Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» (РГГМУ) Кафедра метеорологии, климатологии и охраны атмосферы КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Метеорология» на тему: «Оптические явления, связанные с рассеянием, преломлением света в атмосфере при наличии жидкой и твердой фазы воды» Студент: Жоховский А. Е. Преподаватель: Мханна А. И. Н. Дата сдачи: _______________ Дата защиты: _____________ Оценка: __________________ Санкт-Петербург 2022 Оглавление Введение............................................................................................................... 3 Глава 1. Радуга .................................................................................................... 4 Обычная радуга ................................................................................................ 4 Белая радуга...................................................................................................... 6 Огненная радуга ............................................................................................... 7 Кольцевая радуга ............................................................................................. 8 Перевернутая радуга ........................................................................................ 9 Лунная радуга ................................................................................................. 10 Глава 2. Гало ...................................................................................................... 11 Глава 3. Венцы................................................................................................... 14 Глава 4. Паргелий.............................................................................................. 16 Глава 5. Глория и Брокенский призрак........................................................... 17 Глория ............................................................................................................. 17 Брокенский призрак ....................................................................................... 18 Глава 6. Ледяные иглы ..................................................................................... 19 Заключение ........................................................................................................ 21 Используемые источники................................................................................. 22 2 Введение Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца, и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки о зрении превратилась в науку о свете, этому способствовало изобретение линз и камеры. В современное время оптика - это раздел физики, в котором исследуется испускание света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением, устройство и функционирование глаза, то они выделились в специальное научное направление, называемое физиологической оптикой. Оптические явления в природе. Явления, связанные с отражением света. Предмет и его отражение. То, что отраженный в воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут «вверх ногами» далеко не так. Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем «исчезнет», если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду. Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта. Часто людям кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок и насыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить, наблюдая отражение предметов в зеркале. Здесь большую роль играет психологическое восприятие, чем физическая сторона явления. Уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает людям наблюдение неба, облаков и других яркоосвещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза. 3 Глава 1. Радуга Радуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, которое наблюдается при освещении ярким источником света множества водных капель (дождя или тумана). Виды радуги: Обычная радуга Белая радуга Огненная радуга Лунная радуга Кольцевая радуга Перевернутая радуга Обычная радуга Рисунок 1. Двойная радуга В момент, когда солнечный свет сталкивается с каплей дождя, часть света от неё отражается, а остальная часть попадает во внутрь капли. Луч света 4 преломляется на ближайшей к нему поверхности капли дождя, потом этот свет попадает на дальнюю поверхность капли и отражается от неё. Когда этот отраженный, внутри капли, свет снова достигает поверхности капли, он вновь преломляется при выходе из неё. Это показано на данном рисунке: Рисунок 2. Ход луча в капле дождя при образовании первой и второй радуг Как можно увидеть, часть попадающего на поверхность капли солнечного света отражается обратно под некоторым углом. Этот угол не зависит от радиуса капли, но зависит от показателя преломления воды капли n. Для дождевой воды показатель преломления равен n = 1,333, поэтому угол отражения получается около 42°. Фактически, угол отражения света в капле — это угол между солнцем, каплей дождя и глазом наблюдателя. Рисунок 3. Высота дуги первой (а) и второй (б) радуг над горизонтом 5 Высота дуги первой h1 и второй h2 радуг над горизонтом, как видно из рисунка 3, могут быть определены по формулам ℎ1 = 180° − 𝐷1 − ℎₒ ℎ2 = 𝐷2 − 180° − ℎₒ Однако, так как дождевых капель большое количество, лучи преломленного и отраженного света от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке глаза наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце. Окружность в основании этого конуса и будет радугой. Но, из-за того, что наблюдатель находится на земной поверхности, он видит только часть окружности — дугу. Из этого также становится ясно, что для наблюдения радуги само Солнце должно находиться не выше 42° над горизонтом. Вот причина, по которой радугу невозможно увидеть в летний полдень, когда солнце находится высоко в зените. Белая радуга Для наблюдения белой или так называемой туманной радуги требуется не сочетание дождя и Солнца, а наличие тумана и солнечного или лунного света. Так как капли воды в этом случае очень малы (радиус капли не превышает значения в 0,05мм), свет в них не всегда может рассеяться в виде спектра. Такое явление образует дугу похожую на ореол белого цвета, из-за чего такое явление и называют белой радугой. При этом внешние контуры могут быть бледно-оранжевых и фиолетовых цветов. 6 Рисунок 4. Белая радуга Огненная радуга Рисунок 5. Огненная радуга Огненная радуга- одно из редких оптических явлений, хоть она и относится к разновидностям гало. Для образования данного феномена необходим рад условий: 7 Наличие перистых облаков Горизонтально расположенные шестиугольные кристаллы льда Высота солнца не менее 58° Последнее условие делает невозможным наблюдение данного явления в широтах ниже 55°, где Солнце не поднимается так высоко над горизонтом. Кольцевая радуга По природе образования совсем не отличается от обычной радуги, однако для ее наблюдения необходима большая высота. Достаточно забраться на достаточно высокую гору или сесть в самолет. Рисунок 6. Кольцевая радуга 8 Перевернутая радуга Ещё одно необычное оптическое явление, когда радуга образуется не как дуга с двумя концами, выходящими из поверхности земной поверхности, а как дуга уходящая концами в небо. Для образования такой радуги требуется: Наличие тонкого слоя перистых облаков на высоте 7-8 км. Солнце должно находиться в зените параллельно горизонту Кристаллы льда должны быть горизонтально расположены Рисунок 7. Перевернутая радуга 9 Лунная радуга Лунная радуга (также известная как ночная радуга) — это радуга, порождаемая свечением Луны. По всем своим критериям и характеристикам схожа на обычную радугу: точно такой же радиус порядка 42°, точно те же семь цветов спектра в том же порядке, и расположение на противоположной от ночного светила стороне неба. Однако если наблюдаемая днем радуга имеет более яркий цветовой спектр, лунная радуга не такая яркая. Рисунок 8. Лунная радуга 10 Глава 2. Гало Природа явления гало на небе – преломление и разложение в спектр лучей света в мельчайших кристалликах льда, а также их отражение от боковых граней или оснований этих кристаллов, имеющих форму шестигранных столбиков или пластинок. Кристаллы (ледяные призмы) могут быть разных размеров и иметь разную природу своего происхождения в атмосфере, но при этом подчиняться единым законам физики – постепенно падать, вращаясь с одинаковой для всех угловой скоростью, неподвижно парить или гармонично колебаться. Рисунок 9. Ход луча в ледяной призме Для солнечных или лунных лучей, прошедших через кристалл (ледяную призму) и испытавших минимальное отклонение Dmin от своего первоначального направления распространения, выполняется соотношение (рисунок 9): sin ( 𝐷𝑚𝑖𝑛 + 𝐴 𝐴 ) = 𝑛 sin ( ) 2 2 Где n- показатель преломления льда, A – преломляющий угол кристалла. 11 Для лучей, испытавших максимальное отклонение прохождения призмы, выполняется соотношение: Dmах после, sin(𝐷𝑚𝑎𝑥 + 𝐴 − 90) = 𝑛 sin(𝐴 − 𝑅) Где R – угол преломления, соответствующий тому углу падения, при котором лучи испытывают максимальное отклонение. Если лучи падают на кристалл призме, наклонно, образуя с его главной осью угол падения h, а ϰ — соответствующий ему угол преломления, то формулы, написанные ранее, записываются в виде: sin ( 𝐷𝑚𝑖𝑛 + 𝐴 cos(ϰ) 𝐴 sin ( ) )=𝑛 2 sin(ℎ) 2 sin(𝐷𝑚𝑎𝑥 + 𝐴 − 90) = 𝑛 cos(ϰ) sin(𝐴 − 𝑅) sin(ℎ) 𝑛 sin(𝑅) = 1 Углы h и ϰ связаны между собой соотношением: sin(ℎ) = 𝑛 sin(ϰ) Выглядит гало в дневное и ночное время суток следующим образом: Рисунок 10. Гало днем 12 Рисунок 11. Гало ночью 13 Глава 3. Венцы Венец – оптическое явление, наблюдаемое при тонких облаках и обусловленное дифракцией света, производимой облачными каплями воды или кристаллами льда. Представляют собой венцы светлый круг, окружающий диск светила, окрашенный в голубые тона. Радиус круга (ореола) зависит от диаметра капель: чем больше диаметр капель, тем меньше радиус ореола. При широком диапазоне размеров капель венцы сводятся только к ореолу. При однородных каплях ореол может быть окружен дополнительными кольцами. Венцы вокруг искаженных источников света окрашены в радужные цвета (красный снаружи). Зависимость между угловым радиусом ϴk темных колец в венцах и размером элементов облака выражается следующими формулами: Для жидкокапельных облаков: sin(ϴk) = (𝑘 + 0,22) λ 2𝑟 Для кристаллических облаков: sin(ϴk) = 𝑘λ 𝑑 Здесь k — номер темного кольца (k = 1, 2, 3 и т. д.), r —радиус капель облака (мкм), d — толщина кристаллов облака (мкм), λ,— длина волны условного «белого» света (среднее арифметическое красного (λ, = 0,70 мкм) и синего (λ = 0,45 мкм) света), равная 0,57 мкм. Измерения размеров венцов делаются по четко очерченному красному краю любого кольца, считая, что сразу за ним и лежит минимум этого условного белого света. 14 Рисунок 12. Венец луны 15 Глава 4. Паргелий Паргелий, или как его ещё называют, ложное Солнце, – интересное оптическое явление, которое может появляться в атмосфере при наличии в ней большого количества кристаллов льда. Проходя сквозь эти кристаллы, свет преломляется и начинает отображаться необычным образом – в виде ярких пятен по бокам от настоящего солнца. Появляется эффект не хаотично, а расположенным на так называемом паргелическом круге, окружающем подлинное светило. Паргелий наиболее часто появляется в зимнее время, так как обязательным условием для этого является наличие замороженных частичек влаги. Но в редких случаях был замечен не только в зимнее время, что связано с резким похолоданием, смешением атмосферных слоёв, когда более холодный воздух проникает ниже и заставляет влагу конденсироваться в кристаллы. В разных народах существуют свои поверья, касательно данного явления, но среди людей его обычно связывают не с будущими трагедиями и бедами, а с прогнозами погоды. Так, считается, что в зимнее время паргелий свидетельствует о скором потеплении. Рисунок 13. Паргелий 16 Глава 5. Глория и Брокенский призрак Глория Глория – это оптическое явление, представляющее собой цветные круги вокруг тени некоторого объекта. Наблюдать явление можно в облаках, при этом сам наблюдатель должен находиться высоко, к примеру, в горах. Цветные круги образуются на облаках, расположенных напротив источника света. Этими источниками света выступают Солнце или Луна. Важное условие – источник света должен находиться у наблюдателя за спиной, то есть все объекты должны быть расположены на одной прямой друг за другом (Солнце, наблюдатель, облако). Рисунок 14. Глория с брокенским призраком самолета и схема образования Внутри находится голубоватое кольцо, снаружи — красноватое, далее кольца могут повторяться с меньшей интенсивностью. Угловой размер намного меньше, чем у радуги и гало — 5-20°, меняется в зависимости от размера капель в облаке. 17 Брокенский призрак Брокенский призрак — это тень наблюдателя, расположенная на поверхности тумана или на облаках в противоположном направлении от солнца. Чтобы его увидеть, нужно смотреть вниз со склона горы. Увидеть призраки Броккена можно и из самолета. Часто между призраком и человеком лежит большое расстояние, потому возможно пропорции человеческого тела немного меняются. Случается, что брокенский призрак окружен глорией (разноцветными лучами). Это происходит из-за дифракции света. На востоке (в Японии и Китае) глорию называют «светом Будды». Бывает, что брокенский призрак шевелится. Это происходит под влиянием движения облаков и изменения их плотности. Рисунок 15. Брокенский призрак 18 Глава 6. Ледяные иглы Ледяные иглы — атмосферное явление, твёрдые осадки в виде мельчайших ледяных кристаллов, парящих в воздухе, образующиеся в морозную погоду (температура воздуха ниже от -10−15° C). Днём сверкают в свете лучей солнца, ночью — в лучах луны или при свете фонарей. Нередко ледяные иглы образуют в ночное время красивые светящиеся «столбы», идущие от фонарей вверх в небо. Ледяные иглы относятся к твердым осадкам и, как правило, фиксируются метеорологами. Это крошечные кристаллы льда гексагональной формы, которые кружат в воздухе. Их размер не превышает одного миллиметра. Слой ледяной завесы достигает от 15 до 350 метров. А причиной её возникновения служит инверсия температуры. Рисунок 16. Световые столбы, образованные прохождением света через ледяные иглы ночью 19 Ледяные иглы образуются, когда холодные и теплые слои смешиваются близко к земной поверхности. При этом важно, чтобы воздух был достаточно влажным. Водяной пар из теплого слоя охлаждается под действием низких температур и формирует ледяные кристаллы в форме звездочек или игл. Обычно такое явление не слишком мешает видимости. Если концентрация ледяных игл в атмосфере слишком большая, то появляется эффект тумана. Он называется ледяной дымкой. В таком случае видимость составляет меньше 10 километров. 20 Заключение Атмосфера всегда скрывала в себе множество необъяснимых тайн, которые интересовали великие умы всех веков. Некоторые из них люди смогли изучить, некоторые так и остаются до сих пор без ответа. Знаки неба в древности люди в давние времена всегда серьёзно воспринимали, одни сулили хорошую погоду или везение, другие предзнаменовали потери и страшные времена. Сейчас же люди, благодаря ученым, которые изучают данные явления в атмосфере, со спокойствием и изумлением наблюдают в небе феномены невероятной красоты, будь это даже самая обыкновенная радуга. В этой работе я упомянул не все виды оптических явлений, связанных с рассеянием света в мельчайших частичках воды и льда, но их еще большое количество, и некоторые из них ещё ждут людей, которые откроют их и исследуют, потому, что атмосфера невероятна и полна ещё многочисленными тайнами и явлениями. Эти явления могут быть как незначительными, так и поражающими воображения, они могут быть опасными и разрушающими, а могут быть даже полезными. 21 Используемые источники 1. «Задачник по общей метеорологии», под редакцией д-ра физ.-мат. Наук, проф. В. Г. Морачевского ̶ Ленинград Гидрометеоиздат 1984г. – 203-207 с. 2. «Физика в природе», автор - Л. В. Тарасов, издательство «Просвещение», Москва, 1988 год. 3. «Оптика и атмосфера», автор П. Р. Трубников и Н. В. Покусаев, издательство «Просвещение» Санкт-Петербург 2002 год. 4. Атмосферная оптика : [Сборник статей] / Под ред. д-ра физ.-мат. наук А.Е. Микирова. - Москва : Гидрометеоиздат. Моск. отд-ние, 1975. - 118 с. : ил. ; 21 см. - (Главное управление гидрометеорологической службы при Совете Министров СССР. Институт прикладной геофизики. Труды ; Вып. 23) 5. Калитин Н.Н. Оптические явления в атмосфере. - Ленинград : Издво и 2-я типолит. Гидрометеоиздата, 1948. - 44 с., 3 л. ил. : ил. ; 21 см. - (Библиотека гидрометнаблюдателя) 22
