Содержание статьи
Оптика атмосферы
Вы когда-нибудь видели облака в небе, которые выглядели иначе, чем «нормальные» облака? Или вы задавались вопросом, почему образуются радуги? Иногда в небе происходят оптические атмосферные явления, на которые влияет свет и которые делают облака и атмосферу очень яркими или уникальными. Есть много прекрасных примеров того, как свет и цвет работают в атмосфере. Атмосферная оптика показывает нам, как ведет себя свет, проходя через атмосферу. Эти оптические элементы — от радуги до северного сияния — динамичны и позволяют нам узнавать об атмосферных условиях. Некоторые из этих явлений можно увидеть очень часто, а некоторые — раз в жизни.
Объяснение атмосферных оптических явлений
Атмосферная оптика — это раздел физики, который описывает, как свет взаимодействует с атмосферой Земли, создавая широкий спектр визуальных эффектов. Такие вещи, как радуга, ледяные ореолы и сумеречные лучи, попадают под оптику атмосферы, как и многие другие. Их при подходящих условиях можно наблюдать по всей территории Земли.
В этом блоге я опишу наиболее распространенные оптические явления. Конечно, существует огромный выбор оптических явлений в атмосфере, и не все здесь перечислены, поэтому не стесняйтесь присылать свои фотографии и наблюдения.
Ниже представлен Топ 12 наиболее часто встречающихся в той или иной местности оптических атмосферных явлений.
Радуга
Для большинства людей самое легко узнаваемое атмосферное оптическое явление — это радуга. Радуги видны, когда солнце позади вас, а перед вами капли дождя. Капли отражают свет обратно к вам.
Но что вызывает яркие цвета радуги? Свет, исходящий от солнца, содержит все цвета спектра. Когда солнечный свет попадает в каплю дождя, она «преломляется» (или изгибается). Свет разных цветов преломляется немного по-разному. Затем свет отражается от обратной стороны капли дождя и снова преломляется, когда выходит из капли и направляется обратно к вашим глазам. Поскольку свет преломлялся (дважды), разные цвета света достигают наших глаз под немного разными углами, создавая спектр, который мы видим как радуга. Этот процесс изображен на схеме ниже:
На фотографии ниже изображена двойная радуга. Внешняя радуга создается благодаря тому, что свет дважды отражается в капле дождя.
Сумеречные лучи
Сумеречные лучи (иногда называемые солнечными лучами, лучами Бога или лестницей Иакова) — это солнечные лучи, которые видны, когда солнце частично закрыто облаками. Лучи вызваны солнечным светом, текущим через промежутки в облаках, и разделены более темными областями, вызванными тенями облаков. Чаще всего их можно увидеть на восходе и закате, откуда они и получили свое название. Хотя, кажется, что лучи сходятся или расходятся, на самом деле они параллельны. Это ваша перспектива, которая вызывает эту иллюзию — точно так же, как кажется, что длинная прямая дорога исчезает вдалеке, даже если стороны дороги параллельны.
Анти-сумеречные лучи
Антисумеречные лучи похожи на сумеречные лучи, за исключением того, что вы должны отвернуться от солнца, чтобы их увидеть. Как и сумеречные лучи, они обычно видны на восходе и закате, и лучи образуются солнцем, сияющим между облаками. Кажется, что лучи сходятся к «антисолнечной точке», то есть точке, находящейся прямо напротив Солнца с точки зрения наблюдателя. Однако, как и сумеречные лучи, они фактически параллельны.
Иризация облаков или Облачная иризация
Иризация облаков (также называемая радужной оболочкой) вызвана тем, что солнечный свет рассеивается вокруг облачных капель. Дифракция — это изгибание света, когда он проходит между небольшими промежутками или мимо краев. Для того, чтобы это произошло, облачные капли должны иметь размер, равный длине волны света. Обратите внимание, что это отличается от преломления, которое вызывает радугу — преломление — это искривление света, когда он переходит от одного вещества к другому, например, из воздуха в каплю дождя. Дифракция также заставляет луч света «расширяться». Степень распространения света зависит от размера зазора и «длины волны» (цвета) света. Этот процесс изображен на схеме ниже.
Поскольку свет разных цветов рассеивается на разную величину, это приводит к разделению цветов. На изображении ниже показан узор, который вы видите, если рассеиваете луч белого света через единственную щель на куске карты. Вы можете видеть здесь яркую белую линию посередине, за которой следуют множество цветных линий с обеих сторон.
Так как же дифракция вызывает иризацию облаков? Когда свет проходит между каплями дождя, дифракция заставляет разные цвета спектра расширяться, что означает, что мы видим много разных цветов. Однако из-за неправильной формы облака цвета не организованы аккуратно, как на изображении выше, и часто смешиваются друг с другом. На фото ниже показан хороший пример облачной радуги, на которой цвета радуги появляются над солнцем.
Корона
Корона формируется аналогично облачной радуге. Она возникает, когда тонкие облака, состоящие из капель воды, закрывают солнце или луну, но облака достаточно тонкие, чтобы сквозь них просвечивал свет. Свет рассеивается на мелких капельках воды в облаке. Разница в том, что короны обычно возникают, когда облако более однородно по толщине и размеру водяных капель. Чем однороднее облако, тем резче будет корона.
Корона обычно выглядит как круговой узор цвета радуги вокруг солнца или луны. Эти узоры будут иметь синий цвет внутри круга и красный цвет снаружи. Поскольку солнце очень яркое, при поиске короны вокруг солнца вам может потребоваться вместо этого смотреть на его отражение, например, в бассейне с водой, или накрыть солнце небольшим предметом, не закрывая круговую корону вокруг него. Иногда корона будет иметь другое, более тусклое кольцо цвета радуги вокруг внешней стороны (или даже больше колец, каждое из которых постепенно становится слабее).
На изображении ниже показана корона. Поскольку солнце опускается за горизонт, и более толстое облако закрывает его снизу, корона в этом случае проявлялась только в виде частичного круга.
Туманная радуга
Туманная радуга выглядит как бесцветная радуга и образуется аналогично обычной радуге. Чтобы увидеть туманную дугу, вы должны стоять так, чтобы солнце стало за спиной, а туман перед вами (хотя туман должен быть достаточно тонким, чтобы пропускать солнечный свет). Солнечный свет отражается обратно к вам каплями тумана под определенным углом из-за преломления, создавая дымку.
Но почему без цветов? Капли тумана крошечные — они могут быть в 1000 раз меньше, чем капли дождя. Несмотря на то, что свет все еще отражается обратно к вам, из-за небольшого размера капель дифракция теперь является более доминирующим процессом, чем в случае радуги. В то время как дифракция изгибает свет, как преломление, и свет разных цветов дифрагирует больше, чем другие, она также заставляет луч света расширяться, когда он проходит через небольшие промежутки (например, промежутки между крошечными каплями тумана — см. Диаграммы выше в разделе «Облачная иризация»). Это заставляет цвета смешиваться вместе в центральной части туманной дуги, создавая белый свет. Однако, если вы внимательно посмотрите, вы можете увидеть красноватый оттенок на внешнем крае туманной радуги и голубоватый оттенок на внутреннем крае.
Циркумзенитальная арка (Околозенитная дуга)
Кристаллы льда могут быть разных форм и размеров, в зависимости от того, при какой температуре они образовывались. Высоко в атмосфере вода может оставаться в жидкой фазе при температуре ниже 0° C (переохлажденная жидкая вода), и температура, при которой она замерзает, имеет большое влияние на форму образовавшегося кристалла льда.
Околозенитные дуги возникают из-за преломления света через пластинчатые кристаллы (плоские гексагональные кристаллы). Свет входит через верхнюю горизонтальную грань кристалла и выходит через вертикальную боковую грань. Околозенитные дуги обычно формируются только тогда, когда солнце находится на высоте менее 32,3⁰. Дуга выглядит как «перевернутая радуга» и будет видна над солнцем с точки зрения наблюдателя.
На фото ниже показан хороший пример околозенитной дуги.
Круговые ореолы
22⁰ Круговые ореолыОреолы 22 создаются за счет преломления света через беспорядочно ориентированные кристаллы льда в форме гексагональной призмы. Эти ледяные ореолы встречаются очень часто, даже чаще, чем радуги! Свет преломляется, когда входит через одну грань шестиугольного кристалла льда, и преломляется еще раз, когда выходит через другую грань. Из-за геометрии ледяного кристалла лучи света отклоняются на углы между 22⁰ и 50⁰, но больше лучей отклоняется под углами около 22⁰. Это концентрирует свет под этим углом, создавая круг ярче неба вокруг него.
Если вы посмотрите внимательно на фото ниже, вы увидите, что внутренний край ледяного ореола окрашен в красный цвет из-за того, что разные цвета света преломляются под немного разными углами.
Вы также можете увидеть 22⁰ ореолы ночью, вызванные лунным светом, как показано на другой фотографии.
Солнечные собаки
Солнечные собаки (псы) также являются очень распространенными ледяными ореолами, и их обычно можно увидеть, когда солнце находится низко в небе. Они встречаются парами, прямо слева и справа от солнца, хотя то, видите ли вы обеих солнечных собак в паре, зависит от протяженности ледяного перистого облака. Если вам повезет, вы можете увидеть пару солнечных собак на краю ореола 22, на уровне солнца.
Солнечные псы образуют ореол 22⁰. Однако они образованы плоскими гексагональными пластинчатыми кристаллами. Пластинчатые кристаллы мягко дрейфуют в воздухе вниз. Это движение заставляет их выравниваться по горизонтали (более или менее) из-за сопротивления воздуха. Поскольку эти кристаллы расположены горизонтально, они фокусируют свет по обе стороны от солнца. Это создает два очень ярких пятна слева и справа от солнца с красным светом на внутренней стороне.
Описанные выше ледяные ореолы — это лишь некоторые из различных ледяных ореолов, которые вы можете увидеть, когда находитесь вне дома. Если вам повезет, вы можете несколько из них увидеть вместе. Пример этого показан на двух фотографиях ниже. Они показывают отличный пример нескольких ледяных ореолов вместе.
На фотографиях выше вы можете увидеть ореол 22⁰, окружающий солнце. Справа — солнечная собака. Вы также можете увидеть верхнюю касательную дугу, касающуюся вершины ледяного ореола. Касательные дуги образованы столбчатыми кристаллами льда, ориентированными горизонтально. Дуга цвета радуги на внешней стороне первой фотографии — это супралатеральная дуга (образованная кристаллами льда, подобными касательным дугам) и является одним из наиболее необычных ледяных ореолов.
Эти две фотографии немного отличаются от предыдущих фотографий в этом блоге, потому что ледяные ореолы не вызваны высокими перистыми облаками! Они вызваны кристаллами льда, находящимися намного ближе к земле. Фотографии были сделаны на горнолыжном курорте Уистлер в январе 2013 года в Канаде, температура была значительно ниже нуля. Крайне низкие температуры привели к образованию кристаллов льда у земли — явление, известное как «алмазная пыль».
Световые столбы
Подобно ледяным ореолам и дугам, световые столбы образованы кристаллами льда. Однако способ их образования гораздо менее сложен — свет просто отражается от кристаллов льда в воздухе. Некоторые столбы вызваны солнечным светом, но они также могут быть созданы лунным светом и даже светом Венеры! Городские или другие земные огни также могут быть источником света для создания столбов. Столбы на фотографии вызваны искусственным освещением, отражаясь от кристаллов льда в воздухе и возвращаясь к зрителю.
Солнечные столбы
Солнечные столбы формируются аналогично световым столбам, описанным выше. Однако технически они являются частью группы «ледяных ореолов» и вызваны естественным светом от самого солнца. Солнечные столбы чаще всего можно увидеть на закате или восходе солнца. На фотографии ниже показан слабый пример солнечного столба, простирающегося прямо вверх над заходящим солнцем.
Полярное сияние
В приведенных выше обсуждениях было много ссылок на преломление, отклонение, дифракцию или отражение света. Обычно свет исходит от солнца, но иногда от луны или городских огней. Другое дело — полярные сияния. Огни Aurora Borealis в Северном полушарии, или Aurora Australis – Южное полярное сияние. На самом деле испускаются частицами газа в самой атмосфере.
Солнце излучает «солнечный ветер», который в основном состоит из протонов и электронов. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Во время солнечной бури большее количество этих заряженных частиц направляется к Земле. Магнитное поле Земли взаимодействует с этими частицами, отправляя их к полюсам. Заряженные частицы передают энергию атомам и молекулам в одной из самых высоких частей нашей атмосферы — термосфере. После того, как атомы и молекулы поглотили эту дополнительную энергию, они снова излучают ее. Энергия излучается в виде видимого света, а цвет света зависит от атома или молекулы. Атомы кислорода ответственны за большую часть зеленого цвета, наблюдаемого при отображении полярных сияний, и за часть красного. Молекулярный азот отвечает за синий и фиолетовый оттенки, а также излучает некоторые красные оттенки.
Есть еще много других атмосферных оптических явлений, которые вы можете увидеть в небе. В некоторых случаях пыль, мелкие частицы и капли влаги рассеивают свет, делая солнечные лучи видимыми, в тСветовые атмосферные явленияо время как облака и тени гор по сравнению с ними темные, создавая сумеречные лучи или антисумеречные лучи. В других случаях воздух и очень мелкие частицы могут выборочно рассеивать цвета, делая небо голубым или закаты, кажущиеся горящими. Различные виды облаков или туман содержат крошечные капли воды, которые создают странные оптические эффекты, в основном округлые и ярко окрашенные, в том числе сияния и переливающиеся облака. Крошечные кристаллы льда в атмосфере могут создавать ореолы, преломляя и отражая свет. Читайте раздел «Оптические атмосферные явления» чтобы увидеть изображения явлений «Оптика атмосферы», а также более подробную информацию о том, как они формируются.
