Ein optisches Phänomen in sauberer Atmosphäre. Phänomene im Zusammenhang mit Elektrizität. Halo um den Mond und andere Ansichten

KOMMUNALE AUTONOME BILDUNGSEINRICHTUNG

BELOYARSKY BEZIRK

"ALLGEMEINE BILDENDE SEKUNDARSCHULE (VOLLSTÄNDIGE) SCHULE №2, BELOYARSKY"

Projekt in Nominierung Nr. 2

Projektthema:

"Optische Phänomene in der Atmosphäre"

Tarasenko Juri Petrowitsch

Klasse 11a

Wissenschaftlicher Betreuer des Projekts:

Panchenko-Bondarenko Galina Konstantinowna

Arbeitsplatz

Berufsbezeichnung

Physik Lehrer

Belojarski

OPTISCHE PHÄNOMENE IN DER ATMOSPHÄRE

Tarasenko Juri Petrowitsch

Autonomer Kreis der Chanten und Mansi, Oblast Tjumen,

Beloyarsky, MOSSh Nr. 2, Klasse 11a

Anmerkung

Die vorgeschlagene Arbeit ist eine vielversprechende Möglichkeit, Lehrkräften zu helfen, die Motivation für das Studium der Physik als allgemeinbildendes Fach zu steigern. Dieses Material führt Sie in kuriose Phänomene ein, die im Alltag zu finden sind, und erklärt ihre Natur aus physikalischer Sicht. Das Projekt entwickelte eine Liste mit Fragen, um das Wissen der Schüler zu diesem Thema zu testen. Es wurde eine Umfrage durchgeführt, deren Ergebnisse ebenfalls im Projekt verfügbar sind.

1. Einleitung………..……………………………………………..……….……….4

2. Hauptkörper

2.1 Einführung in die Optik……………………………………..5

2.2 Die Erdatmosphäre als optisches System………………………5

2.3 Farbe des Himmels……………………………………………………...……….6

2.4 Heiligenschein ………………………………………………………………………………7

2.5 Regenbogen…………………………………………………………..….……8

2.6 Gespenster vom Brocken……………………………………..………..….….9

2.7 Irrlichter…………………………………..………….….….10

2.8 Luftspiegelungen. Fata Morgana. Arten von Luftspiegelungen……………..…………..….11

2.9 Polarlichter. Wie Polarlichter entstehen…..……14

2.10 Falsche Sonnen………………………………………………………...15

2.11 Lichtsäule…………………………………………………………...16

2.12 Kronen………………………………………………………………...17

3. Befragung…………………………………………………………………….18

4. Fazit ……………………………………………………………………...19

5. Liste der verwendeten Literatur…………………………………………...20

6. Bewerbung……………………………………………………………………..21

Einführung

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, optische atmosphärische Phänomene und deren physikalische Natur zu betrachten. Aufgrund des begrenzten Umfangs der Arbeit beschreibt es nur wenige dieser Phänomene, wie die Erklärung der Farbe des Himmels (ohne die Zeit der Morgen- und Abenddämmerung zu beeinflussen), Regenbogen, Lichthöfe, "falsche Sonnen", Luftspiegelungen und Polarlichter. Diese Phänomene werden in der Arbeit ausführlich beschrieben. Die Phänomene des Erscheinens von Sonnensäulen, Brockengespenstern, Kronen und Wanderlichtern werden weniger detailliert beschrieben.

Die Arbeit enthält methodische Aspekte zu den Einsatzmöglichkeiten des in der Sekundarstufe verwendeten Materials.

Zur besseren Übersichtlichkeit habe ich eine Präsentation mit seltenen Fotografien optischer Atmosphärenphänomene entwickelt, die als Anhang zu bestehenden Projektarbeiten und zusätzlich zu den bereits darin enthaltenen visuellen Elementen verwendet werden kann.

Ein großes Plus der Arbeit ist meiner Meinung nach nicht nur ihre wissenschaftliche Ausrichtung, sondern auch eine klar zum Ausdruck gebrachte ästhetische Ausrichtung. Ich hoffe, Sie haben genauso viel Spaß beim Lesen des Entwurfs wie ich beim Zusammenstellen.

Ziel des Projekts:

Machen Sie die Schüler mit optischen Phänomenen in der Atmosphäre vertraut

Literatur für dieses Projekt auswählen

Informationen über optische Phänomene in der Atmosphäre systematisieren

Führen Sie eine Umfrage unter Schülern der 10. Klasse durch

Schüler an Projektarbeit heranführen.

Einführung in die Optik

Die meisten der aufgeführten Arten von Optiken sind als physikalische Phänomene unserer Beobachtung nur unter Verwendung spezieller technischer Geräte zugänglich. Dies können Laseranlagen, Röntgenstrahler, Radioteleskope, Plasmageneratoren und viele andere sein. Aber die zugänglichsten und gleichzeitig farbenprächtigsten optischen Phänomene sind atmosphärische. Sie sind riesig und das Produkt der Wechselwirkung von Licht und der Atmosphäre der Erde.

Die Erdatmosphäre als optisches System

Für Lichtstrahlen, die von der Sonne oder anderen Himmelskörpern kommen, ist die Erdatmosphäre eine Art optisches System mit ständig wechselnden Parametern. Da es ihnen im Weg steht, reflektiert es einen Teil des Lichts, streut es, leitet es durch die gesamte Dicke der Atmosphäre, sorgt für eine Beleuchtung der Erdoberfläche, zerlegt es unter bestimmten Bedingungen in Bestandteile und biegt den Weg der Strahlen, wodurch es verursacht wird verschiedene atmosphärische Phänomene. Die ungewöhnlichsten Farben sind Sonnenuntergang, Regenbogen, Nordlicht, Luftspiegelung, Sonnen- und Mondschein.

Wissenschaften, die sich mit der Erforschung von Lichtphänomenen in der Atmosphäre befassen

1. Meteorologische Optik- studiert die Atmosphäre

mit dem Wetter verbundene Phänomene (Phänomene der Farbe des Himmels und seiner Farbe,

Polarisierung des Firmaments, die Phänomene einer Fata Morgana und unregelmäßig

Lichtbrechung und -reflexion in der Atmosphäre, das Funkeln von Sternen,

Regenbogen, Kreise und Kronen um die Leuchten).

2. Astronomie- studiert das Phänomen der Lichtbrechung im Detail

(Lichtbrechung in der Atmosphäre).

3. atmosphärische Elektrizität- Recherche betreiben

atmosphärische Phänomene elektrischen Ursprungs (Blitze,

Brände von St. Elmo usw.).

4. atmosphärische Optik– untersucht die Umwandlung von Sonnenenergie

und Wärmestrahlung der Atmosphäre selbst und der darunter liegenden

Oberflächen.

Himmel Farbe

Das Phänomen der Blaufärbung des Himmels am Tage beruht allein auf der Lichtstreuung jener kleinen Teilchen, die nicht nur in den unteren, sondern auch in den relativ hohen Schichten der Atmosphäre ständig in mehr als ausreichender Menge in der Schwebe sind . Lord Rayleigh (Rayleigh) hat theoretisch bewiesen, dass solche Teilchen bei ausreichend kleinen Größen die Eigenschaft haben, nur kurzwellige Strahlen zu reflektieren, d. h. blaue, blaue, violette Strahlen . Um einige der Phänomene der subatomaren Welt zu verstehen, ist es hilfreich, sich Elektronen vorzustellen, die an starren Federn an Kernen befestigt sind. Die Reaktion eines Elektrons auf die Wirkung des elektrischen Feldes einer Lichtwelle hängt davon ab, wie die Frequenz der Welle mit den Eigenfrequenzen dieser imaginären Quelle korreliert. Berechnungen zeigen, dass je kürzer die Wellenlänge des Lichts ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass es mit den natürlichen Anregungsfrequenzen von Elektronen in Resonanz gerät und desto häufiger werden die Elektronen Photonen der entsprechenden Frequenz absorbieren und wieder emittieren. Eine Folge des gleichen Effekts der Wechselwirkung von Licht mit Atomen ist die Lichtstreuung im Medium. Licht, das nicht mit Atomen interagiert hat, erreicht uns direkt. Wenn wir also nicht auf eine Lichtquelle schauen, sondern auf das Streulicht dieser Quelle, beobachten wir darin das Vorherrschen kurzer Wellen des blauen Teils des Spektrums.

Deshalb sieht der Himmel blau und die Sonne gelblich aus! Wenn wir von der Sonne weg in den Himmel blicken, sehen Sie dort gestreutes Sonnenlicht, wo die kurzen Wellenlängen des blauen Teils des Spektrums überwiegen. Wenn Sie direkt auf die Sonne schauen, beobachten Sie das Spektrum ihrer Strahlung, aus der durch Streuung an den Atomen der Luft ein Teil der blauen Strahlen entfernt wird und sich das ursprünglich weiße Spektrum der Sonne ins Gelbrote verschiebt Bereich beim Durchgang durch die Atmosphäre.

Heiligenschein

Heiligenschein(aus dem Griechischen - „Kreis“, „Scheibe“; auch Aura, Heiligenschein, Heiligenschein) - dies ist das Phänomen der Brechung und Reflexion von Licht in den Eiskristallen der Wolken der oberen Ebene; sind helle oder schillernde Kreise um die Sonne oder den Mond, die durch einen dunklen Spalt von der Leuchte getrennt sind. Halos werden oft vor Zyklonen beobachtet (in Zirrostratuswolken in einer Höhe von 5-10 km ihrer Warmfront) und können daher als Zeichen für deren Annäherung dienen. Manchmal sind auch Mondhalos zu beobachten. Bei einer anderen Art von Prismen ist die Höhe im Vergleich zum Querschnitt sehr klein; dann werden sechsseitige flache Platten erhalten. Schließlich nehmen Eiskristalle manchmal die Form eines Prismas an, dessen Querschnitt ein sechszackiger Stern ist.

Ein gewöhnlicher Kreis oder ein kleiner Halo ist ein brillanter Kreis (Abb. 2), der die Leuchte umgibt, sein Radius beträgt etwa 22 °; es ist innen rötlich gestrichen, dann ist gelb schwach sichtbar, dann wird die Farbe weiß und verschmilzt allmählich mit dem allgemeinen Blauton des Himmels. Der Raum innerhalb des Kreises erscheint vergleichsweise dunkel; die innere Grenze des Kreises ist scharf begrenzt. Dieser Kreis entsteht durch Lichtbrechung in Eisnadeln, die an verschiedenen Stellen in der Luft getragen werden. Der Winkel der geringsten Ablenkung von Strahlen in einem Eisprisma beträgt ungefähr 22 °, daher sollten alle durch die Kristalle tretenden Strahlen dem Beobachter um mindestens 22 ° von der Lichtquelle abgelenkt erscheinen; daher die Dunkelheit des Innenraums. Die rote Farbe wird als die am wenigsten gebrochene auch am wenigsten von der Leuchte abweichend erscheinen; es folgt gelb; Der Rest der Strahlen, die sich miteinander vermischen, erweckt den Eindruck von Weiß.

Regenbogen

Ein Regenbogen ist ein optisches Phänomen, das in der Atmosphäre auftritt und die Form eines mehrfarbigen Bogens am Himmelsgewölbe hat. Es wird in den Fällen beobachtet, in denen die Sonnenstrahlen den Regenvorhang beleuchten, der sich auf der der Sonne gegenüberliegenden Seite des Himmels befindet. Das Zentrum des Regenbogenbogens liegt in Richtung einer geraden Linie, die durch die Sonnenscheibe (auch wenn sie durch Wolken vor der Beobachtung verborgen ist) und das Auge des Beobachters verläuft, d.h. an einem Punkt gegenüber der Sonne. Der Bogen des Regenbogens ist Teil eines um diesen Punkt umschriebenen Kreises mit einem Radius von 42°30" (im Winkelmaß).

Der Beobachter kann manchmal mehrere Regenbogen gleichzeitig sehen - den Haupt-, den Neben- und den Nebenregenbogen. Der Hauptregenbogen ist ein farbiger Bogen auf Tropfen eines zurückweichenden Regenschleiers und erscheint immer von der Seite des Himmels, die der Sonne gegenüberliegt. Mit der Sonne am Horizont beträgt die Höhe des oberen Randes des Hauptregenbogens im Winkelmaß 42° 30. Wenn die Sonne über den Horizont steigt, nimmt der sichtbare Teil des Regenbogens ab, wenn die Sonne eine Höhe von 42° erreicht 30 ", der Regenbogen wird für einen Beobachter auf der Erdoberfläche nicht sichtbar sein, aber wenn er in dem Moment verschwindet, auf den Turm oder Mast des Schiffes klettert, dann ist der Regenbogen wieder zu sehen.

Den Regenbogen kann man sich wie ein Riesenrad vorstellen, das wie eine Achse auf einer imaginären Geraden durch die Sonne und den Betrachter verläuft.

Die Position des Regenbogens in Bezug auf die umgebende Landschaft hängt von der Position des Beobachters in Bezug auf die Sonne ab, und die Winkelabmessungen des Regenbogens werden durch die Höhe der Sonne über dem Horizont bestimmt. Der Beobachter ist die Spitze des Kegels, dessen Achse entlang der Linie gerichtet ist, die den Beobachter mit der Sonne verbindet. Der Regenbogen ist der Teil des Umfangs der Basis dieses Kegels über dem Horizont. Wenn sich der Beobachter bewegt, bewegt sich der angegebene Kegel und damit der Regenbogen entsprechend.

Hier sind zwei Erklärungen erforderlich. Erstens, wenn wir von einer geraden Linie sprechen, die den Beobachter mit der Sonne verbindet, meinen wir nicht die wahre, sondern die beobachtete Richtung zur Sonne. Sie unterscheidet sich von der echten durch den Brechungswinkel.

Zweitens, wenn wir von einem Regenbogen über dem Horizont sprechen, meinen wir einen relativ weit entfernten Regenbogen – wenn der Regenvorhang mehrere Kilometer von uns entfernt ist.

Gespenster vom Brocken

Wenn in einigen Regionen der Erde der Schatten eines Betrachters auf einem Hügel bei Sonnenauf- oder -untergang auf nahe Wolken hinter ihm fällt, zeigt sich ein verblüffender Effekt: Der Schatten nimmt kolossale Ausmaße an. Dies liegt an der Reflexion und Brechung des Lichts durch kleinste Wassertröpfchen im Nebel. Das beschriebene Phänomen wird nach dem Gipfel im Harz in Deutschland als „Gespenst vom Brocken“ bezeichnet.

Irrlichter

Ein schwaches Leuchten von bläulicher oder grünlicher Farbe, das manchmal in Sümpfen, Friedhöfen und Krypten beobachtet wird. Sie erscheinen oft als ruhig brennende, nicht erhitzende Kerzenflamme, die etwa 30 cm über dem Boden angehoben wird und für einen Moment über dem Objekt schwebt. Das Licht scheint völlig schwer fassbar zu sein, und wenn sich der Betrachter nähert, scheint es sich an einen anderen Ort zu bewegen. Ursache für dieses Phänomen ist die Zersetzung organischer Reststoffe und die Selbstentzündung von Sumpfgas Methan (CH 4) oder Phosphin (PH 3). Wanderlichter haben eine andere Form, manchmal sogar kugelförmig.

Luftspiegelungen

Mirage ist ein atmosphärisches Phänomen, durch das unter Umständen Objekte in einem Bereich sichtbar gemacht werden, deren tatsächlicher Standort weit vom Ort ihrer Beobachtung durch den Betrachter entfernt ist. Sie erklärt sich aus der Totalreflexion von Strahlen an der Grenze zweier Luftschichten unterschiedlicher Temperatur, wenn der Lichtstrahl mit sehr starker Neigung auf die Grenzebene fällt.

Befindet sich der Betrachter und ein entfernter Gegenstand an nur wenig erhöhten Stellen und liegt dazwischen ein von der Sonne stark erhitzter Sandboden, der seine Wärme an die nächstliegenden Luftschichten abgibt und diese dadurch stärker erwärmt als die darüber liegenden, sieht der Betrachter das Objekt in seiner tatsächlichen Position durch Strahlen, direkt vom Objekt auf es zugehend, und zweitens in einer umgekehrten Position mit Hilfe von Strahlen, die zuerst vom Objekt nach unten kommen, dann beim Auftreffen auf wärmere und daher seltenere Luftschichten, die reflektiert werden und zum Auge des Betrachters gelangen, der das Objekt wie im Wasser gespiegelt sieht. Diese Erklärung wurde von Monge in "M é moires de l" Institut d "Egypte" gegeben. Befindet sich eine stark erhitzte warme Schicht nicht unten, sondern oben auf dem Beobachter und dem beobachteten Objekt, die sich in einer dichteren kalten Schicht befinden, kann es ebenfalls zu einem Luftspiegelungsphänomen kommen, jedoch nur nach oben.

So sind beispielsweise Schiffe, Türme, Burgen etc., in umgekehrter Form über dem Horizont betrachtet, Abbilder von realen Objekten.

An manchen Orten, in Neapel, Reggio, an der Küste der Meerenge von Sizilien, auf großen Sandebenen (morgens, wenn die unteren Luftschichten noch kälter sind als die oberen, bereits von der Sonne erwärmt), in Persien , Turkestan, Ägypten, wird dieses Phänomen oft beobachtet, genanntFata Morgana .

Fata Morgana

Fata Morgana - ein seltenes komplexes optisches Phänomen inAtmosphäre, bestehend aus mehreren FormenLuftspiegelungen, in denen entfernte Objekte wiederholt und mit verschiedenen Verzerrungen gesehen werden.

Fata Morgana tritt auf, wenn sich in den unteren Schichten der Atmosphäre mehrere abwechselnde Luftschichten unterschiedlicher Dichte bilden (normalerweise aufgrund von Temperaturunterschieden), die Spiegelreflexionen abgeben können. Als Ergebnis der Reflexion sowie der Brechung von Strahlen ergeben reale Objekte mehrere verzerrte Bilder am Horizont oder darüber, die sich teilweise überlappen und sich zeitlich schnell ändern, wodurch ein bizarres Bild einer Fata Morgana entsteht.

Erklärung der unteren ("See") Fata Morgana

Wenn die Luft an der Erdoberfläche sehr heiß ist und daher ihre Dichte relativ gering ist, ist der Brechungsindex an der Oberfläche geringer als in höheren Luftschichten. Gemäß der aufgestellten Regel werden dabei Lichtstrahlen in der Nähe der Erdoberfläche so gebogen, dass ihre Flugbahn konvex nach unten verläuft.

Der Beobachter sieht den entsprechenden Himmelsausschnitt nicht über dem Horizont, sondern darunter. Es wird ihm scheinen, als würde er Wasser sehen, obwohl er tatsächlich einen blauen Himmel vor sich hat.

Stellen wir uns vor, dass sich in Horizontnähe Hügel, Palmen oder andere Objekte befinden, dann sieht der Betrachter diese aufgrund der starken Krümmung der Strahlen auf dem Kopf und nimmt sie als Spiegelung der entsprechenden Objekte in nicht vorhandenem Wasser wahr. Es gibt also eine Illusion, die ein „See“-Trugbild ist.

P hohe überlegene Luftspiegelungen

Es ist davon auszugehen, dass die Luft an der Erd- oder Wasseroberfläche nicht erwärmt, sondern im Gegenteil gegenüber höheren Luftschichten merklich abgekühlt wird. Lichtstrahlen werden im betrachteten Fall so gebogen, dass ihre Flugbahn konvex nach oben verläuft. Daher kann der Beobachter jetzt Objekte sehen, die ihm hinter dem Horizont verborgen sind, und er wird sie oben sehen, als ob sie über der Horizontlinie hängen würden. Daher werden solche Trugbilder als überlegen bezeichnet.

Eine überlegene Fata Morgana kann sowohl aufrechte als auch umgekehrte Bilder erzeugen. Ein direktes Bild entsteht, wenn der Brechungsindex von Luft relativ langsam mit der Höhe abnimmt. Bei einer schnellen Abnahme des Brechungsindex entsteht ein umgekehrtes Bild.

Doppelte und dreifache Luftspiegelungen

Wenn sich der Brechungsindex von Luft zuerst schnell und dann langsam ändert, werden die Strahlen in Bereich 1 schneller gebeugt als in Bereich 2. Als Ergebnis erscheinen zwei Bilder. Die sich innerhalb des Luftbereichs 1 ausbreitenden Lichtstrahlen bilden ein umgekehrtes Bild des Objekts. Die sich hauptsächlich im Bereich 2 ausbreitenden Strahlen sind weniger stark gekrümmt und bilden ein gerades Bild.

Um zu verstehen, wie eine dreifache Fata Morgana erscheint, muss man sich drei aufeinanderfolgende Luftregionen vorstellen: die erste (nahe der Oberfläche), wo der Brechungsindex langsam mit der Höhe abnimmt, die nächste, wo der Brechungsindex schnell abnimmt, und die dritte Region, wo die Brechungsindex nimmt langsam wieder ab.

Fata Morgana des ultralangen Sehens

Die Natur dieser Trugbilder ist am wenigsten erforscht. Es ist klar, dass die Atmosphäre transparent sein muss, frei von Wasserdampf und Verschmutzung. Aber das ist nicht genug. In einiger Höhe über dem Boden sollte sich eine stabile Schicht gekühlter Luft bilden. Unter und über dieser Schicht sollte die Luft wärmer sein. Ein Lichtstrahl, der in eine dichte, kalte Luftschicht eingefallen ist, wird sozusagen darin „eingeschlossen“ und breitet sich darin wie eine Art Lichtleiter aus. Die Flugbahn des Strahls muss die ganze Zeit in Richtung der weniger dichten Bereiche der Luft konvex sein.

Chronomiragen

Chronomiragen sind mysteriöse Phänomene, die keine wissenschaftliche Erklärung erhalten haben. Keine bekannten Gesetze der Physik können erklären, warum Luftspiegelungen Ereignisse widerspiegeln können, die in einiger Entfernung stattfinden, nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit. Besonders berühmt waren die Luftspiegelungen von Schlachten und Schlachten, die einst auf der Erde stattfanden. Im November 1956 übernachteten mehrere Touristen in den Bergen Schottlands. Gegen drei Uhr morgens wachten sie von einem seltsamen Geräusch auf, schauten aus dem Zelt und sahen Dutzende schottischer Bogenschützen in alten Militäruniformen, die schießend durch ein felsiges Feld flohen! Dann verschwand die Vision, ohne Spuren zu hinterlassen, aber einen Tag später geschah es erneut. Die schottischen Bogenschützen, alle verwundet, stapften über das Feld und stolperten über die Steine.

Einer Theorie zufolge werden visuelle Informationen durch eine spezielle Kombination natürlicher Faktoren in Zeit und Raum eingeprägt. Und mit dem Zusammentreffen bestimmter Atmosphären, Wetter usw. Bedingungen wird es für externe Beobachter wieder sichtbar.

Luftspiegelungen - Verfolger

Eine Klasse von Phänomenen, die ebenfalls keine wissenschaftliche Begründung erhalten hat. Darunter sind Luftspiegelungen, die nach ihrem Verschwinden materielle Spuren hinterlassen. Es ist bekannt, dass im März 1997 in England frische reife Nüsse vom Himmel fielen. Bringen Sie mehrere Erklärungen für die Art des Auftretens dieser Spuren vor.

Erstens stehen diese Spuren nicht in direktem Zusammenhang mit der Fata Morgana. „Danach“ bedeutet nicht „deswegen“. Am schwierigsten ist es, die allgemeine Zuverlässigkeit der Tatsachen solcher Phänomene festzustellen.

Eine andere Erklärung ist, dass der Unterschied in den Temperaturschichten zur Bildung eines Wirbeleffekts führt, der verschiedene Abfälle in die Atmosphäre saugt. Die Bewegung von Luftströmungen liefert "absorbiert" in den Bereich der Fata Morgana-Bildung. Nach dem Temperaturausgleich verschwindet das "Himmelsbild" und die Trümmer fallen zu Boden.

Polarlichter

Aurora ist das Leuchten (Lumineszenz) der oberen Schichten der Atmosphäre von Planeten mit einer Magnetosphäre aufgrund ihrer Wechselwirkung mit geladenen Teilchen des Sonnenwinds. In den meisten Fällen haben Polarlichter eine grüne oder blaugrüne Farbe mit gelegentlichen Flecken oder Rändern in Rosa oder Rot.

Auroras werden in zwei Hauptformen beobachtet - in Form von Bändern und in Form von wolkenartigen Flecken. Wenn die Ausstrahlung intensiv ist, nimmt sie die Form von Bändern an. Wenn es an Intensität verliert, verwandelt es sich in Flecken. Viele Bänder verschwinden jedoch, bevor sie zu Flecken werden. Die Bänder scheinen im dunklen Raum des Himmels zu hängen und ähneln einem riesigen Vorhang oder Vorhang, der sich normalerweise über Tausende von Kilometern von Ost nach West erstreckt. Die Höhe dieses Vorhangs beträgt mehrere hundert Kilometer, die Dicke überschreitet nicht mehrere hundert Meter und ist so zart und transparent, dass Sterne durch ihn hindurch gesehen werden können.

Es gibt vier Arten von Polarlichtern

Gleichmäßiger Lichtbogen - der Leuchtstreifen hat die einfachste, ruhige Form. Es ist von unten heller und verschwindet allmählich nach oben vor dem Hintergrund des Himmelsglühens;

strahlender Bogen - das Band wird etwas aktiver und beweglicher, es bildet kleine Falten und Bäche;

strahlendes Band - mit zunehmender Aktivität werden kleinere Falten von größeren überlagert;

Oft gibt es Polarlichter anderer Art. Sie erfassen die gesamte Polarregion und sind sehr intensiv. Sie treten während einer Zunahme der Sonnenaktivität auf. Diese Lichter erscheinen als weißlich-grüne Kappe. Solche Lichter werden genanntAufregung.

Wie entstehen Polarlichter?

Die Erde ist ein riesiger Magnet, dessen Südpol in der Nähe des geografischen Nordpols liegt und der Norden in der Nähe des Südens. Die Kraftlinien des Erdmagnetfelds, Geomagnetlinien genannt, verlassen den Bereich neben dem Nordmagnetpol der Erde, bedecken den Globus und treten in den Bereich des Südmagnetpols ein und bilden ein toroidförmiges Gitter um den Erdball Erde.

Es wurde lange angenommen, dass die Lage der magnetischen Feldlinien symmetrisch zur Erdachse ist. Inzwischen ist klar, dass der sogenannte „Sonnenwind“ – ein von der Sonne ausgesandter Strom aus Protonen und Elektronen – aus einer Höhe von etwa 20.000 km auf die geomagnetische Hülle der Erde trifft, sie von der Sonne wegzieht, eine Art magnetischen "Schwanz" in der Nähe der Erde bilden.

falsche Sonnen

Nebensonnenkreis (oder Kreis falscher Sonnen) - ein weißer Ring, der am Zenitpunkt zentriert ist und parallel zum Horizont durch die Sonne verläuft. Es entsteht durch die Reflexion des Sonnenlichts an den Rändern der Oberflächen von Eiskristallen. Sind die Kristalle ausreichend gleichmäßig in der Luft verteilt, wird ein Vollkreis sichtbar. Nebensonnen oder falsche Sonnen sind hell leuchtende Punkte, die der Sonne ähneln und sich an den Schnittpunkten des Nebensonnenkreises mit dem Heiligenschein bilden und Winkelradien von 22, 46 und 90 Grad haben. Das am häufigsten gebildete und hellste Nebenschar bildet sich am Schnittpunkt mit einem 22-Grad-Halo, der normalerweise in fast allen Farben des Regenbogens gefärbt ist. Falsche Sonnen an Schnittpunkten mit 46- und 90-Grad-Halos werden viel seltener beobachtet.

Lichtmast

Eine Licht- oder Solarsäule ist ein vertikaler Lichtstreifen, der sich bei Sonnenuntergang oder Sonnenaufgang von der Sonne aus erstreckt. Das Phänomen wird durch sechseckige flache oder säulenförmige Eiskristalle verursacht. In der Luft schwebende flache Kristalle verursachen Sonnensäulen, wenn die Sonne in einer Höhe von 6 Grad über dem Horizont steht, oder dahinter säulenförmig - wenn die Sonne in einer Höhe von 20 Grad über dem Horizont steht. Kristalle neigen dazu, eine horizontale Position einzunehmen, wenn sie in die Luft fallen, und die Form der Lichtsäule hängt von ihrer relativen Position ab.

Kronen

Halos sollten von Kronen unterschieden werden. Letztere haben eine kleinere Winkelgröße (sie ist umgekehrt proportional zu den Durchmessern der Tröpfchen in der Wolke, sodass sie zur Bestimmung der Größe der Tröpfchen in den Wolken verwendet werden kann) und werden durch die Beugung der Streuung der Strahlen erklärt Lichtquelle durch Wassertröpfchen, die eine Wolke oder einen Nebel bilden. Kronenphänomene treten in dünnen Wasserwolken auf, die aus kleinen homogenen Tropfen (normalerweise Altocumuluswolken) bestehen und die Scheibe des Sterns aufgrund von Beugung bedecken. Kronen erscheinen auch im Nebel in der Nähe von künstlichen Lichtquellen. Der wichtigste und oft einzige Teil der Krone ist ein Lichtkreis mit kleinem Radius, der die Scheibe der Leuchte (oder einer künstlichen Lichtquelle) eng umgibt. Der Kreis ist meist bläulich gefärbt und nur am äußeren Rand rötlich. Es wird auch Halo oder Krone genannt. Es kann von einem oder mehreren zusätzlichen Ringen derselben, aber helleren Farbe umgeben sein, die nicht an den Kreis und aneinander angrenzen. Halo-Radius 1-5°. Sie ist umgekehrt proportional zu den Durchmessern der Tröpfchen in der Wolke, kann also zur Bestimmung der Größe der Tröpfchen in der Wolke herangezogen werden, in anderen Fällen sind außen mindestens zwei konzentrische Ringe mit größerem Durchmesser, sehr schwach gefärbt, sichtbar der Heiligenschein. Dieses Phänomen wird von schillernden Wolken begleitet. Manchmal sind die Ränder sehr hoher Wolken in leuchtenden Farben gemalt.

Fragebogen

Wie entsteht ein Regenbogen?

Was beeinflusst die Farbe des Himmels?

Ist es möglich, optische Phänomene unter Laborbedingungen zu wiederholen?

Was erklärt die Ablenkung eines Strahls in der Atmosphäre?

Wie viele Farben hat Licht?

Warum ist Luft transparent?

Welche Farbe hat der Weltraum?

Kann man auf einem Pferd über den Regenbogen rennen?

Ist die Fata Morgana eine Realität oder eine optische Täuschung?

Fazit

Die physikalische Natur des Lichts interessiert die Menschen seit jeher. Viele hervorragende Wissenschaftler haben während der gesamten Entwicklung des wissenschaftlichen Denkens darum gekämpft, dieses Problem zu lösen. Im Laufe der Zeit wurde die Komplexität eines gewöhnlichen weißen Strahls entdeckt und seine Fähigkeit, sein Verhalten abhängig von der Umgebung zu ändern, und seine Fähigkeit, Zeichen zu zeigen, die sowohl materiellen Elementen als auch der Natur elektromagnetischer Strahlung innewohnen. Der Lichtstrahl, der verschiedenen technischen Einflüssen ausgesetzt war, begann seinen Einsatz in Wissenschaft und Technik im Bereich vom Schneidwerkzeug, das das gewünschte Teil auf den Mikrometer genau bearbeiten kann, bis hin zum schwerelosen Informationsübertragungskanal mit praktisch unerschöpflichen Möglichkeiten.

Aber bevor sich die moderne Sicht auf die Natur des Lichts etablierte und der Lichtstrahl seine Anwendung im menschlichen Leben fand, wurden viele optische Phänomene, die überall in der Erdatmosphäre auftreten, aus dem bekannten Regenbogen identifiziert, beschrieben, wissenschaftlich belegt und experimentell bestätigt für alle zu komplexen, periodischen Luftspiegelungen. Aber trotzdem hat und zieht das bizarre Lichtspiel schon immer einen Menschen an. Weder die Betrachtung des Winterscheins, noch des strahlenden Sonnenuntergangs, noch des weiten, halben Himmelsstreifens der Nordlichter, noch der bescheidene mondbeschienene Weg auf der Wasseroberfläche lässt irgendjemanden gleichgültig. Ein Lichtstrahl, der die Atmosphäre unseres Planeten durchdringt, beleuchtet ihn nicht nur, sondern verleiht ihm auch ein einzigartiges Aussehen und macht ihn schön.

Natürlich treten in der Atmosphäre unseres Planeten viel mehr optische Phänomene auf, als in dieser Hausarbeit betrachtet werden. Unter ihnen gibt es sowohl uns bekannte und von Wissenschaftlern gelöste als auch solche, die noch auf ihre Entdecker warten. Und wir können nur hoffen, dass wir im Laufe der Zeit immer mehr neue Entdeckungen auf dem Gebiet optischer atmosphärischer Phänomene erleben werden, die die Vielseitigkeit eines gewöhnlichen Lichtstrahls zeigen.

Literaturverzeichnis

Gershenzon E.M., Malov N.N., Mansurov A.N. "Kurs Allgemeine Physik"

Korolev F.A. "Physikkurs" M., "Aufklärung" 1988

Internet-Ressourcen.

Anwendung

Himmel Farbe

Die Struktur des Regenbogens

Gespenster vom Brocken

Irrlichter

Fata Morgana

Chronomiragen

Polarlichter

Wie entstehen Polarlichter?

falsche Sonnen

Leuchtende Säulen

1. Optische Phänomene in der Atmosphäre waren die ersten optischen Effekte, die von Menschen beobachtet wurden. Mit dem Verständnis der Natur dieser Phänomene und der Natur des menschlichen Sehens begann die Entstehung des Lichtproblems.

Die Gesamtzahl optischer Phänomene in der Atmosphäre ist sehr groß. Hier werden nur die berühmtesten Phänomene betrachtet - Luftspiegelungen, Regenbögen, Heiligenscheine, Kronen, funkelnde Sterne, blauer Himmel und scharlachrote Morgendämmerung. Die Entstehung dieser Effekte ist mit Lichteigenschaften wie Brechung an den Grenzflächen zwischen Medien, Interferenz und Beugung verbunden.

2. atmosphärische Brechung – ist die Krümmung von Lichtstrahlen, wenn sie die Atmosphäre des Planeten passieren. Abhängig von den Strahlenquellen gibt es astronomisch und terrestrisch Brechung. Im ersten Fall stammen die Strahlen von Himmelskörpern (Sternen, Planeten), im zweiten Fall von terrestrischen Objekten. Durch die atmosphärische Brechung sieht der Betrachter ein Objekt nicht dort, wo es ist, oder nicht in der Form, die es hat.

3. Astronomische Refraktion war bereits in der Zeit des Ptolemäus (2. Jh. n. Chr.) bekannt. 1604 schlug I. Kepler vor, dass die Erdatmosphäre eine höhenunabhängige Dichte und eine bestimmte Dicke hat h(Abb. 199). Strahl 1 kommt vom Stern S direkt zum Betrachter EIN in gerader Linie, wird ihm nicht ins Auge fallen. An der Grenze von Vakuum und Atmosphäre gebrochen, trifft es auf den Punkt BEI.

Strahl 2 wird das Auge des Beobachters treffen, das ohne Brechung in der Atmosphäre passieren müsste. Als Ergebnis der Lichtbrechung (Brechung) sieht der Beobachter den Stern nicht in der Richtung S, sondern auf der Fortsetzung des in der Atmosphäre gebrochenen Strahls, dh in der Richtung S 1 .

Ecke γ , die zum Zenit abweicht Z scheinbare Position des Sterns S 1 im Vergleich zur wahren Position S, genannt Brechungswinkel. Zur Zeit Keplers waren die Brechungswinkel bereits aus den Ergebnissen astronomischer Beobachtungen einiger Sterne bekannt. Daher verwendete Kepler dieses Schema, um die Dicke der Atmosphäre abzuschätzen h. Nach seinen Berechnungen h» 4km. Wenn wir mit der Masse der Atmosphäre rechnen, dann ist das etwa die Hälfte des wahren Wertes.

Tatsächlich nimmt die Dichte der Erdatmosphäre mit der Höhe ab. Daher sind die unteren Luftschichten optisch dichter als die oberen. Schräg auf die Erde einfallende Lichtstrahlen werden nicht wie bei Kepler an einem Punkt der Grenze von Vakuum und Atmosphäre gebrochen, sondern entlang des gesamten Weges allmählich gebogen. Dies ähnelt dem Durchgang eines Lichtstrahls durch einen Stapel transparenter Platten, deren Brechungsindex umso größer ist, je tiefer die Platte liegt. Der Gesamteffekt der Brechung manifestiert sich jedoch auf die gleiche Weise wie im Kepler-Schema. Wir bemerken zwei Phänomene aufgrund der astronomischen Brechung.

a. Die scheinbaren Positionen von Himmelsobjekten verschieben sich in Richtung Zenit zum Brechungswinkel γ . Je tiefer der Stern am Horizont steht, desto deutlicher hebt sich seine scheinbare Position am Himmel gegenüber der wahren (Abb. 200). Daher ist das Bild des Sternenhimmels, von der Erde aus betrachtet, etwas zur Mitte hin verzerrt. Nur der Punkt bewegt sich nicht S im Zenit gelegen. Aufgrund der atmosphärischen Brechung können Sterne beobachtet werden, die sich leicht unterhalb der geometrischen Horizontlinie befinden.

Brechungswinkelwerte γ nimmt mit zunehmendem Winkel schnell ab. β die Höhe der Leuchte über dem Horizont. Bei β = 0 γ = 35" . Dies ist der maximale Brechungswinkel. Bei β = 5º γ = 10" , bei β = 15º γ = 3" , bei β = 30º γ = 1" . Für Leuchten, deren Höhe β > 30º, Brechungsverschiebung γ < 1" .

b. Die Sonne beleuchtet mehr als die Hälfte der Erdoberfläche.. Strahlen 1 - 1, die in Abwesenheit einer Atmosphäre die Erde an den Punkten des diametralen Abschnitts berühren sollten DD, dank der Atmosphäre berühren sie es etwas früher (Abb. 201).

Die Erdoberfläche wird von den Strahlen 2 - 2 berührt, die ohne die Atmosphäre vorbeigehen würden. Als Ergebnis die Terminator-Linie BB, die Licht von Schatten trennt, verschiebt sich in den Bereich der Nachthalbkugel. Daher ist die Fläche der Tagesoberfläche auf der Erde größer als die Fläche der Nacht.

4. Brechung der Erde. Wenn die Phänomene der astronomischen Refraktion bedingt sind globaler Brechungseffekt der Atmosphäre, dann sind die Phänomene der terrestrischen Refraktion bedingt lokale atmosphärische Veränderungen normalerweise mit Temperaturanomalien verbunden. Die bemerkenswertesten Manifestationen der terrestrischen Brechung sind Luftspiegelungen.

a. überlegene Fata Morgana(ab fr. Fata Morgana). Es wird normalerweise in arktischen Regionen mit klarer Luft und niedrigen Oberflächentemperaturen beobachtet. Die starke Abkühlung der Oberfläche ist hier nicht nur auf den niedrigen Sonnenstand über dem Horizont zurückzuführen, sondern auch darauf, dass die mit Schnee oder Eis bedeckte Oberfläche den größten Teil der Strahlung ins All reflektiert. Infolgedessen sinkt in der Oberflächenschicht, wenn sie sich der Erdoberfläche nähert, die Temperatur sehr schnell und die optische Dichte der Luft nimmt zu.

Die Krümmung der Strahlen zur Erde ist manchmal so stark, dass Objekte beobachtet werden, die weit jenseits der Linie des geometrischen Horizonts liegen. Strahl 2 in Abb. 202, der in einer gewöhnlichen Atmosphäre in die oberen Schichten gegangen wäre, wird in diesem Fall zur Erde hin gebogen und tritt in das Auge des Beobachters ein.

Eine solche Fata Morgana sind offenbar die legendären „Fliegenden Holländer“ – die Geister von Schiffen, die eigentlich hunderte oder gar tausende Kilometer entfernt sind. Überraschend bei überlegenen Luftspiegelungen ist, dass die scheinbare Größe der Körper nicht merklich abnimmt.

Beispielsweise beobachtete die Besatzung des Bremer Schiffes „Matador“ 1898 ein Geisterschiff, dessen scheinbare Ausmaße einer Entfernung von 3-5 Seemeilen entsprachen. Tatsächlich befand sich dieses Schiff, wie sich später herausstellte, zu diesem Zeitpunkt in einer Entfernung von etwa tausend Meilen. (1 Seemeile entspricht 1852 m). Oberflächenluft beugt Lichtstrahlen nicht nur, sondern bündelt sie als komplexes optisches System auch.

Unter normalen Bedingungen nimmt die Lufttemperatur mit zunehmender Höhe ab. Den umgekehrten Temperaturverlauf, wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe ansteigt, nennt man Temperaturumkehr. Temperaturinversionen können nicht nur in den arktischen Zonen auftreten, sondern auch an anderen Orten in niedrigeren Breiten. Daher können hervorragende Trugbilder überall dort auftreten, wo die Luft ausreichend sauber ist und wo Temperaturumkehrungen auftreten. Zum Beispiel werden an der Mittelmeerküste manchmal Luftspiegelungen in der Ferne beobachtet. Temperaturinversion wird hier durch heiße Luft aus der Sahara erzeugt.

b. minderwertige Fata Morgana tritt während des umgekehrten Temperaturverlaufs auf und wird normalerweise in Wüsten bei heißem Wetter beobachtet. Bis zum Mittag, wenn die Sonne hoch steht, erwärmt sich der sandige Boden der Wüste, der aus Partikeln fester Mineralien besteht, auf 50 Grad oder mehr. Gleichzeitig bleibt die Luft in einer Höhe von mehreren zehn Metern relativ kalt. Daher ist der Brechungsindex der darüber liegenden Luftschichten im Vergleich zur bodennahen Luft deutlich größer. Dies führt auch zur Krümmung der Strahlen, aber in die entgegengesetzte Richtung (Abb. 203).

Lichtstrahlen, die von den tief über dem Horizont liegenden Teilen des Himmels kommen, die dem Betrachter gegenüberliegen, werden ständig nach oben gebogen und treten in der Richtung von unten nach oben in das Auge des Betrachters ein. Dadurch sieht der Betrachter bei ihrer Fortsetzung auf der Erdoberfläche eine Spiegelung des Himmels, die einer Wasseroberfläche ähnelt. Dies ist die sogenannte „See“-Fantasie.

Der Effekt wird noch verstärkt, wenn sich in Beobachtungsrichtung Felsen, Hügel, Bäume oder Gebäude befinden. In diesem Fall sind sie als Inseln inmitten eines riesigen Sees sichtbar. Außerdem ist nicht nur das Objekt sichtbar, sondern auch seine Spiegelung. Durch die Krümmung der Strahlen wirkt die Bodenluftschicht wie ein Spiegel der Wasseroberfläche.

5. Regenbogen. Es ist bunt ein optisches Phänomen, das bei Regen beobachtet wird, von der Sonne beleuchtet wird und ein System konzentrischer farbiger Bögen darstellt.

Die erste Theorie des Regenbogens wurde 1637 von Descartes entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt waren die folgenden experimentellen Fakten in Bezug auf den Regenbogen bekannt:

a. Der Mittelpunkt des Regenbogens O liegt auf der Geraden, die die Sonne mit dem Auge des Betrachters verbindet.(Abb.204).

b. Um die Symmetrielinie Auge – Sonne verläuft ein farbiger Bogen mit einem Winkelradius von etwa 42° . Die Farben sind von der Mitte aus gezählt in der Reihenfolge: blau (d), grün (h), rot (k)(Leitungsgruppe 1). Das Hauptregenbogen. Innerhalb des Hauptregenbogens befinden sich schwache mehrfarbige Bögen in rötlichen und grünlichen Farbtönen.

in. Das zweite System von Bögen mit einem Winkelradius von ca 51° wird sekundärer Regenbogen genannt. Seine Farben sind viel blasser und verlaufen in umgekehrter Reihenfolge, von der Mitte aus gezählt, Rot, Grün, Blau (eine Gruppe von Linien 2) .

G. Der Hauptregenbogen erscheint nur, wenn die Sonne in einem Winkel von nicht mehr als 42 ° über dem Horizont steht.

Wie Descartes feststellte, ist der Hauptgrund für die Bildung des primären und sekundären Regenbogens die Brechung und Reflexion von Lichtstrahlen in Regentropfen. Betrachten Sie die wichtigsten Bestimmungen seiner Theorie.

6. Brechung und Reflexion eines monochromatischen Strahls in einem Tropfen. Lassen Sie einen monochromatischen Strahl mit Intensität ich 0 fällt auf einen kugelförmigen Tropfen mit Radius R auf Distanz j von der Achse in der Ebene des diametralen Abschnitts (Abb. 205). Am Sturzpunkt EIN Ein Teil des Strahls wird reflektiert und der Hauptteil der Intensität ich 1 geht in den Tropfen. Am Punkt B Der größte Teil des Strahls geht in die Luft (in Abb. 205 BEI Strahl nicht gezeigt), und ein kleinerer Teil wird reflektiert und fällt auf einen Punkt AUS. An der Stelle ausgestiegen AUS Strahlintensität ich 3 ist an der Bildung des Hauptbogens und schwacher Nebenbänder innerhalb des Hauptbogens beteiligt.

Lass uns die Ecke finden θ , unter dem der Strahl herauskommt ich 3 in Bezug auf den einfallenden Strahl ich 0 . Beachten Sie, dass alle Winkel zwischen dem Strahl und der Normalen innerhalb des Tropfens gleich und gleich dem Brechungswinkel sind β . (Dreiecke OAB und OVS gleichschenklig). Egal wie sehr der Strahl innerhalb des Tropfens „kreist“, alle Einfalls- und Reflexionswinkel sind gleich und gleich dem Brechungswinkel β . Aus diesem Grund tritt an den Punkten kein Strahl aus dem Tropfen aus BEI, AUS usw., tritt unter demselben Winkel aus, der gleich dem Einfallswinkel ist α .

Um einen Winkel zu finden θ Strahlablenkung ich 3 vom Original, ist es notwendig, die Abweichungswinkel an Punkten zu summieren ABER, BEI und AUS: q = (α – β) + (π – 2β) + (α - β) = π + 2α – 4β . (25.1)

Es ist bequemer, einen spitzen Winkel zu messen φ \u003d π - q \u003d 4β – 2α . (25.2)

Nachdem Descartes die Berechnung für mehrere hundert Strahlen durchgeführt hatte, fand er heraus, dass der Winkel φ mit Wachstum j, das heißt, wenn sich der Strahl wegbewegt ich 0 von der Fallachse, wächst zunächst im absoluten Wert, bei j/R≈ 0,85 nimmt einen Maximalwert an und beginnt dann abzunehmen.

Dies ist nun der Grenzwert des Winkels φ kann durch Untersuchen der Funktion gefunden werden φ bis zum Äußersten bei. Seit der Sünde α = yçR, und Sünde β = yçR· n, dann α = arcsin ( yçR), β = arcsin ( yçRn). Dann

, . (25.3)

Wenn wir die Terme in verschiedene Teile der Gleichung erweitern und quadrieren, erhalten wir:

, Þ (25.4)

Für gelb D- Natriumlinien λ = 589,3 nm Brechungsindex von Wasser n= 1,333. Punktabstand ABER Vorkommen dieses Strahls von der Achse j= 0,861R. Der Grenzwinkel für diesen Strahl ist

Interessant, dass der Punkt BEI die erste Reflexion des Strahls im Tropfen ist auch der maximale Abstand von der Tropfenachse. Erkunden in einem extremen Winkel d= p– α – ε = p– α – (p– 2β ) = 2β – α in Größe bei, erhalten wir die gleiche Bedingung bei= 0,861R und d= 42,08°/2 = 21,04°.

Abbildung 206 zeigt die Winkelabhängigkeit φ , unter der der Strahl den Tropfen nach der ersten Reflexion verlässt (Formel 25.2), an der Position des Punktes ABER Strahleintritt in den Tropfen. Alle Strahlen werden in einem Kegel mit einem Spitzenwinkel von ≈ 42º reflektiert.

Für die Bildung eines Regenbogens ist es sehr wichtig, dass die in den Tropfen eintretenden Strahlen in einer zylindrischen Schicht dicker sind uçR B. von 0,81 bis 0,90, treten nach Reflexion an der dünnen Wand des Kegels im Winkelbereich von 41,48º bis 42,08º aus. Außen ist die Wand des Kegels glatt (es gibt ein Extremum des Winkels φ ), von innen - locker. Die Winkeldicke der Wand beträgt ≈ 20 Bogenminuten. Für durchfallende Strahlen verhält sich der Tropfen wie eine Linse mit einer Brennweite f= 1,5R. Strahlen treten über die gesamte Oberfläche der ersten Halbkugel in den Tropfen ein, werden von einem divergierenden Strahl im Raum eines Kegels mit einem Achswinkel von ≈ 42º zurückgeworfen und treten durch ein Fenster mit einem Winkelradius von ≈ 21º (Abb. 207). ).

7. Die Intensität der aus dem Tropfen austretenden Strahlen. Wir sprechen hier nur von den Strahlen, die nach der ersten Reflexion aus dem Tropfen ausgetreten sind (Abb. 205). Trifft ein Strahl schräg auf einen Tropfen α , hat Intensität ich 0 , dann hat der Strahl, der in das Tröpfchen eingedrungen ist, eine Intensität ich 1 = ich 0 (1 – ρ ), wo ρ ist der Intensitätsreflexionskoeffizient.

Für unpolarisiertes Licht der Reflexionskoeffizient ρ kann mit der Fresnel-Formel (17.20) berechnet werden. Da die Formel die Quadrate der Funktionen der Differenz und der Summe der Winkel enthält α und β , dann hängt der Reflexionskoeffizient nicht davon ab, ob der Strahl in das Tröpfchen eintritt oder aus dem Tröpfchen kommt. Weil die Ecken α und β an Punkten ABER, BEI, AUS gleich sind, dann der Koeffizient ρ an allen Punkten ABER, BEI, AUS das Gleiche. Daher die Intensität der Strahlen ich 1 = ich 0 (1 – ρ ), ich 2 = ich 1 ρ = ich 0 ρ (1 – ρ ), ich 3 = ich 2 (1 – ρ ) = ich 0 ρ (1 – ρ ) 2 .

Tabelle 25.1 zeigt die Werte der Winkel φ , Koeffizient ρ und Intensitätsverhältnisse ich 3 cI 0 bei unterschiedlichen Entfernungen berechnet uçR Strahleintritt für gelbe Natriumlinie λ = 589,3 nm. Wie aus der Tabelle ersichtlich, wann bei≤ 0,8R in den Strahl ich 3 fallen weniger als 4 % der Energie des auf den Tropfen auftreffenden Strahls. Und erst ab bei= 0,8R und mehr bis zu bei= R Ausgangsstrahlintensität ich 3 wird multipliziert.

Tabelle 25.1
j/R	α ,º	β ,º	φ ,º	ρ	ich 3 /ich 0
0	0	0	0	0,020	0,019
0,30	17,38	12,94	16,99	0,020	0,019
0,50	29,87	21,89	27,82	0,021	0,020
0,60	36,65	26,62	33,17	0,023	0,022
0,65	40,36	29,01	35,34	0,025	0,024
0,70	44,17	31,52	37,73	0,027	0,025
0,75	48,34	34,09	39,67	0,031	0,029
0,80	52,84	36,71	41,15	0,039	0,036
0,85	57,91	39,39	42,08	0,052	0,046
0,90	63,84	42,24	41,27	0,074	0,063
0,95	71,42	45,20	37,96	0,125	0,095
1,00	89,49	48,34	18,00	0,50	0,125

Also die Strahlen, die im Grenzwinkel aus dem Tropfen austreten φ , haben im Vergleich zu anderen Strahlen aus zwei Gründen eine viel größere Intensität. Zum einen durch die starke Winkelkompression des Strahlenbündels in der dünnen Kegelwand und zum anderen durch geringere Verluste im Tropfen. Allein die Intensität dieser Strahlen reicht aus, um im Auge das Gefühl des Glanzes eines Tropfens hervorzurufen.

8. Entstehung des Hauptregenbogens. Wenn Licht auf einen Tropfen fällt, teilt sich der Strahl aufgrund von Dispersion. Dadurch wird die Wand des hellen Reflexionskegels farbig geschichtet (Abb. 208). lila Strahlen ( l= 396,8 nm) schräg austreten j= 40°36", rot ( l= 656,3 nm) - schräg j= 42°22". In diesem Winkelintervall D φ \u003d 1 ° 46 "umfasst das gesamte Spektrum der aus dem Tropfen austretenden Strahlen. Violette Strahlen bilden einen inneren Kegel, rote einen äußeren Kegel. Wenn die von der Sonne beleuchteten Regentropfen vom Beobachter gesehen werden, dann diejenigen von ihnen, deren Kegel Strahlen, die in das Auge eintreten, werden als die hellsten gesehen.Als Ergebnis werden alle Tropfen, die in Bezug auf den Sonnenstrahl stehen, der durch das Auge des Betrachters in einem Winkel eines roten Kegels geht, als rot gesehen, in einem Winkel von grün - grün (Abb. 209).

9. Sekundäre Regenbogenbildung entsteht durch die nach der zweiten Reflexion aus dem Tropfen austretenden Strahlen (Abb. 210). Die Intensität der Strahlen nach der zweiten Reflexion ist etwa eine Größenordnung geringer als die der Strahlen nach der ersten Reflexion und hat bei einer Änderung in etwa den gleichen Weg uçR.

Die nach der zweiten Reflexion aus dem Tropfen austretenden Strahlen bilden einen Kegel mit einem Spitzenwinkel von ≈ 51º. Wenn der Primärkegel außen eine glatte Seite hat, dann hat der Sekundärkegel innen eine glatte Seite. Zwischen diesen Kegeln gibt es praktisch keine Strahlen. Je größer die Regentropfen, desto heller der Regenbogen. Mit abnehmender Größe der Tröpfchen wird der Regenbogen blass. Wenn aus Regen Nieselregen wird R≈ 20 - 30 Mikrometer degeneriert der Regenbogen zu einem weißlichen Bogen mit fast nicht unterscheidbaren Farben.

10. Heiligenschein(aus dem Griechischen. Heiligenscheine- Ring) - ein optisches Phänomen, das normalerweise ist schillernde Kreise um die Sonnen- oder Mondscheibe mit einem Winkelradius 22º und 46º. Diese Kreise entstehen durch Lichtbrechung durch Eiskristalle in Cirruswolken, die die Form von sechseckigen regelmäßigen Prismen haben.

Zu Boden fallende Schneeflocken haben eine sehr unterschiedliche Form. Die durch Dampfkondensation in der oberen Atmosphäre gebildeten Kristalle haben jedoch hauptsächlich die Form von hexagonalen Prismen. Von allen möglichen Optionen für den Durchgang eines Strahls durch ein Sechskantprisma sind drei am wichtigsten (Abb. 211).

Im Fall (a) geht der Strahl ohne Aufspaltung oder Ablenkung durch gegenüberliegende parallele Flächen des Prismas.

Im Fall (b) tritt der Strahl durch die Prismenflächen, die einen Winkel von 60º zueinander bilden, und wird wie in einem Spektralprisma gebrochen. Die Intensität des Strahls, der im Winkel der geringsten Abweichung von 22º austritt, ist maximal. Im dritten Fall (c) tritt der Strahl durch die Seitenfläche und die Basis des Prismas. Brechungswinkel 90º, Winkel der geringsten Abweichung 46º. In den beiden letzteren Fällen werden die weißen Strahlen geteilt, die blauen Strahlen weichen stärker ab, die roten Strahlen weniger. Die Fälle (b) und (c) verursachen das Erscheinen von Ringen, die in den durchgelassenen Strahlen beobachtet werden und Winkelabmessungen von 22º und 46º haben (Abb. 212).

Normalerweise ist der äußere Ring (46º) heller als der innere und beide haben einen rötlichen Farbton. Dies erklärt sich nicht nur durch die starke Streuung der blauen Strahlen in der Wolke, sondern auch dadurch, dass die Streuung der blauen Strahlen im Prisma größer ist als die der roten. Daher verlassen blaue Strahlen die Kristalle in einem stark divergierenden Strahl, wodurch ihre Intensität abnimmt. Und die roten Strahlen kommen in einem schmalen Strahl heraus, der eine viel größere Intensität hat. Unter günstigen Bedingungen, wenn Farben unterschieden werden können, ist die Innenseite der Ringe rot, die Außenseite blau.

10. Kronen- helle Nebelringe um die Scheibe des Sterns. Ihr Winkelradius ist viel kleiner als der Halo-Radius und überschreitet 5º nicht. Kronen entstehen durch Beugungsstreuung von Strahlen durch Wassertröpfchen, die eine Wolke oder einen Nebel bilden.

Wenn der Tropfenradius R, dann wird das erste Beugungsminimum in parallelen Strahlen unter einem Winkel beobachtet j = 0,61∙lçR(siehe Formel 15.3). Hier l ist die Wellenlänge des Lichts. Die Beugungsmuster einzelner Tropfen in parallelen Strahlen fallen zusammen, wodurch die Intensität der Lichtringe verstärkt wird.

Aus dem Durchmesser der Kronen lässt sich die Größe der Tröpfchen in der Wolke bestimmen. Je größer die Tropfen (mehr R), desto kleiner die Winkelgröße des Rings. Die größten Ringe werden aus den kleinsten Tröpfchen beobachtet. Bei Entfernungen von mehreren Kilometern sind Beugungsringe noch sichtbar, wenn die Tröpfchengröße mindestens 5 µm beträgt. In diesem Fall j max = 0,61 lçR≈ 5 ¸ 6°.

Die Farbe der hellen Ringe der Kronen ist sehr schwach. Wenn es auffällt, hat der äußere Rand der Ringe eine rötliche Farbe. Das heißt, die Farbverteilung in den Kronen ist umgekehrt zu der Farbverteilung in den Halo-Ringen. Dies ermöglicht neben den Winkelmaßen auch eine Unterscheidung zwischen den Kronen und dem Halo. Wenn sich in der Atmosphäre Tröpfchen unterschiedlicher Größe befinden, bilden die übereinander liegenden Ringe der Kronen ein allgemeines helles Leuchten um die Sternscheibe. Dieses Leuchten wird genannt Heiligenschein.

11. Blauer Himmel und scharlachrote Morgendämmerung. Wenn die Sonne über dem Horizont steht, erscheint ein wolkenloser Himmel blau. Tatsache ist, dass aus den Strahlen des Sonnenspektrums gemäß dem Rayleigh-Gesetz ich Rasse ~ 1 /l 4, kurze blaue, cyanfarbene und violette Strahlen werden am intensivsten gestreut.

Wenn die Sonne tief über dem Horizont steht, wird ihre Scheibe aus dem gleichen Grund als purpurrot wahrgenommen. Durch die starke Streuung von kurzwelligem Licht erreichen hauptsächlich schwach gestreute rote Strahlen den Betrachter. Die Streuung der Strahlen der aufgehenden oder untergehenden Sonne ist besonders groß, weil die Strahlen in der Nähe der Erdoberfläche, wo die Konzentration der Streupartikel besonders hoch ist, eine lange Strecke zurücklegen.

Morgen- oder Abenddämmerung - die Färbung des sonnennahen Himmels in Rosa - erklärt sich durch die Beugungsstreuung von Licht an Eiskristallen in der oberen Atmosphäre und die geometrische Reflexion von Licht von Kristallen.

12. funkelnde Sterne- Dies sind schnelle Änderungen in der Helligkeit und Farbe von Sternen, die sich besonders in Horizontnähe bemerkbar machen. Das Funkeln der Sterne entsteht durch die Brechung von Strahlen in schnell laufenden Luftstrahlen, die aufgrund unterschiedlicher Dichten einen unterschiedlichen Brechungsindex haben. Dadurch verhält sich die Atmosphärenschicht, die der Strahl durchdringt, wie eine Linse mit variabler Brennweite. Es kann sowohl Sammeln als auch Streuen sein. Im ersten Fall wird das Licht gebündelt, die Brillanz des Sterns verstärkt, im zweiten Fall wird das Licht gestreut. Ein solcher Vorzeichenwechsel wird bis zu hundertmal pro Sekunde aufgezeichnet.

Durch die Streuung wird der Strahl in verschiedenfarbige Strahlen zerlegt, die unterschiedlichen Bahnen folgen und um so stärker divergieren können, je tiefer der Stern am Horizont steht. Der Abstand zwischen den violetten und roten Strahlen eines Sterns kann in der Nähe der Erdoberfläche 10 Meter erreichen. Dadurch sieht der Beobachter eine kontinuierliche Veränderung der Helligkeit und Farbe des Sterns.

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Der Zweck der Lektion: sich eine Vorstellung von optischen Phänomenen in der Atmosphäre zu machen.

Erwartetes Ergebnis: Die Studierenden sollten wissen / verstehen und erklären, wie atmosphärische Phänomene aufgrund der Reflexion von Sonnenlicht entstehen; elektrische Phänomene.

Grundbegriffe und Konzepte: optische Phänomene in der Atmosphäre, Regenbogen, Fata Morgana, Halo, Aurora, Blitze, „St. Elmo's Lights“.

Ressourcen:
– Lehrbuch – S. 106–109;
– elektronische Ergänzung zum Lehrbuch;
– Präsentation für den Unterricht.

Ausrüstung:
- Beamer;
- Bildschirm;
- Computer des Lehrers;
– Laptops auf jedem Schreibtisch;
– Gefäß im orientalischen Stil;
- Anzug für Old Man Hottabych.

Während des Unterrichts

- Gibt es Kinder, eine Decke,
Um die ganze Erde zu bedecken?
Damit es für alle reicht
War es nicht sichtbar?
Nicht falten, nicht entfalten
Fühle nicht, schaue nicht?
Regen und Licht durchlassen
Gibt es, aber nicht?
- Was ist diese Decke? (Atmosphäre ist die Lufthülle der Erde.)

Und wir beschäftigen uns mit Ihnen weiter mit dem Thema „Atmosphäre“. Zuerst stelle ich Ihnen ein paar Fragen:

1. Woraus besteht die Erdatmosphäre? (Ein Gemisch aus Gasen, winzigen Wassertropfen und Eiskristallen, Staub, Ruß, organischen Stoffen.)

2. In welcher Form ist Feuchtigkeit in der Luft enthalten? (Wasserdampf, Wassertropfen und Eiskristalle.)

3. Die Atmosphäre ist nicht homogen, hat sie mehrere Schichten? (Tropo-Strato-Meso-Thermo-Exo-Ionosphäre.)

4. In welchen Schichten erscheint die Aurora? (Ionosphäre.)

- Polarlichter, Blitze, Luftspiegelungen machten den Menschen in der Antike Angst. Heute ist es Wissenschaftlern gelungen, die Geheimnisse dieser mysteriösen Phänomene aufzudecken. Und das Thema unserer Lektion ist „Optische Phänomene in der Atmosphäre“.

Und was ist dieses mysteriöse Gefäß auf meinem Tisch? Wissen Sie? Mal schauen?

(Er öffnet das Gefäß, Rauch quillt heraus, der alte Hottabych erscheint.)

– Apchi! Seid gegrüßt, mein weiser Herr! (DGassenworte Hottabycha, gespielt von einem der Schüler sind unterstrichen.)
- Wo kommst du her? Kommst du vom Theater?
– Oh nein, mein Herr! Ich bin von diesem Schiff!
– Also du..?
– Ja, ich bin der mächtige und in allen vier Ländern der Welt verherrlichte Geist Gassan Abdurahman ibn Hottab, das heißt, der Sohn von Hottab!
- Hottabytsch?!
– Und wer sind diese schönen Jünglinge?
- ABER das sind Schüler der 6. A-Klasse, und jetzt haben wir Erdkundeunterricht.
– Geographieunterricht! Wisse, oh Schönste der Schönen, dass du ein unerhörtes Glück hast, denn ich bin reich an Geographiekenntnissen. Ich werde dich unterrichten, und du wirst unter den Schülern deiner Schule und unter den Schülern aller Schulen in deiner Region berühmt werden!
– Darüber freuen wir uns sehr, lieber Hottabych.
– Und was sind das für magische Black Boxes, die vor Ihnen liegen?
– Das sind Computer, mit denen Kinder heute Erdkunde lernen. Ich lade Sie ein, lieber Hottabych, heute mit uns zu arbeiten. Und ich werde die Jungs bitten, den Bildschirm der Lektion "Optische Phänomene in der Atmosphäre. Was denkst du, was sind optische Phänomene? (Licht, visuell) zu öffnen.
Heute lernen wir einige optische Phänomene kennen, füllen Sie die Tabelle aus, die vor Ihnen liegt. Nun, unser geschätzter Hottabych wird uns erzählen, wie die alten Wissenschaftler dieses oder jenes Phänomen darstellten.

Also lasst uns anfangen!

Phänomene im Zusammenhang mit der Reflexion von Sonnenlicht.

Regenbogen - Der Sommerregen war vorbei, und die Sonne schien wieder. Und wie durch Zauberei erschien ein Regenbogenbogen am Himmel.

Ich weiß, dass der Gott des alten Babylon den Regenbogen als Zeichen dafür schuf, dass er sich entschied, die Sintflut zu stoppen.

Was denken moderne Wissenschaftler darüber?

Sonnenlicht erscheint uns weiß, besteht aber eigentlich aus 7 Lichtfarben: Rot, Orange, Grün, Blau, Indigo und Violett. Beim Durchgang durch die Wassertropfen wird der Sonnenstrahl gebrochen und zerfällt in verschiedene Farben. Deshalb kann man nach dem Regen oder in der Nähe der Wasserfälle den Regenbogen sehen. (Eintrag in die Tabelle machen).

– Viele Wüstenreisende werden Zeuge eines anderen atmosphärischen Phänomens -Fata Morgana.

Die alten Ägypter glaubten, dass eine Fata Morgana der Geist eines Landes ist, das nicht mehr existiert.

(Kinder studieren diesen Abschnitt in der elektronischen Anwendung und sagen die moderne Version)

Warum entstehen Luftspiegelungen? Dies geschieht, wenn heiße Luft über der Oberfläche aufsteigt. Seine Dichte beginnt zuzunehmen. Luft mit unterschiedlichen Temperaturen hat unterschiedliche Dichten, und ein Lichtstrahl, der von Schicht zu Schicht geht, wird gebogen und bringt das Objekt visuell näher. M. entstehen über einer heißen (Wüste, Asphalt) oder im Gegenteil über einer gekühlten Oberfläche (Wasser).

Heiligenschein . Bei frostigem Wetter erscheinen ausgeprägte Ringe um Sonne und Mond -Heiligenschein.

„Das bedeutet, dass zu dieser Zeit ein Hexensabbat ist.

(Kinder studieren diesen Abschnitt in der elektronischen Anwendung und sagen die moderne Version.)

Sie entstehen, wenn Licht in den Eiskristallen von Cirrostratus-Wolken reflektiert wird. Kronen - mehrere ineinander verschachtelte Ringe (Aufzeichnungen).
Luft leitet keinen Strom, aber in einigen Fällen wird festgestellt, dass sie einfach mit Strom überfüllt ist.

Phänomene im Zusammenhang mit Elektrizität.

Polar Lichter - Bewohner der Polarregionen können die Nordlichter bewundern.

-E dann tritt selbstleuchtende Luft durch ein Loch in der Erde aus.

(Kinder studieren diesen Abschnitt in der elektronischen Anwendung und sagen die moderne Version.)

Die Sonne sendet einen Strom elektrisch geladener Teilchen zur Erde, die mit Luftteilchen kollidieren und zu leuchten beginnen. (Aufzeichnungen.)

Blitz - „Ein Feuerpfeil fliegt, niemand wird ihn fangen – weder der König noch die Königin noch die schöne Jungfrau.

- Es ist Gott Perun, der mit seiner Steinwaffe eine Schlange schlägt.

(Kinder studieren diesen Abschnitt in der elektronischen Anwendung und sagen die moderne Version.)

Eine sichtbare elektrische Entladung zwischen Wolken oder zwischen einer Wolke und dem Boden. Blitz Donner. Luft kann sich in Blitzen auf bis zu 30.000 gr erhitzen (das ist 5 mal mehr als auf der Sonnenoberfläche).

Arten von Blitzen (linear und Kugel), warum sind sie gefährlich? (Aufzeichnungen.)

Ein weiteres Phänomen, das mit dem elektrischen Leuchten der Atmosphäre verbunden ist

"Feuer von Saint Elmo".

Segler halten es für ein schlechtes Omen.

(Kinder studieren diesen Abschnitt in der elektronischen Anwendung und sagen die moderne Version.)

Heute haben wir einige ungewöhnliche Phänomene in der Natur kennengelernt.

– Dank Hottabych lernten wir die Ansichten der Alten über optische Phänomene in der Atmosphäre kennen.

– Nun, ich habe herausgefunden, wie eure modernen Wissenschaftler viele mysteriöse Phänomene erklären.

(Wenn Zeit ist: Ich schlage vor, Sie testen sich mit einem Quiz.)

Heute hast du es gut gemacht, dieses Thema ist sehr komplex, und du wirst es im Physikunterricht in den Klassen 10-11 vertiefen.

DZ : Machen Sie das Quiz für diese Lektion.

Wer möchte: In weiteren Informationsquellen erfahren, was ungewöhnliche atm. Phänomene haben sich jemals in Ihrer Gegend ereignet. Wie werden sie beschrieben?

In der Schule beschäftigt sich die 6. Klasse mit dem Thema „Optische Phänomene in der Atmosphäre“. Es ist jedoch nicht nur für den neugierigen Verstand eines Kindes interessant. In der Atmosphäre vereinen sie einerseits einen Regenbogen, eine Veränderung der Himmelsfarbe bei Sonnenauf- und -untergängen, die jeder mehr als einmal gesehen hat. Auf der anderen Seite gehören mysteriöse Luftspiegelungen, falsche Monde und Sonnen, beeindruckende Lichthöfe, die in der Vergangenheit die Menschen erschreckten. Der Entstehungsmechanismus einiger von ihnen ist bis heute unklar, jedoch ist das allgemeine Prinzip, nach dem optische Phänomene in der Natur „leben“, von der modernen Physik gut untersucht worden.

Luftschale

Die Erdatmosphäre ist eine Hülle, die aus einem Gasgemisch besteht und sich etwa 100 km über dem Meeresspiegel erstreckt. Die Dichte der Luftschicht ändert sich mit der Entfernung von der Erde: ihren höchsten Wert hat sie an der Oberfläche des Planeten, mit der Höhe nimmt sie ab. Die Atmosphäre kann nicht als statisches Gebilde bezeichnet werden. Die Schichten der Gashülle sind ständig in Bewegung und vermischen sich. Ihre Eigenschaften ändern sich: Temperatur, Dichte, Bewegungsgeschwindigkeit, Transparenz. All diese Nuancen beeinflussen die Sonnenstrahlen, die auf die Oberfläche des Planeten strömen.

Optisches System

Die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse sowie deren Zusammensetzung tragen zur Absorption, Brechung und Reflexion von Lichtstrahlen bei. Einige von ihnen erreichen das Ziel - die Erdoberfläche, die anderen werden zerstreut oder zurück ins Weltall gelenkt. Infolge der Krümmung und des Zerfalls eines Teils der Strahlen in ein Spektrum usw. entstehen in der Atmosphäre verschiedene optische Phänomene.

atmosphärische Optik

Zu einer Zeit, als die Wissenschaft noch in den Kinderschuhen steckte, erklärte man optische Phänomene anhand der vorherrschenden Vorstellungen vom Aufbau des Universums. Der Regenbogen verband die menschliche Welt mit der göttlichen, das Erscheinen zweier falscher Sonnen am Himmel zeugte von den nahenden Katastrophen. Heute haben die meisten Phänomene, die unsere fernen Vorfahren erschreckten, eine wissenschaftliche Erklärung erhalten. Die atmosphärische Optik beschäftigt sich mit der Erforschung solcher Phänomene. Diese Wissenschaft beschreibt optische Phänomene in der Atmosphäre basierend auf den Gesetzen der Physik. Sie ist in der Lage zu erklären, dass es tagsüber und während des Sonnenuntergangs und der Morgendämmerung seine Farbe ändert, wie ein Regenbogen entsteht und woher Luftspiegelungen kommen. Zahlreiche Studien und Experimente machen es heute möglich, solche optischen Phänomene in der Natur zu verstehen, wie das Erscheinen von leuchtenden Kreuzen, Fata Morgana, schillernden Halos.

Blauer Himmel

Die Farbe des Himmels ist uns so vertraut, dass wir uns selten fragen, warum das so ist. Trotzdem kennen die Physiker die Antwort gut. Newton bewies, dass es unter bestimmten Bedingungen in ein Spektrum zerfällt. Beim Durchgang durch die Atmosphäre wird der der blauen Farbe entsprechende Teil besser gestreut. Der Rotbereich zeichnet sich durch eine längere Wellenlänge aus und ist dem Violett im Streugrad um das 16-fache unterlegen.

Gleichzeitig sehen wir den Himmel nicht lila, sondern blau. Der Grund dafür liegt in den Besonderheiten der Struktur der Netzhaut und dem Verhältnis von Teilen des Spektrums im Sonnenlicht. Unsere Augen reagieren empfindlicher auf Blau, und der violette Teil des Spektrums des Sterns ist weniger intensiv als Blau.

scharlachroter Sonnenuntergang

Als die Menschen es herausfanden, waren optische Phänomene für sie kein Beweis mehr oder ein Omen für schreckliche Ereignisse. Der wissenschaftliche Ansatz beeinträchtigt jedoch nicht den Empfang von farbenfrohen Sonnenuntergängen und sanften Morgendämmerungen. Helle Rot- und Orangetöne, zusammen mit Rosa und Blau, weichen nach und nach der Dunkelheit der Nacht oder dem Morgenlicht. Es ist unmöglich, zwei identische Sonnenaufgänge oder Sonnenuntergänge zu beobachten. Und der Grund dafür liegt in der gleichen Beweglichkeit der Atmosphärenschichten und wechselnden Wetterbedingungen.

Bei Sonnenuntergängen und -aufgängen legen die Sonnenstrahlen einen längeren Weg zur Oberfläche zurück als tagsüber. Als Ergebnis gehen diffuses Violett, Blau und Grün zu den Seiten, und direktes Licht wird rot und orange. In der Luft schwebende Wolken, Staub oder Eispartikel tragen zum Bild des Sonnenuntergangs und der Morgendämmerung bei. Das Licht wird beim Durchgang durch sie gebrochen und färbt den Himmel in einer Vielzahl von Schattierungen. Auf dem der Sonne gegenüberliegenden Teil des Horizonts kann man oft den sogenannten Venusgürtel beobachten – ein rosafarbenes Band, das den dunklen Nachthimmel vom blauen Taghimmel trennt. Das schöne optische Phänomen, benannt nach der römischen Liebesgöttin, ist vor Sonnenaufgang und nach Sonnenuntergang sichtbar.

Regenbogenbrücke

Vielleicht beschwören keine anderen Lichtphänomene in der Atmosphäre so viele mythologische Handlungen und Märchenbilder herauf wie jene, die mit dem Regenbogen in Verbindung gebracht werden. Der Bogen oder Kreis, bestehend aus sieben Farben, ist jedem seit seiner Kindheit bekannt. Ein wunderschönes atmosphärisches Phänomen, das bei Regen auftritt, wenn die Sonnenstrahlen durch die Tropfen dringen, fasziniert selbst diejenigen, die seine Natur gründlich studiert haben.

Und die Physik des Regenbogens ist heute für niemanden ein Geheimnis. Sonnenlicht, gebrochen durch Regentropfen oder Nebel, spaltet sich. Als Ergebnis sieht der Betrachter sieben Farben des Spektrums, von Rot bis Violett. Es ist unmöglich, die Grenzen zwischen ihnen zu definieren. Farben gehen durch mehrere Schattierungen fließend ineinander über.

Bei der Beobachtung eines Regenbogens befindet sich die Sonne immer hinter dem Rücken der Person. Das Zentrum von Iridas Lächeln (wie die alten Griechen den Regenbogen nannten) liegt auf einer Linie, die durch den Betrachter und das Tageslicht verläuft. Ein Regenbogen erscheint normalerweise als Halbkreis. Seine Größe und Form hängen vom Stand der Sonne und dem Punkt ab, an dem sich der Beobachter befindet. Je höher die Leuchte über dem Horizont, desto tiefer fällt der Kreis des möglichen Erscheinens eines Regenbogens. Wenn die Sonne 42º über dem Horizont vorbeigeht, kann ein Beobachter auf der Erdoberfläche den Regenbogen nicht sehen. Je höher über dem Meeresspiegel sich eine Person befindet, die das Lächeln von Irida bewundern möchte, desto wahrscheinlicher sieht sie keinen Bogen, sondern einen Kreis.

Doppelter, schmaler und breiter Regenbogen

Oft sieht man neben dem Hauptregenbogen den sogenannten sekundären Regenbogen. Wenn der erste durch eine einfache Lichtreflexion entsteht, ist der zweite das Ergebnis einer doppelten Reflexion. Darüber hinaus zeichnet sich der Hauptregenbogen durch eine bestimmte Farbreihenfolge aus: Rot befindet sich außen und Lila innen, was näher an der Erdoberfläche liegt. Die Seite "Brücke" ist das Spektrum in umgekehrter Reihenfolge: Violett ist oben. Dies geschieht, weil die Strahlen bei der Doppelreflexion an einem Regentropfen in unterschiedlichen Winkeln austreten.

Regenbogen variieren in Farbintensität und Breite. Die hellsten und eher schmalen erscheinen nach einem Sommergewitter. Große Tropfen, die für einen solchen Regen charakteristisch sind, lassen einen gut sichtbaren Regenbogen mit unterschiedlichen Farben entstehen. Kleine Tropfen ergeben einen verschwommenen und weniger wahrnehmbaren Regenbogen.

Optische Phänomene in der Atmosphäre: Aurora

Eines der schönsten atmosphärischen optischen Phänomene ist die Aurora. Es ist charakteristisch für alle Planeten mit einer Magnetosphäre. Auf der Erde werden Polarlichter in hohen Breiten in beiden Hemisphären beobachtet, in Zonen, die die magnetischen Pole des Planeten umgeben. Meistens sieht man ein grünliches oder blaugrünes Leuchten, manchmal ergänzt durch rote und rosa Blitze an den Rändern. Das intensive Polarlicht hat die Form von Bändern oder Stofffalten und verwandelt sich beim Verblassen in Flecken. Am unteren Rand heben sich mehrere hundert Kilometer hohe Streifen gut vom dunklen Himmel ab. Die obere Grenze der Aurora geht am Himmel verloren.

Diese schönen optischen Phänomene in der Atmosphäre bewahren immer noch ihre Geheimnisse vor den Menschen: Der Mechanismus des Auftretens bestimmter Arten von Lumineszenz, die Ursache für das Knistern, das bei scharfen Blitzen auftritt, wurde nicht vollständig untersucht. Das allgemeine Bild der Entstehung von Polarlichtern ist jedoch heute bekannt. Der Himmel über dem Nord- und Südpol ist mit einem grünlich-rosa Schimmer geschmückt, wenn geladene Teilchen des Sonnenwinds mit Atomen in der oberen Erdatmosphäre kollidieren. Letztere erhalten durch die Wechselwirkung zusätzliche Energie und geben diese in Form von Licht ab.

Heiligenschein

Die Sonne und der Mond erscheinen oft vor uns, umgeben von einem Schein, der einem Heiligenschein ähnelt. Dieser Halo ist ein gut sichtbarer Ring um die Lichtquelle. In der Atmosphäre entsteht es meistens durch die kleinsten Eispartikel, die sich hoch über der Erde bilden. Je nach Form und Größe der Kristalle ändern sich die Eigenschaften des Phänomens. Oft nimmt der Halo durch die Zerlegung des Lichtstrahls in ein Spektrum die Form eines Regenbogenkreises an.

Eine interessante Variation des Phänomens wird Parhelion genannt. Durch die Lichtbrechung in Eiskristallen auf Sonnenhöhe entstehen zwei helle Flecken, die einem Tageslichtstern ähneln. In historischen Chroniken findet man Beschreibungen dieses Phänomens. In der Vergangenheit galt es oft als Vorbote gewaltiger Ereignisse.

Fata Morgana

Luftspiegelungen sind auch optische Phänomene in der Atmosphäre. Sie entstehen durch Lichtbrechung an der Grenze zwischen Luftschichten, die sich in ihrer Dichte stark unterscheiden. Die Literatur beschreibt viele Fälle, in denen ein Reisender in der Wüste Oasen oder sogar Städte und Burgen sah, die nicht in der Nähe sein konnten. Meistens sind dies "untere" Luftspiegelungen. Sie entstehen über einer ebenen Fläche (Wüste, Asphalt) und stellen ein Spiegelbild des Himmels dar, der dem Betrachter wie ein Reservoir erscheint.

Weniger verbreitet sind die sogenannten überlegenen Luftspiegelungen. Sie bilden sich über kalten Oberflächen. Überlegene Luftspiegelungen sind gerade und umgekehrt, manchmal kombinieren sie beide Positionen. Die berühmteste Vertreterin dieser optischen Phänomene ist Fata Morgana. Dies ist eine komplexe Fata Morgana, die mehrere Arten von Reflexionen gleichzeitig kombiniert. Reale Objekte erscheinen vor dem Betrachter, immer wieder gespiegelt und vermischt.

atmosphärische Elektrizität

Elektrische und optische Phänomene in der Atmosphäre werden oft gemeinsam erwähnt, obwohl ihre Ursachen unterschiedlich sind. Die Polarisierung von Wolken und die Entstehung von Blitzen sind mit Prozessen in der Troposphäre und Ionosphäre verbunden. Riesenfunkenentladungen entstehen normalerweise während eines Gewitters. Blitze treten in Wolken auf und können den Boden treffen. Sie sind eine Bedrohung für das menschliche Leben, und dies ist einer der Gründe für das wissenschaftliche Interesse an solchen Phänomenen. Einige Eigenschaften von Blitzen sind Forschern immer noch ein Rätsel. Heute ist die Ursache von Kugelblitzen unbekannt. Wie bei einigen Aspekten der Aurora- und Fata Morgana-Theorie faszinieren elektrische Phänomene Wissenschaftler weiterhin.

Optische Phänomene in der Atmosphäre, im Artikel kurz beschrieben, werden für Physiker von Tag zu Tag verständlicher. Gleichzeitig überraschen sie die Menschen wie ein Blitz immer wieder mit ihrer Schönheit, ihrem Geheimnis und manchmal ihrer Grandiosität.

In der Antike erschreckten Luftspiegelungen, Polarlichter, mysteriöse Lichter und Kugelblitze abergläubische Menschen. Heute ist es Wissenschaftlern gelungen, die Geheimnisse dieser mysteriösen Phänomene zu enthüllen und die Art ihres Auftretens zu verstehen.

Phänomene im Zusammenhang mit der Reflexion von Sonnenlicht

Jeder hat schon oft gesehen, wie nach einem Regen oder nicht weit von einem stürmischen Wasserstrom eine farbige Brücke am Himmel erscheint - ein Regenbogen. Der Regenbogen verdankt seine Farben den Sonnenstrahlen und den in der Luft schwebenden Feuchtigkeitströpfchen. Wenn Licht auf einen Wassertropfen trifft, spaltet es sich in verschiedene Farben auf. In den meisten Fällen reflektiert der Tropfen Licht nur einmal, aber manchmal wird das Licht zweimal vom Tropfen reflektiert. Dann blitzen zwei Regenbögen am Himmel auf.

Viele Wüstenreisende haben ein weiteres atmosphärisches Fata Morgana-Phänomen erlebt. Mitten in der Wüste erschien eine Oase mit Palmen, eine Karawane oder ein Schiff, das sich über den Himmel bewegte. Dies geschieht, wenn heiße Luft über der Oberfläche aufsteigt. Seine Dichte nimmt mit der Höhe zu. Dann ist das Bild des entfernten Objekts über seiner tatsächlichen Position zu sehen.

Bei frostigem Wetter erscheinen ausgeprägte Halo-Ringe um die Sonne und die Lupe. Sie entstehen, wenn Licht von Eiskristallen reflektiert wird, die sich ziemlich hoch in der Atmosphäre befinden, wie z. B. Cirruswolken. Von innen kann der Halo eine helle Farbe und einen rötlichen Farbton haben. Eiskristalle reflektieren das Sonnenlicht manchmal so bizarr, dass andere Illusionen am Himmel erscheinen: zwei Sonnen, vertikale Lichtsäulen oder Sonnenbögen. Um die Sonne und den Mond herum bilden sich manchmal Halos - Kronen. Die Kronen sehen aus wie mehrere ineinander verschachtelte Ringe. Sie kommen in Altocumulus- und Altostratus-Wolken vor. Ein Farbkranz kann um einen Schatten erscheinen, der beispielsweise von einem Flugzeug auf darunter liegende Wolken geworfen wird.

Phänomene im Zusammenhang mit Elektrizität

Kleinste Teilchen aus dem Weltall gelangen oft in die oberen Schichten. Durch ihre Kollision mit Gas- und Staubpartikeln entsteht Aurora - das Leuchten des Himmels mit Blitzen in den polaren Breiten der nördlichen und südlichen Hemisphäre. Die Formen und Farben der Aurora Borealis sind vielfältig. Seine Dauer kann von einigen zehn Minuten bis zu mehreren Tagen betragen.

Tropfen und Eiskristalle, die sich in Kumulonimbuswolken bewegen, sammeln elektrische Ladungen an. Daraus entsteht ein riesiger Funke zwischen den Wolken oder zwischen der Wolke und der Erde - Blitz, der von Donner begleitet wird. Die Ansammlung von Elektrizität in der Atmosphäre bildet manchmal eine leuchtende Kugel mit einem Durchmesser von mehreren zehn Zentimetern - das ist ein Kugelblitz. Es bewegt sich mit der Luftbewegung und kann bei Kontakt mit einzelnen Gegenständen, insbesondere Metall, explodieren. Nach dem Eindringen in das Haus bewegen sich Kugelblitze schnell durch den Raum und hinterlassen verbrannte Stellen. Kugelblitze können schwere Verbrennungen und den Tod verursachen. Eine genaue Erklärung der Natur dieses Phänomens gibt es noch nicht.

Ein weiteres Phänomen, das mit dem elektrischen Leuchten der Atmosphäre verbunden ist, sind die Feuer von St. Elmo. Das Leuchten kann bei Gewitter auf den hohen Spitzen der Türme sowie um die Schiffsmasten herum beobachtet werden. Es erschreckte abergläubische Seeleute, die es für ein schlechtes Zeichen hielten.