочных дифракционных радуг
Побочные радуги 2-го порядка
Отраженная радуга
Двойная радуга – до сих пор не имеет
общепринятого объяснения
Туманная радуга – радуга от маленьких капель
Лунная туманная радуга
Зависимость от размера капель
Корона-рассеяние вперед на маленьких каплях
Образование короны. Картина волновых
фронтов
Переливчатые облака
Сияние - рассеяние близкое к обратному
Сияние в туманном лесу
Сияние в горах
Дифракция света на больших каплях a=1mm
Дифракция света на маленьких каплях a=20mm
Рассеяние на кристаллах льда. Гало.
• Кристаллы
льда
• Призмы
• Пластинки
Часто наблюдаемые гало. Схема
Зенитальная арка
Касательные арки
Синий и красный лучи образуют
верхнюю и нижнюю касательные арки
22 круговое гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Формирование 22 гало
Sundogs-схема
22 гало от ориентированных
гексагональных пластин
Sundogs
Это все.
Спасибо.