A fénytöréssel kapcsolatos jelenségek. Fényjáték. A képzelet ereje Szent Elmo a zöld sugarak és a halo koronáiban

A FÉNY TÖRÜLÉSE VÍZBŐL LEVEGŐBE ÁLLÁSKOR

Egy vízbe mártott pálcika, egy kanál egy pohár teában a víz felszínén lévő fénytörés miatt megtörtnek tűnik számunkra.

Helyezzen egy érmét egy átlátszatlan edény aljára, hogy ne legyen látható. Most öntsön vizet az edénybe. Az érme látható lesz. A jelenség magyarázata egyértelműen kiderül a videóból.

Nézze meg a tározó alját, és próbálja meg megbecsülni a mélységét. Leggyakrabban ezt nem lehet helyesen megtenni.

Vizsgáljuk meg részletesebben, hogy felülről nézve hogyan és milyen mértékben tűnik lecsökkentettnek a tározó mélysége.

Legyen H (17. ábra) a tározó valódi mélysége, amelynek alján egy kis tárgy, például egy kavics található. Az általa visszavert fény minden irányba eltér. Egy bizonyos sugárnyaláb az O pontban alulról a 1-es szögben esik a víz felszínére, megtörik a felszínen és bejut a szembe. A fénytörés törvényének megfelelően a következőket írhatjuk:

de mivel n 2 = 1, akkor n 1 sin a 1 = sin ϒ 1.

A megtört sugár a B pontban lép be a szembe. Figyeljük meg, hogy nem egy sugár, hanem egy sugárköteg, amelynek keresztmetszetét a szem pupillája korlátozza.

A 17. ábrán a gerenda vékony vonalakkal látható. Ez a nyaláb azonban keskeny, keresztmetszetét elhanyagolhatjuk, AOB egyenesnek tekintve.

A szem A-t az A 1 pontba vetíti, és a tározó mélysége egyenlőnek tűnik h-val.

Az ábrán látható, hogy a h tározó látszólagos mélysége a H valós értékétől és a ϒ 1 látószögtől függ.

Fejezzük ki ezt a függőséget matematikailag.

Az AOC és A 1 OC háromszögekből a következőket kapjuk:

Az operációs rendszert ezekből az egyenletekből kizárva a következőket kapjuk:

Figyelembe véve, hogy a = ϒ 1 és sin ϒ 1 = n 1 sin a 1 = n sin a, kapjuk:

Ebben a képletben a h tározó látszólagos mélységének a valós H mélységtől és a megfigyelési szögtől való függése nem jelenik meg kifejezetten. Hogy ezt a függőséget még érthetőbben mutassuk be, fejezzük ki grafikusan.

A grafikonon (18. ábra) a megfigyelési szögek fokban kifejezett értékei az abszcissza tengely mentén, a megfelelő h látszólagos mélységek pedig a tényleges H mélység töredékében az ordináta tengely mentén vannak ábrázolva. A kapott görbe azt mutatja, hogy kis megfigyelési szögeknél a látszólagos mélység

a tényleges érték körülbelül ¾-e, és a látószög növekedésével csökken. Ha a látószög a = 47°, teljes belső visszaverődés lép fel, és a sugár nem tud kiszabadulni a vízből.

MIRAGES

Inhomogén közegben a fény nemlineárisan terjed. Ha elképzelünk egy közeget, amelyben a törésmutató alulról felfelé változik, és gondolatban vékony vízszintes rétegekre osztjuk,

majd figyelembe véve a fénytörés feltételeit rétegről rétegre haladva, megjegyezzük, hogy ilyen közegben a fénysugárnak fokozatosan irányt kell váltania (19., 20. ábra).

A fénysugár a légkörben olyan meghajláson megy keresztül, amelyben ilyen-olyan okok miatt, főként egyenetlen melegítése miatt, a levegő törésmutatója a magassággal változik (21. ábra).

A levegőt általában a talaj melegíti fel, amely elnyeli a napsugarakból származó energiát. Ezért a levegő hőmérséklete a magassággal csökken. Az is ismert, hogy a levegő sűrűsége a magassággal csökken. Megállapítást nyert, hogy a magasság növekedésével a törésmutató csökken, így a légkörön áthaladó sugarak a Föld felé hajlanak (21. ábra). Ezt a jelenséget normál légköri fénytörésnek nevezzük. A fénytörés miatt az égitestek valamivel a horizont fölé „magasodva” (valódi magasságuk fölé) tűnnek számunkra.

A számítások szerint a légköri fénytörés a 30°-os magasságban 1"40", a 15°-os magasságban lévő tárgyakat 3"ZO-val, 5°-os magasságban 9"45-tel "emeli". A horizonton elhelyezkedő testeknél ez az érték eléri a 35". Ezek az értékek a légkör nyomásától és hőmérsékletétől függően egy vagy másik irányba eltérnek. A légkör felső rétegeiben azonban ilyen vagy olyan okból előfordulhatnak tömegek. az alsóbb rétegeknél magasabb hőmérsékletű levegő. Forró országokból, például forró sivatagi területről hozhatja őket a szél. Ha ilyenkor az alsóbb rétegekben anticiklon hideg, sűrű levegője van, akkor a jelenség A fénytörés jelentősen felerősödhet, és a földi tárgyakból a horizonthoz képest bizonyos szögben felfelé kilépő fénysugarak visszatérhetnek a talajra (22. ábra).

Előfordulhat azonban, hogy a Föld felszínén az erős felmelegedés hatására a levegő olyannyira felforrósodik, hogy a talaj közelében a fény törésmutatója kisebb lesz, mint a talaj felett egy bizonyos magasságban. Nyugodt idő esetén ez az állapot hosszú ideig fennmaradhat. Ekkor a Föld felszínéhez meglehetősen nagy szögben beeső tárgyak sugarai annyira meghajlíthatók, hogy a Föld felszínéhez közeli ívet leírva alulról felfelé haladnak (23a. ábra). A 236. ábrán látható eset is lehetséges.

A fent leírt légköri feltételek megmagyarázzák az érdekes jelenségek - légköri délibábok - előfordulását. Ezeket a jelenségeket általában három osztályba sorolják. Az első osztályba tartoznak a legelterjedtebb és legegyszerűbb eredetűek, az úgynevezett tavi (vagy alacsonyabb) délibábok, amelyek oly sok reményt és csalódást okoznak a sivatagi utazókban.

Gaspard Monge francia matematikus, aki részt vett az 1798-as egyiptomi hadjáratban, leírja a délibábok ezen osztályával kapcsolatos benyomásait:

„Amikor a Föld felszínét erősen felmelegíti a Nap, és az szürkület beállta előtt éppen kezd lehűlni, az ismerős terep már nem a horizontig terjed, mint nappal, hanem, úgy tűnik, körülbelül egy mérföldnyire fordul. folyamatos árvízbe.

A távolabbi falvak úgy néznek ki, mint egy hatalmas tó szigetei. Minden falu alatt ott van a felborult tükörképe, csak nem éles, apró részletek nem látszanak, mint a szél rázta vízben a tükörkép. Ha közeledni kezdesz egy faluhoz, amelyet úgy tűnik, hogy árvíz vesz körül, a képzeletbeli víz partja eltávolodik, a vízkar, amely elválasztott minket a falutól, fokozatosan leszűkül, mígnem teljesen eltűnik, és a tó... most kezdődik mögötte. ez a falu, amely magában tükrözi a távolabbi falvakat" (24. kép).

A jelenség magyarázata egyszerű. A talajból felhevült alsó levegőrétegeknek még nem volt idejük felfelé emelkedni; fénytörési mutatójuk kisebb, mint a felsőké. Ezért a tárgyakból (például egy pálmafa B pontjából, 23a. ábra) kiinduló fénysugarak a levegőben meghajolva alulról jutnak a szembe. A szem sugarat vetít a B1 pontba. Ugyanez történik az objektum más pontjairól érkező sugarakkal is. A tárgy a szemlélő számára felborultnak tűnik.

Honnan jön a víz? A víz az ég tükre.

Ahhoz, hogy délibábot lássunk, nem kell Afrikába menni. Egy forró, csendes nyári napon egy aszfaltos autópálya fűtött felülete felett figyelhető meg.

A második osztályba tartozó délibábokat felsőbb vagy távoli látású délibáboknak nevezzük. Leginkább hozzájuk hasonlít az N. V. Gogol által leírt „hallatlan csoda”. Íme néhány ilyen délibáb leírása.

A francia Cote d'Azur felől egy kora tiszta reggelen, a Földközi-tenger vizéből, a horizonton túlról sötét hegylánc emelkedik ki, amelyben a lakosok felismerik Korzikát. Korzika távolsága több mint 200 km, így a rálátás szóba sem jöhet.

Az angol tengerparton, Hastings közelében a francia tengerpart látható. Ahogy Nie Digue természettudós beszámol, „a calabriai Reggio közelében, a szicíliai partokkal és Messina városával szemben, egész ismeretlen területek legeltető csordákkal, ciprusligetekkel és kastélyokkal néha láthatók a levegőben. Miután rövid ideig a levegőben maradunk, a délibábok eltűnnek.”

A távoli látás délibábjai akkor jelennek meg, ha a légkör felső rétegei valamilyen okból különösen megritkulnak, például amikor felmelegített levegő kerül oda. Ekkor a földi tárgyakból kiáramló sugarak erősebben meghajlanak, és a horizonthoz képest nagy szögben érik el a földfelszínt. A megfigyelő szeme abba az irányba vetíti őket, amerre belépnek.

Nyilvánvalóan a Szahara okolható azért, hogy a Földközi-tenger partján nagyszámú távoli látás délibábja figyelhető meg. A forró légtömegek föléje emelkednek, majd északra szállnak, és kedvező feltételeket teremtenek a délibábok előfordulásához.

Az északi országokban is megfigyelhetőek a délibábok, amikor meleg déli szél fúj. A légkör felső rétegei felmelegednek, az alsó rétegek pedig lehűlnek a nagy tömegű olvadó jég és hó miatt.

Néha az objektumok előre és hátrafelé irányuló képei egyszerre figyelhetők meg. A 25-27. ábrák pontosan ilyen jelenségeket mutatnak be a sarkvidéki szélességeken. Úgy tűnik, a Föld felett sűrűbb és ritkább légrétegek váltakoznak, amelyek megközelítőleg a 26. ábrán látható módon hajlítják meg a fénysugarakat.

A harmadik osztályba tartozó – ultra-nagy hatótávolságú látás – mirázsait nehéz megmagyarázni. Íme néhány leírása közülük.

„Számos megbízható személy tanúvallomása alapján – írja K. Flamarion az „Atmosphere” című könyvében –, beszámolhatok egy délibábról, amelyet Verviers városában (Belgium) láttak 1815 júniusában. Egyik reggel a város lakói sereget láttak az égen, és olyan jól látszott, hogy meg lehetett különböztetni a tüzérek jelmezét, egy letört kerekű ágyút, ami le akart esni... A csata reggele volt Waterlooról!” Waterloo és Verviers közötti távolság egyenes vonalban 105 km.

Vannak esetek, amikor a délibábokat 800, 1000 vagy több kilométeres távolságban figyelték meg.

Mondjunk egy másik szembetűnő esetet. 1898. március 27-én éjjel a Csendes-óceán közepén látomástól ijedt meg a brémai Matador hajó legénysége. Éjfél körül a legénység körülbelül két mérföldre (3,2 km-re) észlelt egy hajót, amely erős viharral küzdött.

Ez annál is meglepőbb volt, tekintve, hogy mindenhol nyugalom uralkodott. A hajó áthaladt a Matador irányvonalán, és voltak pillanatok, amikor úgy tűnt, elkerülhetetlen a hajók ütközése... A Matador legénysége látta, hogy egy ismeretlen hajóra egy erős hullám becsapódása során a fény a kapitányban kabin kiment, ami két lőrésen végig látszott. Egy idő után a hajó eltűnt, magával vitte a szelet és a hullámokat.

Később tisztázták az ügyet. Kiderült, hogy mindez egy másik hajóval történt, amely a „látás” idején 1700 km-re volt a Matadortól.

Milyen utakon halad a fény a légkörben, hogy ilyen nagy távolságban is tiszta képek maradjanak meg a tárgyakról? Erre a kérdésre még nincs pontos válasz. Javaslatok születtek a légkörben óriás léglencsék kialakulására, a másodlagos délibáb, vagyis délibábból való délibáb késleltetésére. Lehetséges, hogy az ionoszféra * szerepet játszik itt, amely nemcsak a rádióhullámokat, hanem a fényhullámokat is visszaveri.

Úgy tűnik, a leírt jelenségek eredete megegyezik a tengereken megfigyelt más délibábokkal, amelyeket „repülő hollandnak” vagy „Fata Morganának” neveznek, amikor a tengerészek kísérteties hajókat látnak, amelyek aztán eltűnnek, és félelmet keltenek a babonás emberekben.

SZIVÁRVÁNY

A szivárvány egy gyönyörű égi jelenség, amely mindig is felkeltette az emberek figyelmét. A korábbi időkben, amikor az emberek még nagyon keveset tudtak az őket körülvevő világról, a szivárványt „égi jelnek” tekintették. Tehát az ókori görögök úgy gondolták, hogy a szivárvány Írisz istennő mosolya.

Szivárvány figyelhető meg a Nappal ellentétes irányban, esőfelhők vagy eső hátterében. A többszínű ív általában a megfigyelőtől 1-2 km távolságra található, néha 2-3 m távolságra is megfigyelhető a szökőkutak vagy vízpermetek által alkotott vízcseppek hátterében.

A szivárvány középpontja a Napot és a megfigyelő szemét összekötő egyenes folytatásán - az antiszoláris vonalon - található. A fő szivárvány iránya és az antiszoláris vonal közötti szög 41-42° (28. ábra).

Napkelte pillanatában a szoláris pont (M pont) a horizont vonalán van, a szivárvány pedig félkör alakú. Ahogy a Nap felkel, az antiszoláris pont a horizont alá kerül, és a szivárvány mérete csökken. A körnek csak egy részét ábrázolja. Egy magasan elhelyezkedő megfigyelő számára, például. repülőgépen a szivárványt teljes körnek tekintik, középen a megfigyelő árnyékával.

Gyakran megfigyelhető egy másodlagos szivárvány, amely koncentrikus az elsővel, körülbelül 52°-os szögsugárral, és a színek felcserélődnek.

Amikor a Nap magassága 41°, a fő szivárvány megszűnik látható lenni, és az oldalsó szivárványnak csak egy része emelkedik ki a horizont fölé, ha pedig a Nap magassága meghaladja az 52°-ot, akkor az oldalsó szivárvány sem látszik. Ezért a középső és egyenlítői szélességeken ez a természeti jelenség soha nem figyelhető meg a déli órákban.

A szivárványnak, akárcsak a spektrumnak, hét alapszíne van, amelyek simán átalakulnak egymásba. Az ív típusa, a színek fényereje és a csíkok szélessége a vízcseppek méretétől és számától függ. A nagy cseppek keskenyebb szivárványt hoznak létre, élesen feltűnő színekkel; a kis cseppek homályos, kifakult és egyenletes fehér ívet hoznak létre. Ezért nyáron egy erős, keskeny szivárvány látható egy zivatar után, amely alatt nagy cseppek hullanak.

A szivárvány elméletét először 1637-ben R. Descartes adta meg. A szivárványt a fény esőcseppekben való visszaverődésével és törésével kapcsolatos jelenségként magyarázta.

A színek kialakulását és sorrendjüket később, a fehér fény összetett természetének és a közegben való eloszlásának feltárása után fejtették ki. A szivárvány diffrakciós elméletét Ehry és Pertner dolgozta ki.

Tekintsük a legegyszerűbb esetet: egy golyó alakú cseppre zuhanjon párhuzamos napsugarak nyalábja (29. ábra). Az A pontban egy csepp felületére beeső sugár megtörik benne a törés törvénye szerint: n 1 sin a = n 2 sin β, ahol n 1 = 1, n 2 ≈ 1,33 a levegő törésmutatói és víz, illetve a a beesési szög, β a fénytörési szög.

A csepp belsejében a sugár az AB egyenes mentén halad. A B pontban a nyaláb részben megtörik és részben visszaverődik. Vegyük észre, hogy minél kisebb a beesési szög a B pontban, tehát az A pontban, annál kisebb a visszavert sugár intenzitása és annál nagyobb a megtört sugár intenzitása.

Az AB sugár a B pontban való visszaverődés után β 1 " = β 1 szögben halad át és eléri a C pontot, ahol a fény részleges visszaverődése és részleges törése is előfordul. A megtört sugár y2 szögben hagyja el a cseppet, a visszavert sugár így tovább tud utazni a D pontig stb. Így egy cseppben lévő fénysugár ismétlődő visszaverődésen és törésen megy keresztül. Minden egyes visszaverődésnél a fénysugarak egy része kijön és intenzitásuk a cseppen belül csökken. A legintenzívebb a kilépő a levegőbe az a sugár, amely elhagyja a cseppet a B pontban. Ezt azonban nehéz megfigyelni, mivel az erős közvetlen napfény hátterében elveszik. A C pontban megtört sugarak elsődleges szivárványt hoznak létre a csepp hátterében. sötét felhő, és a sugarak megtörtek a D pontban

adjunk egy másodlagos szivárványt, amely a fentiekből következően kevésbé intenzív, mint az elsődleges.

A K=1 esetre Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137° 30".

Ezért az elsőrendű szivárvány látószöge:

φ 1 =180° - 137°30" = 42°30"

A másodrendű szivárványt adó DE" sugárhoz, azaz K = 2 esetben a következőt kapjuk:

Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 2 = 236°38".

A szivárvány másodrendű látószöge φ 2 = 180° - 234°38" = -56°38".

Ebből következik (ez az ábrán is látszik), hogy a vizsgált esetben a földről nem látszik másodrendű szivárvány. Ahhoz, hogy látható legyen, alulról kell fénynek bejutnia a cseppbe (30. ábra, b).

A képeken jól látható, hogy ezekben az ívekben a színek sorrendje ellentétes.

Leggyakrabban egy szivárványt látunk. Gyakran előfordul, hogy két szivárványcsík jelenik meg egyszerre az égen, egymás felett; Megfigyelik azonban meglehetősen ritkán, és még nagyobb számú szivárványos égi ívet - hármat, négyet, sőt ötöt egyszerre. Ezt az érdekes jelenséget a leningrádiak figyelték meg 1948. szeptember 24-én, amikor délután négy szivárvány jelent meg a felhők között a Néva felett. Kiderült, hogy a szivárvány nem csak közvetlen napfénytől fordulhat elő; Gyakran megjelenik a Nap visszavert sugaraiban. Ez látható a tengeri öblök, nagy folyók és tavak partján. Három vagy négy ilyen szivárvány - közönséges és tükröződő - néha gyönyörű képet hoz létre. Mivel a vízfelszínről visszaverődő Nap sugarai alulról felfelé haladnak, az ezekben a sugarakban kialakult szivárvány néha teljesen szokatlannak tűnhet.

Nem szabad azt gondolni, hogy a szivárvány csak nappal látható. Éjszaka is előfordul, bár mindig gyenge. Ilyen szivárványt láthat egy éjszakai eső után, amikor a Hold megjelenik a felhők mögül.

A következő kísérletben a szivárvány valamelyes látszatát kaphatjuk. Vegyünk egy lombik vizet, világítsuk meg napfénnyel vagy lámpával egy fehér táblán lévő lyukon keresztül. Ekkor a táblán jól láthatóvá válik egy szivárvány (31. ábra, a), és a sugarak divergenciája a kezdeti irányhoz képest kb. 41-42° (31.6. ábra). Természetes körülmények között nincs képernyő, a kép a szem retináján jelenik meg, és a szem ezt a képet a felhőkre vetíti.

Ha szivárvány jelenik meg este napnyugta előtt, akkor vörös szivárvány figyelhető meg. A naplemente előtti utolsó öt-tíz percben a szivárvány minden színe eltűnik, kivéve a vöröset, és napnyugta után tíz perccel is nagyon világossá és láthatóvá válik.

A szivárvány a harmaton gyönyörű látvány.

Napkeltekor figyelhető meg a harmattal borított füvön. Ez a szivárvány hiperbola alakú.

HALMOS

Ha egy réten lévő szivárványra néz, önkéntelenül észrevesz egy csodálatos színtelen fényglóriát - egy glóriát, amely körülveszi a feje árnyékát. Ez nem optikai csalódás vagy kontrasztjelenség. Amikor az árnyék az útra esik, a fényudvar eltűnik. Mi a magyarázata ennek az érdekes jelenségnek? A harmatcseppek minden bizonnyal fontos szerepet játszanak itt, mert amikor a harmat eltűnik, a jelenség eltűnik.

A jelenség okának kiderítéséhez végezze el a következő kísérletet. Vegyünk egy vízzel teli gömblombikot, és helyezzük napfényre. Hadd képviseljen egy cseppet. Helyezzen egy darab papírt a lombik mögé, közel hozzá, amely fűként fog működni. Nézze meg az izzót kis szögben a beeső sugarak irányához képest. A papírról visszaverődő sugarak fényesen megvilágítják. Ezek a sugarak szinte pontosan az izzóra eső Nap sugarai felé haladnak. Fordítsa a szemét egy kicsit oldalra, és az izzó erős megvilágítása többé nem látható.

Itt nem szórt, hanem irányított fénysugárral van dolgunk, amely a papír világos foltjából árad. Az izzó lencseként működik, felénk irányítja a fényt.

A párhuzamos napsugarak sugárnyalábja, miután egy burában megtörik, a papíron többé-kevésbé fókuszált képet ad a Napról, fényes folt formájában. A folt által kibocsátott fény nagy részét viszont az izzó felfogja, és a benne lévő fénytörés után visszairányítja a Nap felé, így a szemünkbe is, hiszen háttal állunk a Napnak. Lencsénk optikai hátrányai - az izzó - némi szórt fényáramot biztosítanak, de a papír fényes pontjából kiáramló fő fényáram mégis a Nap felé irányul. De miért nem zöld a fűszálakról visszaverődő fény?

Enyhén zöldes árnyalatú, de lényegében fehér, akárcsak a sima festett felületekről, például a zöld vagy sárga palatábláról vagy ólomüvegről visszaverődő fény.

De a harmatcseppek nem mindig gömb alakúak. Eltorzulhatnak. Aztán néhányan oldalra irányítják a fényt, de az átmegy a szemen. Más cseppek, például a 33. ábrán láthatóak, olyan alakúak, hogy a rájuk eső fény egy-két visszaverődés után visszafelé irányul a Nap felé, és a neki háttal álló megfigyelő szemébe kerül.

Végül még egy ötletes magyarázatot kell megjegyezni ennek a jelenségnek: csak azok a fűlevelek verik vissza a fényt, amelyekre a Nap közvetlen fénye esik, vagyis azokat, amelyeket nem takarnak el a Napból érkező egyéb levelek. Ha figyelembe vesszük, hogy a legtöbb növény levelei mindig a Nap felé fordítják síkjukat, akkor nyilvánvaló, hogy elég sok ilyen visszaverődő levél lesz (33. ábra, e). Ezért harmat hiányában, simán kaszált rét vagy összenyomott tábla felületén is megfigyelhetők a fényudvarok.

A fényjátékhoz kapcsolódó legszebb természeti jelenségek közül 20 válogatást mutatunk be Önnek. Az igazán természeti jelenségek leírhatatlanok – látni kell! =)

Feltételesen osszuk fel az összes fénymetamorfózist három alcsoportra. Az első a Víz és jég, a második a Sugarak és árnyékok, a harmadik pedig a Fénykontrasztok.

Víz és jég

„Közel vízszintes ív”

Ezt a jelenséget „tűzszivárványnak” is nevezik. Az égen keletkezett, amikor a fény megtörik a cirrusfelhőkben lévő jégkristályokon keresztül. Ez a jelenség nagyon ritka, mivel a jégkristályoknak és a napnak is pontosan egy vízszintes vonalban kell lennie ahhoz, hogy ilyen látványos fénytörés következzen be. Ezt a különösen sikeres példát 2006-ban a washingtoni Spokane felett örökítették meg.

Még néhány példa a tűzszivárványra

Amikor a nap felülről egy hegymászóra vagy más tárgyra süt, egy árnyék vetül a ködre, és furcsa módon megnagyobbodott háromszög alakot hoz létre. Ezt a hatást egyfajta halo kíséri az objektum körül – színes fénykörök, amelyek közvetlenül a nappal szemben jelennek meg, amikor a napfényt egy azonos vízcseppekből álló felhő tükrözi vissza. Ez a természeti jelenség arról kapta a nevét, hogy leggyakrabban Brocken alacsony német csúcsain figyelték meg, amelyek a hegymászók számára meglehetősen megközelíthetők, a gyakori köd miatt ezen a területen.

Dióhéjban - ez egy szivárvány fejjel lefelé =) Olyan, mint egy hatalmas, többszínű mosolygó arc az égen) Ez a csoda a napsugarak megtörése miatt valósul meg a vízszintes jégkristályokon keresztül bizonyos alakú felhőkben. A jelenség a zenitre koncentrálódik, párhuzamosan a horizonttal, a színtartomány a zenit kékétől a horizont felé haladva a vörösig terjed. Ez a jelenség mindig egy hiányos körív formájában jelentkezik; Ezt a helyzetet a kivételesen ritka Gyalogív teszi teljes körbe, amelyet először 2007-ben rögzítettek filmre.

Ködös ív

Ezt a különös fényudvart a San Francisco-i Golden Gate hídról vették észre – teljesen fehér szivárványnak tűnt. A szivárványhoz hasonlóan ez a jelenség a fénynek a felhőkben lévő vízcseppeken keresztül történő megtörése miatt jön létre, de a szivárványtól eltérően a ködcseppek kis mérete miatt úgy tűnik, hogy hiányzik a szín. Ezért a szivárvány színtelennek bizonyul - csak fehér) A tengerészek gyakran „tengeri farkasoknak” vagy „ködös íveknek” nevezik őket.

Szivárvány halo

Amikor a fényt visszaszórjuk (visszaverődés, fénytörés és diffrakció keveréke) vissza a forráshoz, a felhőkben lévő vízcseppek, a felhő és a forrás közötti tárgy árnyéka színsávokra osztható. A dicsőséget földöntúli szépségnek is fordítják - meglehetősen pontos elnevezése egy ilyen gyönyörű természeti jelenségnek) Kína egyes részein ezt a jelenséget Buddha fényének is nevezik - gyakran a Brocken Ghost kíséri. A fotón gyönyörű színcsíkok övezik hatásosan a repülőgép árnyékát a felhővel szemben.

A halók az egyik leghíresebb és legelterjedtebb optikai jelenség, és számos álarc alatt jelennek meg. A legelterjedtebb jelenség a szoláris halo jelenség, amelyet a nagy magasságban lévő pehelyfelhőkben a jégkristályok fénytörése okoz, és a kristályok sajátos alakja és orientációja megváltoztathatja a halo megjelenését. Nagyon hideg időben a talaj közelében kristályok alkotta fényudvarok visszaverik maguk között a napfényt, és azt egyszerre több irányba küldik – ezt a hatást „gyémántpornak” nevezik.

Amikor a nap pontosan a megfelelő szögben áll a felhők mögött, a bennük lévő vízcseppek megtörik a fényt, intenzív nyomvonalat hozva létre. A színezést, akárcsak a szivárványnál, a fény különböző hullámhosszai okozzák – a különböző hullámhosszak különböző mértékben törnek meg, ami megváltoztatja a törésszöget és ezáltal a fény színeit, ahogyan érzékeljük őket. Ezen a fotón a felhő irizáló hatását éles színű szivárvány kíséri.

Még néhány kép erről a jelenségről

Az alacsony Hold és a sötét égbolt kombinációja gyakran hoz létre holdíveket, lényegében szivárványokat, amelyeket a hold fénye hoz létre. Az égboltnak a Holdtól eltérő végén megjelenve általában teljesen fehérnek tűnnek a halvány elszíneződés miatt, de a hosszú expozíciós fotózás képes megragadni az igazi színeket, mint ezen a kaliforniai Yosemite Nemzeti Parkban készült fotón is.

Még néhány fotó a holdi szivárványról

Ez a jelenség az eget körülvevő fehér gyűrűként jelenik meg, amely mindig a Nappal azonos magasságban van a horizont felett. Általában csak a teljes kép töredékeit lehet elkapni. Függőlegesen elrendezett jégkristályok milliói tükrözik vissza a napsugarakat az égen, hogy létrehozzák ezt a gyönyörű jelenséget.

Az úgynevezett hamis Napok gyakran megjelennek a létrejövő gömb oldalain, mint ezen a képen

A szivárványok sokféle formát ölthetnek: több ívet, egymást metsző íveket, piros íveket, azonos íveket, színes élű íveket, sötét csíkokat, „küllőket” és még sok mást, de közös bennük, hogy mindegyik színre van osztva - piros, narancs, sárga, zöld, kék, indigó és lila. Emlékszel gyermekkorodból a színek szivárványos elrendezésének „emlékezetére” - Minden vadász tudni akarja, hol ül a fácán? =) A szivárvány akkor jelenik meg, amikor a fény megtörik a légkörben lévő vízcseppeken keresztül, leggyakrabban esőben, de a köd vagy a köd is hasonló hatásokat kelthet, és sokkal ritkábbak, mint gondolnánk. Mindig sok különböző kultúra sok jelentést és magyarázatot tulajdonított a szivárványnak, például az ókori görögök azt hitték, hogy a szivárvány jelenti a mennybe vezető utat, az írek pedig azt hitték, hogy a manó ott temette el edényét, ahol a szivárvány véget ér. arany =)

További információk és gyönyörű képek a szivárványról találhatók

Sugarak és Árnyak

A korona egyfajta plazmatmoszféra, amely egy csillagászati testet vesz körül. Az ilyen jelenség leghíresebb példája a teljes fogyatkozás során a Nap körüli korona. Több ezer kilométerre terjed ki az űrben, és csaknem egymillió Celsius-fokra hevített ionizált vasat tartalmaz. Napfogyatkozáskor erős fénye körülveszi az elsötétült napot, és úgy tűnik, mintha egy fénykorona jelenne meg a világítótest körül.

Amikor sötét területek vagy áteresztő akadályok, például faágak vagy felhők szűrik a napsugarakat, a sugarak egész fényoszlopokat hoznak létre, amelyek egyetlen forrásból áradnak ki az égen. Ezt a horrorfilmekben gyakran használt jelenséget általában hajnalban vagy alkonyatkor figyelik meg, és akár az óceán alatt is szemtanúi lehetünk, ha a nap sugarai áthaladnak a törött jégcsíkokon. Ez a gyönyörű fotó a Utah Nemzeti Parkban készült

Még néhány példa

Délibáb

A talajszinthez közeli hideg levegő és a felette lévő meleg levegő kölcsönhatása törőlencseként működhet, és fejjel lefelé fordíthatja a horizonton lévő tárgyak képét, amely mentén a tényleges kép oszcillálni látszik. Ezen a németországi Türingiában készült fotón úgy tűnik, hogy a távoli horizont teljesen eltűnt, bár az út kék része egyszerűen a horizont feletti égbolt tükörképe. Az az állítás, hogy a délibábok teljesen nem létező képek, amelyek csak a sivatagban elveszett emberek számára tűnnek fel, téves, valószínűleg összekeverik a rendkívüli kiszáradás hatásaival, amelyek hallucinációkat okozhatnak. A délibábok mindig valós tárgyakon alapulnak, bár igaz, hogy a délibáb-effektus miatt közelebbről is megjelenhetnek

A szinte tökéletesen vízszintes sík felületű jégkristályok fényvisszaverődése erős sugarat hoz létre. A fényforrás lehet a Nap, a Hold, de akár mesterséges fény is. Érdekesség, hogy a pillérnek az adott forrás színe lesz. Ezen a Finnországban készült fotón a narancssárga napfény napnyugtakor egy ugyanolyan narancssárga, gyönyörű oszlopot hoz létre

Még néhány „naposzlop”)

Könnyű kontrasztok

A töltött részecskék ütközése a felső légkörben gyakran csodálatos fénymintákat hoz létre a sarki régiókban. A szín a részecskék elemtartalmától függ – az oxigén hatására a legtöbb aurora zöldnek vagy vörösnek tűnik, de a nitrogén néha mélykék vagy lila megjelenést kölcsönöz. A képen - a híres Aurora Borilis vagy az északi fény, amelyet a hajnal római istennőjéről, Aurora és az északi szél ókori görög istenéről, Boreasról neveztek el

Így néz ki az északi fény az űrből

Kondenzcsík

A gőz nyomai, amelyek egy repülőgépet követnek az égen, az emberi légkörbe való beavatkozás legcsodálatosabb példái. Ezeket vagy a repülőgépek kipufogógázai, vagy a szárnyak légörvényei hozzák létre, és csak hideg hőmérsékleten, nagy magasságban jelennek meg, jégcseppekké és vízzé kondenzálva. Ezen a képen egy csomó kondenzcsík keresztezi az eget, bizarr példáját hozva ezzel a természetellenes jelenségre.

A nagy magasságú szelek elhajlítják a rakéták nyomát, és kis kipufogórészecskéik a napfényt ragyogó, szivárványos színekké varázsolják, amelyeket néha ugyanazok a szelek több ezer kilométerre elhordoznak, mielőtt végül eloszlanak. A képen a kaliforniai Vandenbergben lévő amerikai légibázisról indított Minotaur-rakéta nyomai láthatók.

Az égbolt, mint sok más körülöttünk lévő dolog, polarizált fényt szór, amelynek meghatározott elektromágneses orientációja van. A polarizáció mindig merőleges magára a fényútra, és ha csak egy polarizációs irány van a fényben, akkor azt mondjuk, hogy a fény lineárisan polarizált. Ez a fotó polarizált, nagy látószögű szűrőlencsével készült, hogy megmutassa, milyen izgalmasnak tűnik az elektromágneses töltés az égen. Ügyeljen arra, hogy milyen árnyalatú az ég a horizont közelében, és milyen színű a legtetején.

Ez a szabad szemmel technikailag láthatatlan jelenség megörökíthető, ha a fényképezőgépet legalább egy órán át, de akár egy éjszakán át nyitva hagyjuk. A Föld természetes forgása miatt a csillagok az égbolton áthaladnak a horizonton, és figyelemre méltó pályákat hoznak létre a nyomukban. Az egyetlen csillag az esti égbolton, amely mindig egy helyen van, természetesen a Polaris, mivel valójában egy tengelyen van a Földdel, és rezgései csak az Északi-sarkon észlelhetők. Ugyanez igaz lenne délen is, de nincs olyan fényes csillag, amely hasonló hatást megfigyelhetne

És itt egy fotó a rúdról)

Az esti égbolton látható halvány háromszög alakú fény, amely az ég felé nyúlik, az állatövi fényt könnyen eltakarja a könnyű légszennyezés vagy a holdfény. Ezt a jelenséget a napfény visszaverődése okozza az űrben lévő porrészecskékről, az úgynevezett kozmikus porról, ezért spektruma teljesen megegyezik a Naprendszerével. A napsugárzás hatására a porrészecskék lassan növekednek, és fények fenséges konstellációját hozva létre kecsesen szétszórva az égen

Mint átlátszó felhős lepel között

A hagyma felett virágzat és kerek hagyma található

Juno követe magasztalta,

És a belső külső alkotja.

A szivárvány jól látható - általában két színes ív formájában figyelhető meg (két virágzó íj, amelyekről Dante ír), és a felső ívben a színek fentről lefelé ebben a sorrendben vannak elrendezve: ibolya, kék, világos kék, zöld, sárga, narancs, piros , és az alsó ívben, éppen ellenkezőleg, a pirostól a liláig. A sorrendjük megjegyezésére emlékeztető kifejezések vannak, amelyekben minden szó első betűi megfelelnek a szín nevének kezdőbetűinek. Például ez a „Minden vadász tudni akarja, hol ül a fácán” kifejezés vagy egy másik kifejezés. , nem kevésbé híres, „Hogyan Jean, the Beller egyszer leütött egy lámpást a fejével”. Igaz, a hagyomány, hogy a szivárványban hét színt azonosítanak, nem általános. Például a bolgárok szivárványában 6 szín található.

A szivárvány egyedülálló lehetőséget biztosít arra, hogy természetes körülmények között megfigyeljük a fehér fény spektrummá való bomlását.

A szivárvány általában eső után jelenik meg, amikor a Nap egészen alacsonyan jár. Valahol a Nap és a megfigyelő között még mindig esik az eső. A vízcseppeken áthaladó napfény ismételten visszaverődik és megtörik bennük, akárcsak a kis prizmákban, és a cseppekből különböző szögben különböző színű sugarak jönnek ki. Ezt a jelenséget a fény diszperziójának (vagyis bomlásának) nevezik. Ennek eredményeként élénk színű ív képződik (és valójában meredek, az egész egy repülőgépről látható).

Néha két, ritkábban három, többszínű ív figyelhető meg egyszerre. Az első szivárványt a cseppekben egyszer visszaverődő sugarak hozzák létre, a másodikat a kétszer visszaverődő sugarak stb. 1948-ban Leningrádban (ma Szentpétervár) négy szivárvány jelent meg a Néva feletti felhők között.

A szivárvány megjelenése, a színek fényereje és a csíkok szélessége a levegőben lévő vízcseppek méretétől és számától függ. Nyáron egy zivatar után fényes szivárvány fordul elő, amely során nagy cseppek hullanak. Általában egy ilyen szivárvány jó időt jelent.

Fényes holdfényes éjszakán szivárványt láthatunk a Holdról. A telihold fényében szivárvány jelenik meg, amikor esik. Mivel az emberi látást úgy alakították ki, hogy gyenge fényviszonyok mellett a szem legérzékenyebb receptorai - a „rudak” - nem érzékelik a színt, a hold szivárvány fehéresnek tűnik; Minél világosabb a fény, annál „színesebb” a szivárvány (színreceptorok - „kúpok”).

tűz szivárvány

Marian Erikson svéd lakosnak szerencséje volt, hogy meglátta. Szivárvány húzódott az éjszakai égbolton, és egy percig a telihold alatt állt.

Jelek és legendák.

Egyszer régen az ember elkezdett azon töprengeni, hogy miért jelennek meg szivárványok az égen. Akkoriban még csak nem is hallottak az optikáról. Ezért találtak ki az emberek mítoszokat és legendákat, és sok babona is volt. Itt van néhány közülük:

A skandináv mitológiában a szivárvány a Bifrost híd, amely összeköti Midgardot (az emberek világát) és Asgardot (az istenek világát).
Az ősi indiai mitológiában - Indra íja, a mennydörgés és villámlás istene.
Az ókori görög mitológiában - Írisz útja, az istenek és az emberek világa közötti hírnök.
A szláv hiedelmek szerint a szivárvány a kígyóhoz hasonlóan tavakból, folyókból és tengerekből iszik vizet, ami aztán leesik.
Az ír manó egy edény aranyat rejteget azon a helyen, ahol a szivárvány érintette a földet.
A csuvas hiedelmek szerint, ha átmész a szivárványon, megváltoztathatod a nemedet.
A Bibliában a szivárvány a globális vízözön után az emberiség megbocsátásának szimbólumaként jelent meg.
A babonás emberek azt hitték, hogy a szivárvány rossz előjel. Azt hitték, hogy a halottak lelke szivárványon ment át a másik világba, és ha megjelenik a szivárvány, az valakinek a közelgő halálát jelentette.

A szivárvány magyarázatának története.

Már Arisztotelész, az ókori görög filozófus is megpróbálta megmagyarázni a szivárvány okát. És valószínűleg Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311) perzsa csillagász és talán tanítványa, Kamal al-din al-Farisi (1260-1320) volt az első, aki meglehetősen pontos magyarázatot adott a jelenségre.

A szivárvány általános fizikai képét már Mark Antony de Dominis (1611) is egyértelműen leírta.

M.A. de Dominis

Kísérleti megfigyelések alapján arra a következtetésre jutott, hogy a szivárvány az esőcsepp belső felületéről való visszaverődés és kettős fénytörés eredményeként jön létre - a csepp bejáratánál és a kilépésnél. René Descartes részletesebb magyarázatot adott a szivárványról a "Meteora" című művében "A szivárványról" című fejezetben (1635).

René Descartes

Descartes ezt írja:

„Először is, amikor figyelembe vettem, hogy a szivárvány nemcsak az égen, hanem a közelünkben a levegőben is megjelenhet, amikor napfény által megvilágított vízcseppek vannak benne, ahogy az néha a szökőkutaknál is látható, úgy érzem, Könnyen arra a következtetésre jutottunk, hogy ez attól függ, hogy a fénysugarak milyen módon hatnak ezekre a cseppekre, és hogyan jutnak el belőlük a szemünkbe; továbbá, tudva, hogy ezek a cseppek gömb alakúak, és látva, hogy a nagy és a kis cseppeknél is mindig megjelenik a szivárvány. ugyanígy ", azt a célt tűztem ki magam elé, hogy egy nagyon nagy cseppet hozzak létre, hogy jobban tudjam vizsgálni. Ehhez egy nagyméretű, teljesen kerek és teljesen átlátszó üvegedényt megtöltöttem vízzel, és eljutottam a Következő következtetés..."

Ez a következtetés megismétli és finomítja a Dominis által kapott eredményt. Descartes különösen azt fedezte fel, hogy a második (külső) szivárvány két fénytörés és két visszaverődés eredménye. A szivárvány színeinek megjelenését minőségileg is megmagyarázta azzal, hogy összehasonlította a fénytörést egy cseppben az üvegprizmában tapasztalható fénytöréssel. Az 1. ábra, amely a sugár útját magyarázza egy cseppben, Descartes fent említett munkájából származik. Descartes fő érdeme azonban az volt, hogy kvantitatívan megmagyarázta ezt a jelenséget, először alkalmazva a fénytörés törvényét:

„Még mindig nem tudtam, hogy a színek miért csak bizonyos szögekben jelennek meg, mígnem fogtam egy tollat, és részletesen kiszámoltam a vízcsepp különböző pontjaira eső sugarak útját, hogy megtudjam, milyen szögekben léphetnek be a vízcseppekbe. szem két fénytörés és egy-két visszaverődés után. Aztán rájöttem, hogy egy visszaverődés és két fénytörés után sokkal több sugár látható 41° és 42° közötti szögben (a napsugárhoz képest), mint amennyi kisebb szögben látható, és nincs olyan, amely nagyobb szögben is látható lenne. Továbbá azt is megállapítottam, hogy két visszaverődés és két fénytörés után sokkal több sugár esik a szembe 51° és 52° közötti szögben. °, mint azok, amelyek bármilyen nagyobb szögben esnének, és egyáltalán nincsenek olyanok, amelyek kisebb szögben esnének."

Így Descartes nemcsak a sugarak útját számítja ki, hanem meghatározza a cseppek által szórt fény intenzitásának szögeloszlását is.

A színeket illetően az elméletet Isaac Newton bővítette.

Isaac Newton

Bár a szivárvány sokszínű spektruma folyamatos, a hagyomány szerint 7 színre oszlik. Úgy tartják, hogy Isaac Newton volt az első, aki a 7-es számot választotta, aki számára a 7-es szám különleges szimbolikus jelentéssel bír (pitagorasztikus, teológiai vagy haláltani okokból).

A híres Lectures on Optics című könyvben, amelyet a 16. század 70-es éveiben írtak, de Newton 1729-es halála után adtak ki, a következő összefoglaló olvasható:
"A labdába belépő sugarak közül egyesek egy, mások két visszaverődés után hagyják el; három visszaverődés után jönnek ki sugarak, és még több visszaverődés. Mivel az esőcseppek nagyon kicsik a megfigyelő szemének távolságához képest, nem érdemes egyáltalán figyelembe veszi a méretüket, de csak a beeső sugarak és a kilépő sugarak által alkotott szögeket. Ahol ezek a szögek a legnagyobbak vagy a legkisebbek, ott a kilépő sugarak a leginkább koncentráltak. Mivel a különböző típusú sugarak (különböző színű sugarak) más-más legnagyobbat alkotnak és a legkisebb szögek, akkor a sugarak a legsűrűbbek azok, akik különböző helyeken összegyűlnek, vágynak arra, hogy saját színeiket megjelenítsék."

Pontatlannak bizonyult Newton kijelentése a csepp méretének figyelmen kívül hagyásának lehetőségéről, valamint Descartes szavai, miszerint nagy és kis cseppeknél mindig ugyanúgy jelenik meg a szivárvány. A szivárvány teljes elméletét, figyelembe véve a fény diffrakcióját, amely a fény hullámhosszának és a csepp nagyságának arányától függ, csak a 19. században építette fel J.B. Erie (1836) és J.M. Pernter (1897).

Sugártörés és visszaverődés egy csepp vízben.

Descartes rajzának, amelyet ereklyeként reprodukáltunk, van egy "módszertani" hiányossága. Egy képzetlen olvasó számára úgy tűnhet, hogy mind a külső, mind a belső szivárványt egyazon cseppben különböző tükröződési módok okozzák. Jobb lenne, ha két cseppet ábrázolnánk: az egyik az alsó szivárványhoz, a másik a felsőhöz tartozik, így mindegyiknek egy-egy visszaverődési mód marad, amint az az ábrán látható. 2. Az észlelés megkönnyítése érdekében mindkét esetben a cseppre eső napsugár irányát vesszük az abszcissza tengelynek. Az y koordinátát, amely a nyaláb esési pontját jellemzi, ütközési paraméternek nevezzük.

ábrából A 2. ábrán látható, hogy egy beeső sugár egy visszaverődéssel akkor észlelhető a megfigyelő által, ha csak a beesési pont a csepp tetejére vonatkozik (y > 0). Éppen ellenkezőleg, két visszaverődéssel ez lehetséges lesz azon sugarak esetében, amelyek a csepp alsó részére esnek (y< 0).

Először tegyük fel, hogy a csepp függőleges síkban van, amely átmegy a Nap helyzetén és a megfigyelő szemén. Ekkor a beeső, megtört és visszavert sugarak ugyanabban a síkban helyezkednek el. Ha α 1 a beesési szög, és α 2 a törésszög, akkor az 1. ábrából. 2, a és b, a kijövő sugár szöge a beesőhöz képest az első esetben egyenlő lesz φ 1 = 4α 2 -2α 1 (1)
és a másodikban - φ 2 = π - 6α 2 + 2α 1 (2)
és a fénytörés törvénye szerint: sin α 2 = sin α 1 /n
ahol n esetünkben a víz törésmutatója. Ezen túlmenően, ha egy csepp sugarát hosszegységnek vesszük, a következőt kapjuk:

Ennek megfelelően az első és a második esetben. Ezért (1) és (2) azt kapjuk
φ 1 =4 arcsin(y/n) - 2 arcsin y, y>0 (3)
φ 2 = π+6 arcsin(y/n) - 2 arcsin y, y<0 (4)

Ez a két egyenlet a legfontosabb a további megfontolásokhoz. Nem nehéz a φ 1 és φ 2 szögeket y függvényeként ábrázolni. ábrán láthatók. 3 törésmutató esetén n=1,331 (piros). Látjuk, hogy ha az ütközési paraméter y≈0,85, akkor elérjük a φ 1 maximális szöget, amely megközelítőleg 42°, és a szög minimum ~53° y≈-0,95-nél. Mutassuk meg, hogy ezek a szélső pontok megfelelnek a csepp által visszavert fény maximális intenzitásának.

Tekintsük az ütközési paraméter egy bizonyos kis változási intervallumát (hogy az első esetben specifikus legyen) y, y + Δy. A grafikon segítségével megtalálhatja a φ szög változását ezen a Δφ intervallumon belül. ábrán. A 3. ábrán látható, hogy Δφ=Δy*tg β, ahol β az a szög, amelyet a gráf érintője egy adott pontban bezár az abszcissza tengellyel. A Δy érték arányos a ΔI fényintenzitással, amely az ütközési paraméter intervallumának esésére esik. Ugyanezt a fényintenzitást (pontosabban azzal arányos értéket) szórja a Δφ szögintervallum csökkenése. Felírhatjuk, hogy ΔI ~ Δy =Δy*ctg β. Ezért az egységnyi szórási szögre eső csepp által szórt fény intenzitása így fejezhető ki: I(φ) = ΔI/Δφ ~ cot β (5)

Mivel a szélső pontokban ctg β = ∞, az (5) mennyiség a végtelenbe megy. Vegye figyelembe, hogy ezeknek a szélső pontoknak a helyzete a különböző színeknél kissé eltér, ami lehetővé teszi, hogy szivárványt figyeljünk meg.

Hogyan rajzoljunk szivárványt

Most megrajzolhatjuk a szivárvány megfigyelésének diagramját. Ez a konstrukció az ábrán látható. 4. Először megrajzoljuk a Föld felszínét és a rajta álló megfigyelőt. A szemlélő előtt esőfüggöny (szürke árnyalattal). Ezután a napsugarakat ábrázoljuk, amelyek iránya a Nap horizont feletti magasságától függ. A megfigyelő szemén keresztül vörös és ibolya sugarakat vezetünk a fenti szögekben a Nap sugaraihoz képest. Az előző szakasz eredményei alapján biztosak lehetünk abban, hogy ezek a sugarak a megfelelő esőcseppek szórása következtében keletkeznek. Ugyanakkor, amint az az ábrából következik. 2, az alsó szivárványt egy visszaverődéssel szóródó folyamatok okozzák, a felsőt pedig két visszaverődéssel. Figyeljük meg a színek váltakozását: az ibolya sugarak külső, a pirosak belsőek. Nyilvánvaló, hogy az egyes szivárványok más színű sugarai a vörös és az ibolya közé helyezkednek a törésmutatók értékei szerint.

Emlékezzünk vissza, hogy eddig a megfigyelő szemén átmenő függőleges síkban lévő szivárvány képét és a Nap helyzetét tekintettük. Rajzoljunk a megfigyelő szemén átmenő egyenest a napsugárral párhuzamosan. Ha a függőleges síkot a jelzett egyenes körül forgatjuk, akkor a szivárvány megfigyelésére szolgáló új helyzete teljesen egyenértékű lesz az eredetivel. Ezért a szivárvány körív alakú, amelynek középpontja a megszerkesztett tengelyen van. Ennek a körnek a sugara (ahogy a 4. ábrán látható) megközelítőleg megegyezik a megfigyelő és az esőfüggöny távolságával.

Vegye figyelembe, hogy a szivárvány megfigyelésekor a Nap nem lehet túl magasan a horizont felett - legfeljebb 53,48 °. Ellenkező esetben az ábrán látható sugármintázat az óramutató járásával megegyező irányban forog, így a felső szivárvány lila sugara sem érheti el a Földön álló megfigyelő szemét. Igaz, ez akkor lesz lehetséges, ha a megfigyelő egy bizonyos magasságba emelkedik, például egy repülőgépen. Ha a megfigyelő elég magasra emelkedik, képes lesz látni a szivárványt egy teljes kör formájában.

Szivárvány kialakulásának diagramja

Szivárvány kialakulásának diagramja
1) gömb alakú egy csepp 2) belső visszaverődés 3) elsődleges szivárvány
4) fénytörés 5) másodlagos szivárvány 6) bejövő fénysugár
7) a sugarak lefolyása az elsődleges szivárvány kialakulása során

8) a sugarak lefolyása a másodlagos szivárvány kialakulása során
9) megfigyelő 10) az elsődleges szivárvány kialakulásának területe
11) a másodlagos szivárványképződés területe 12) cseppfelhő

A szivárvány leírását pontosítani kell, figyelembe véve azt a tényt, hogy a napsugarak nem szigorúan párhuzamosak. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a Nap különböző pontjairól a cseppre eső sugarak kissé eltérő irányúak. A sugarak maximális szögdivergenciáját a Nap szögátmérője határozza meg, amelyről ismert, hogy körülbelül 0,5°. Mihez vezet ez? Minden csepp olyan fényt bocsát ki a megfigyelő szemébe, amely nem olyan monokromatikus, mint az lenne, ha a beeső sugarak szigorúan párhuzamosak lennének. Ha a Nap szögátmérője észrevehetően nagyobb lenne, mint az ibolya és a vörös sugarak közötti szögtávolság, akkor a szivárvány színei megkülönböztethetetlenek lennének. Szerencsére ez nem így van, bár a különböző hullámhosszú sugarak átfedése kétségtelenül befolyásolja a szivárvány színeinek kontrasztját. Érdekes, hogy a Nap véges szögátmérőjét már Descartes munkája is figyelembe vette.

Kérjük, hogy ne küldjön cikkeket az internetről – a keresők megtalálhatják. Írja meg saját, érdekes és egyedi cikkét. Készítsen fényképet és írja le a fizika vagy kémia laboratóriumi munkáját, küldjön fényképeket házi készítésű termékéről....
cikkeket küldeni a címre [e-mail védett]

Szivárvány

A szivárvány megjelenésének alapvető folyamata a fény törése (törése) vagy „hajlítása”. A fény meghajlik, vagy inkább irányt változtat, amikor egyik környezetből a másikba kerül. A szivárvány azért jön létre, mert a fény eltérő sebességgel halad különböző környezetben.

Annak érdekében, hogy megértsük, hogyan hajlik a fény, mondjunk egy egyszerű példát. Képzeld el, hogy tolsz egy szekeret egy parkoló mellett. A parkoló a kocsi egyik „környezete”. Ha egy kocsit állandó erővel mozgat, annak sebessége attól függ, hogy milyen környezetben mozog – jelen esetben a parkoló aszfaltjától. De hogyan változik a sebesség, ha ezt a kocsit más környezetbe helyezik, például a járdaszegélyen áthajtva a fűre? A fű más „környezet” a kocsi számára. A kocsi sokkal lassabban halad füvön, mint aszfalton. Az egész az ellenállás erejéről szól, és mivel a füvön sokkal nagyobb az ellenállás, mint a járdán, nagyobb erőt kell kifejtenie a kocsi mozgatásához.

De ha ferdén tolja a szekeret a füvön, megváltozik a gurulása. Ha a jobb oldali kerék éri először a füvet, akkor lelassul, míg a bal kerék még gyorsabban mozog a járdán. Emiatt a kocsi balra dől, miközben a füvön halad. De amint áthelyezi a kocsit a füves területről a járdára, az egyik kerék gyorsabban kezd forogni, mint a másik, és a kocsi megfordul.

Ugyanezen elv szerint a fénysugár meghajlik, amikor egy átlátszó prizmához ér. A fényhullám egyik oldala valamivel lassabb, mint a másik, ezért a sugár eltérő szögben halad át a levegő-üveg határfelületen (lényegében a fénysugár visszaverődik a prizma felületéről). A fény újra fordul, amikor elhagyja a prizmát, mert a fény egyik oldala gyorsabban mozog, mint a másik.

A fényhajlítási folyamaton túlmenően a prizma a fehér fényt alkotószínekre választja szét. A fehér fény minden színének saját jellemző frekvenciája van, ami miatt a színek különböző sebességgel haladnak át a prizmán.

Az üvegben lassan megtörő szín jobban meggörbül, amikor a levegőből a prizmába kerül, mert a színek eltérő sebességgel mozognak különböző környezetben. Az üvegben gyorsabban mozgó szín nem gyengül jelentősen, így nem is hajlik meg annyira. Emiatt a fehér fényt alkotó szivárvány összes színe frekvencia szerint elválik az üvegen való áthaladáskor. Ha az üveg kétszer töri meg a fényt, mint egy prizma, akkor az ember sokkal jobban látja a fehér fény minden elválasztott színét. Ezt diszperziónak hívják.

Az esőcseppek ugyanúgy képesek megtörni és szórni a fényt, mint a prizmában. Bizonyos körülmények között az ilyen fénytörés eredményeként szivárvány jelenik meg az égen.

Az ókori népek vallási hiedelmei szerint a szivárványt a föld és az ég közötti híd szerepének tulajdonították. A görög-római mitológiában még a szivárvány különleges istennője is ismert - Iris. Anaximenes és Anaxagoras görög tudósok úgy vélték, hogy a szivárvány a Nap sötét felhőben való tükröződése által jött létre. Arisztotelész a Meteorológia egy speciális részében felvázolta a szivárványról szóló elképzeléseket. Úgy vélte, hogy a szivárvány a fény visszaverődése miatt jön létre, de nem csak az egész felhőről, hanem annak cseppeiről is.

1637-ben a híres francia filozófus és tudós, Descartes matematikai elméletet adott a szivárványról, amely a fénytörésen alapul. Ezt az elméletet ezt követően Newton kiegészítette a fény prizma segítségével színekre bontásával kapcsolatos kísérletei alapján. Descartes elmélete, kiegészítve Newtonnal, nem tudta megmagyarázni több szivárvány egyidejű létezését, eltérő szélességét, bizonyos színek kötelező hiányát a színcsíkokban, vagy a felhőcseppek méretének hatását a jelenség megjelenésére. A szivárvány pontos elméletét, amely a fény diffrakciójával kapcsolatos elképzeléseken alapul, D. Airy angol csillagász adta meg 1836-ban. Az esőfátylat olyan térszerkezetnek tekintve, amely biztosítja a diffrakció létrejöttét, Airy elmagyarázta a szivárvány összes jellemzőjét. Elmélete teljes mértékben megőrizte jelentőségét korunk számára.

A szivárvány egy optikai jelenség, amely a légkörben jelenik meg, és úgy néz ki, mint egy többszínű ív az égbolton. Olyan esetekben figyelhető meg, amikor a napsugarak megvilágítják az esőfüggönyt, amely az égbolt Nappal szembeni oldalán található. A szivárványív középpontja a napkorongon (még ha a felhők általi megfigyelés elől rejtve is) és a megfigyelő szemén áthaladó egyenes vonal irányába esik, i.e. a Nappal ellentétes pontban. A szivárvány íve egy e pont körül leírt kör része, amelynek sugara 42°30" (szögméretben).

Egy megfigyelő néha több szivárványt is láthat egyszerre - a fő, a másodlagos és a másodlagos szivárványt. A fő szivárvány egy színes ív a távolodó esőtakaró cseppjein, és mindig az égbolt Nappal szemközti oldaláról jelenik meg. Amikor a Nap a horizonton van, a fő szivárvány felső szélének magassága szögben 42°30". Amikor a Nap a horizont fölé emelkedik, a szivárvány látható része csökken. Amikor a Nap eléri a 42°-os magasságot 30", a szivárvány nem lesz látható egy megfigyelő számára a föld felszínén, de ha abban a pillanatban, amikor eltűnik, felmászunk egy toronyba vagy egy hajó árbocára, akkor a szivárvány újra láthatóvá válik.

Magas hegyről vagy repülőgépről nézve a szivárvány teljes körként jelenhet meg. Arisztotelész matematikailag bebizonyította, hogy a Nap, a megfigyelő helye és a szivárvány középpontja ugyanazon az egyenesen van. Ezért minél magasabbra emelkedik a Nap a horizont fölé, annál lejjebb esik a szivárvány közepe. Egyenetlen terepen szivárványok is láthatók a táj hátterében.

Érdekes a színek elrendezése a szivárványban. Mindig állandó. A fő szivárvány piros színe a felső szélén, a lila - az alsó szélén található. Ezen extrém színek között a fennmaradó színek ugyanabban a sorrendben követik egymást, mint a napspektrumban. Elvileg a szivárvány soha nem tartalmazza a spektrum összes színét. Leggyakrabban a kék, a sötétkék és a gazdag tiszta vörös színek hiányoznak vagy gyengén kifejeződnek. Az esőcseppek méretének növekedésével a szivárvány színcsíkjai szűkülnek, és maguk a színek telítettebbé válnak. A zöld tónusok túlsúlya a jelenségben általában a jó időre való későbbi átmenetet jelzi. A szivárvány színeinek összképe elmosódott, mivel egy kiterjesztett fényforrás alkotja.

A fő szivárvány felett egy oldalsó szivárvány található, a színek váltakozásával, szemben a fővel. A másodlagos szivárvány felső szélének szögmagassága 53°32". Ezen kívül a főszivárvány lila végétől időnként másodlagos szivárványok is megfigyelhetők, uralkodó színük a zöld és a rózsaszín. Ritkán a másodlagos szivárványok A másodlagos szivárvány ibolya széléről is megfigyelhető A másodlagos szivárvány szélesebb az esőtakaró magasabb rétegeiben, ahol az esőcseppek kisebbek.

A jelenség laboratóriumi mesterséges reprodukálásakor akár 19 szivárványt is lehetett kapni. A tározó felett további szivárványok figyelhetők meg, amelyek egymáshoz képest nem koncentrikusan helyezkednek el. Egyikük számára a fényforrás a Nap, a másiknak a víz felszínéről való visszaverődése. Ilyen körülmények között „fejjel lefelé” elhelyezkedő szivárványok is előfordulhatnak.

Éjszaka, holdfényben és ködös időben fehér szivárvány látható a hegyekben és a tengerek partjain. Ez a fajta szivárvány akkor is előfordulhat, ha a köd napfénynek van kitéve. Úgy néz ki, mint egy fényes fehér ív, kívülről sárgás és narancsvörös, belül kék-ibolya színű.

Ha szivárvány jön létre a holdfény hatására az esőcseppeken, akkor fehérnek tűnik. Egyes esetekben csak az alacsony fényintenzitás miatt tűnik fehérnek. Ez a fajta szivárvány színes szivárványsá válhat, amikor az esőcseppek nagyobbak lesznek. Ezzel szemben a színes szivárvány elveszítheti a színét, ha az eső finom köddé változik. Általában kis cseppek jelenlétében a szivárvány színe gyengén kifejeződik.

A szivárvány nem csak az eső fátyolában látható. Kisebb méretben vízcseppeken, vízesések, szökőkutak közelében és a szörfözésben is látható. Ebben az esetben nem csak a Nap és a Hold, hanem egy reflektor is szolgálhat fényforrásként.

A szivárvány szerkezete.

A szivárvány egy óriási keréknek tekinthető, amelynek tengelye a Napon és a megfigyelőn áthaladó képzeletbeli egyeneshez kapcsolódik.

Az ábrán ezt az egyenest OO 1 egyenesnek jelöljük; O a megfigyelő, OCD a földfelszín síkja, ?AOO 1 = j a Nap szögmagassága a horizont felett. Tan(j) meghatározásához elegendő a megfigyelő magasságát elosztani az általa vetett árnyék hosszával. Az O 1 pontot antiszoláris pontnak nevezzük, a CD horizontvonal alatt található. Az ábráról jól látható, hogy a szivárvány egy kúp alapkörét ábrázolja, melynek tengelye OO 1; j az a szög, amelyet a kúp tengelye bármely generátorával bezár (a kúp nyitási szöge). Természetesen a megfigyelő nem a teljes jelzett kört látja, hanem annak csak azt a részét (az ábrán az SVD szakaszt), amely a horizont felett helyezkedik el. Jegyezzük meg, hogy?AOB = Ф az a szög, amelyben a megfigyelő a szivárvány tetejét látja, és?AOD = a az a szög, amelyben a megfigyelő a szivárvány egyes alapjait látja. Ez nyilvánvaló

Ф + j = g (2.1).

Így a szivárvány helyzete a környező tájhoz képest a megfigyelő Naphoz viszonyított helyzetétől függ, a szivárvány szögméreteit pedig a Nap horizont feletti magassága határozza meg. A megfigyelő egy kúp csúcsa, amelynek tengelye a megfigyelőt a Nappal összekötő vonal mentén irányul. A szivárvány ennek a kúpnak az alapja kerületének a horizontvonal felett elhelyezkedő része. Ahogy a megfigyelő mozog, a meghatározott kúp, és így a szivárvány is ennek megfelelően mozog.

Itt két pontosításra van szükség. Először is, amikor a megfigyelőt a Nappal összekötő egyenesről beszélünk, akkor nem a valódi, hanem a megfigyelt irányt értjük a Nap felé. A törésszögben különbözik az igazitól.

Másodszor, amikor a horizont feletti szivárványról beszélünk, akkor egy viszonylag távoli szivárványra gondolunk - amikor az esőfüggöny több kilométerre van tőlünk.

Megfigyelhet egy közeli szivárványt is, például egy nagy szökőkút hátterében megjelenő szivárványt. Ebben az esetben úgy tűnik, hogy a szivárvány végei belemennek a földbe. A szivárvány megfigyelőtől való távolságának mértéke nyilvánvalóan nem befolyásolja a szögméreteit. A (2.1)-ből az következik, hogy Ф = g - j.

Az elsődleges szivárvány esetében az y szög megközelítőleg 42° (a szivárvány sárga részére), a másodlagos szivárvány esetében pedig ez a szög 52°. Ez világossá teszi, hogy a földi megfigyelő miért nem gyönyörködhet az elsődleges szivárványban, ha a Nap magassága a horizont felett meghaladja a 42°-ot, és miért nem látja a másodlagos szivárványt, ha a Nap magassága meghaladja az 52°-ot.

Szivárvány kialakulása.

A fő szivárványt a fény vízcseppekben való visszaverődése hozza létre. Oldalsó szivárvány képződik a fény minden cseppen belüli kettős visszaverődése következtében. Ebben az esetben a fénysugarak más szögekben lépnek ki a cseppből, mint azok, amelyek a fő szivárványt eredményezik, és a másodlagos szivárvány színei fordított sorrendben jelennek meg.

A sugarak útja egy csepp vízben: a - egy visszaverődéssel, b - két visszaverődéssel

Tekinthetjük a legegyszerűbb esetet: hulljon egy párhuzamos napsugarak labda alakú cseppekre. A csepp felületére beeső sugár megtörik benne a fénytörés törvénye szerint:

n1 sin b=n2 sin c

Ahol n 1 =1,n 2 =1,33 - levegő és víz törésmutatói, b- beesési szög, és V- fénytörési szög.

A csepp belsejében egyenes vonalban halad. Ezután a sugár részben megtörik és részben visszaverődik. Meg kell jegyezni, hogy minél kisebb a beesési szög, annál kisebb a visszavert sugár intenzitása és annál nagyobb a megtört sugár intenzitása. A sugár a visszaverődés után egy másik pontra jut, ahol a fény részleges visszaverődése és részleges törése is megtörténik. A megtört sugár egy bizonyos szögben hagyja el a cseppet, és a visszavert sugár tovább tud haladni stb. Így a cseppben lévő fénysugár többszörösen visszaverődik és megtörik. Minden egyes visszaverődéskor a fénysugarak egy része kijön, és a cseppen belüli intenzitásuk csökken. A levegőbe kerülő sugarak közül a legintenzívebb az első sugár, amely a cseppből jön ki. De nehéz megfigyelni, mivel a fényes közvetlen napfény hátterében elveszik.

A szivárvány kialakulásának mérlegelésekor még egy jelenséget kell figyelembe venni - a különböző hosszúságú fényhullámok, azaz a különböző színű fénysugarak egyenlőtlen törését. Ezt a jelenséget diszperziónak nevezik. A diszperzió miatt a cseppben lévő sugarak törési és elhajlási szögei eltérőek a különböző színű sugarak esetében. Minél több belső visszaverődést tapasztalnak a sugarak a cseppben, annál gyengébb a szivárvány. Megfigyelhetsz egy szivárványt, ha a Nap a megfigyelő mögött van. Ezért a legfényesebb, elsődleges szivárvány olyan sugarakból jön létre, amelyek egyetlen belső visszaverődést tapasztaltak. Körülbelül 42°-os szögben metszik a beeső sugarakat. A beeső sugárral 42°-os szöget bezáró pontok geometriai lokusza egy kúp, amelyet a szem a csúcsán körként érzékel. Fehér fénnyel megvilágítva egy színes csík keletkezik, ahol a piros ív mindig magasabb, mint a lila ív.