В спокойна обстановка се наблюдава обстановката. Текстови задачи (ГР по физика). Планети и звезди: каква е разликата

В света има много интересни неща. Блещукането на звездите е едно от най-невероятните явления. Колко много различни вярвания са свързани с това явление! Непознатото винаги плаши и привлича едновременно. Каква е природата на това явление?

Влияние на атмосферата

Астрономите направиха интересно откритие: мигането на звездите няма нищо общо с техните промени. Тогава защо звездите блестят в нощното небе? Всичко е свързано с атмосферното движение на потоци студен и горещ въздух. Там, където топлите слоеве преминават върху студените, се образуват въздушни вихри. Под въздействието на тези вихри лъчите на светлината се изкривяват. Ето как светлинните лъчи се огъват, променяйки видимото положение на звездите.

Интересен факт е, че звездите изобщо не мигат. Тази визия е създадена на земята. Очите на наблюдателите възприемат светлината, идваща от звезда, след като тя премине през атмосферата. Следователно на въпроса защо звездите блещукат, можем да отговорим, че звездите не блещукат, но явлението, което наблюдаваме на земята, е изкривяване на светлината, преминала от звезда през атмосферните слоеве въздух. Ако такива въздушни движения не се случваха, тогава трептене нямаше да се наблюдава дори от най-отдалечената звезда в космоса.

Научно обяснение

Ако разширим по-подробно въпроса защо звездите блестят, струва си да се отбележи, че този процес се наблюдава, когато светлината от звезда се движи от по-плътен атмосферен слой към по-малко плътен. Освен това, както бе споменато по-горе, тези слоеве непрекъснато се движат един спрямо друг. От законите на физиката знаем, че топлият въздух се издига, а студеният въздух, напротив, потъва. Когато светлината премине тази граница на слоя, ние наблюдаваме трептене.

Преминавайки през слоеве въздух с различна плътност, светлината на звездите започва да трепти, а очертанията им се размиват и изображението се увеличава. В същото време интензитетът на излъчване и съответно яркостта също се променят. По този начин, чрез изучаване и наблюдение на процесите, описани по-горе, учените разбраха защо звездите блестят и тяхното трептене варира по интензитет. В науката тази промяна в интензитета на светлината се нарича сцинтилация.

Планети и звезди: каква е разликата?

Друг интересен факт е, че не всеки светещ космически обект произвежда светлина, излъчвана от явлението сцинтилация. Да вземем планетите. Те също отразяват слънчевата светлина, но не трептят. По естеството на излъчването планетата се отличава от звездата. Да, светлината на звезда трепти, но светлината на планета не.

От древни времена човечеството се е научило да се ориентира в космоса с помощта на звездите. В онези дни, когато прецизните инструменти не бяха изобретени, небето помогна да се намери правилният път. И днес това знание не е загубило своето значение. Астрономията като наука започва през 16 век, когато за първи път е изобретен телескопът. Тогава те започват да наблюдават внимателно светлината на звездите и да изучават законите, по които те блестят. Слово астрономияв превод от гръцки това е „законът на звездите“.

Звездна наука

Астрономията изучава Вселената и небесните тела, тяхното движение, местоположение, структура и произход. Благодарение на развитието на науката астрономите обясниха как мигащата звезда в небето се различава от планетата, как се развиват небесните тела, техните системи и спътници. Тази наука е погледнала далеч отвъд границите на Слънчевата система. Пулсари, квазари, мъглявини, астероиди, галактики, черни дупки, междузвездна и междупланетна материя, комети, метеорити и всичко, свързано с космоса, се изучава от науката астрономия.

Интензитетът и цветът на мигащата звездна светлина също се влияят от надморската височина на атмосферата и близостта до хоризонта. Лесно е да забележите, че звездите, разположени близо до него, блестят по-ярко и блестят в различни цветове. Тази гледка става особено красива в мразовити нощи или веднага след дъжд. В тези моменти небето е безоблачно, което допринася за по-ярко трептене. Сириус има особено излъчване.

Атмосфера и звездна светлина

Ако искате да наблюдавате блещукането на звездите, трябва да разберете, че при спокойна атмосфера в зенита това е възможно само от време на време. Яркостта на светлинния поток постоянно се променя. Това отново се дължи на отклонението на светлинните лъчи, които са неравномерно концентрирани над земната повърхност. Вятърът също влияе върху звездния пейзаж. В този случай наблюдателят на звездната панорама постоянно се оказва последователно в затъмнена или осветена зона.

При наблюдение на звезди, разположени на надморска височина над 50°, промяната на цвета няма да бъде забележима. Но звездите, които са под 35°, ще мигат и ще променят цвета си доста често. Много интензивното трептене показва атмосферна хетерогенност, която е пряко свързана с метеорологията. При наблюдение на звездното мигане беше забелязано, че то има тенденция да се засилва при ниско атмосферно налягане и температура. Увеличаване на трептенето може да се забележи и с увеличаване на влажността. Въпреки това е невъзможно да се предвиди времето с помощта на сцинтилация. Състоянието на атмосферата зависи от голям брой различни фактори, което не ни позволява да правим изводи за времето само от блещукането на звездите. Разбира се, някои неща работят, но този феномен все още има своите неясноти и мистерии.

Чудили ли сте се защо звездите не се виждат на небето през деня? В крайна сметка въздухът е толкова прозрачен през деня, колкото и през нощта. Цялата работа тук е, че през деня атмосферата разпръсква слънчева светлина.

Представете си, че сте в добре осветена стая вечер. През стъклото на прозореца ярките светлини, разположени отвън, се виждат доста ясно. Но слабо осветените обекти са почти невъзможни за виждане. Въпреки това, веднага щом изключите светлината в стаята, стъклото престава да служи като пречка за нашата визия.

Нещо подобно се случва при наблюдение на небето: през деня атмосферата над нас е ярко осветена и Слънцето се вижда през нея, но слабата светлина на далечните звезди не може да проникне. Но след като Слънцето потъне под хоризонта и слънчевата светлина (и с нея разпръснатата от въздуха светлина) се „изключи“, атмосферата става „прозрачна“ и звездите могат да се наблюдават.

Друг е въпросът в космоса. Докато космическият кораб се издига на височина, плътните слоеве на атмосферата остават отдолу и небето постепенно потъмнява.

На височина около 200-300 км, където обикновено летят пилотирани кораби, небето е напълно черно. Той винаги е черен, дори ако слънцето в момента е върху видимата част от него.

„Небето е напълно черно. Звездите в това небе изглеждат малко по-ярки и се виждат по-ясно на фона на черното небе“, така описва своите космически впечатления първият космонавт Ю. А. Гагарин.

Но все пак дори от космическия кораб на дневната страна на небето не се виждат всички звезди, а само най-ярките. Окото се смущава от ослепителната светлина на Слънцето и светлината на Земята.

Ако погледнем небето от Земята, ясно ще видим, че всички звезди мигат. Те сякаш избледняват, после пламват, блещукат с различни цветове. И колкото по-ниско е звездата над хоризонта, толкова по-силно е трептенето.

Мигането на звездите също се обяснява с наличието на атмосфера. Преди да достигне до очите ни, светлината, излъчвана от звезда, преминава през атмосферата. В атмосферата винаги има маси от по-топъл и по-студен въздух. Плътността му зависи от температурата на въздуха в определен район. Преминавайки от една област в друга, светлинните лъчи изпитват пречупване. Посоката на тяхното разпространение се променя. Поради това на някои места над земната повърхност те са концентрирани, на други са относително редки. В резултат на постоянното движение на въздушните маси тези зони непрекъснато се изместват и наблюдателят вижда или увеличаване, или намаляване на яркостта на звездите. Но тъй като различните цветни лъчи не се пречупват еднакво, моментите на усилване и отслабване на различните цветове не се случват едновременно.

В допълнение, други, по-сложни оптични ефекти могат да играят определена роля в блещукането на звездите.

Наличието на топли и студени слоеве въздух и интензивните движения на въздушните маси също оказват влияние върху качеството на телескопичните изображения.

Къде са най-добрите условия за астрономически наблюдения: в планините или в равнините, на морския бряг или във вътрешността, в гората или в пустинята? И изобщо кое е по-добро за астрономите - десет безоблачни нощи в рамките на един месец или само една ясна нощ, но когато въздухът е идеално чист и спокоен?

Това е само малка част от проблемите, които трябва да бъдат решени при избора на място за изграждане на обсерватории и инсталиране на големи телескопи. С такива проблеми се занимава специална област на науката - астроклиматологията.

Разбира се, най-добрите условия за астрономически наблюдения са извън плътните слоеве на атмосферата, в космоса. Между другото, звездите тук не блестят, а горят със студена, спокойна светлина.

Познатите съзвездия изглеждат точно по същия начин в космоса, както на Земята. Звездите са на огромни разстояния от нас и отдалечаването им от земната повърхност с няколкостотин километра не може да промени нищо в тяхното видимо взаимно положение. Дори когато се наблюдават от Плутон, очертанията на съзвездията биха били абсолютно еднакви.

По време на една орбита от космически кораб, движещ се в ниска околоземна орбита, по принцип можете да видите всички съзвездия на земното небе. Наблюдението на звездите от космоса е от двоен интерес: астрономически и навигационен. По-специално, много е важно да се наблюдава звездната светлина, непроменена от атмосферата.

Навигацията по звездите е не по-малко важна в космоса. Чрез наблюдение на предварително избрани „референтни“ звезди можете не само да ориентирате кораба, но и да определите позицията му в космоса.

Дълго време астрономите мечтаят за бъдещи обсерватории на повърхността на Луната. Изглежда, че пълното отсъствие на атмосфера трябва да създаде идеални условия на естествения спътник на Земята за астрономически наблюдения както през лунната нощ, така и през лунния ден.

Преминавайки през земната атмосфера, светлинните лъчи променят своята права посока. Поради увеличаването на атмосферната плътност, пречупването на светлинните лъчи се увеличава при приближаването им до земната повърхност. В резултат на това наблюдателят вижда небесните тела сякаш издигнати над хоризонта под ъгъл, наречен астрономическа рефракция.

Рефракцията е един от основните източници както на систематични, така и на случайни грешки при наблюдение. През 1906г Нюкомб пише, че няма клон от практическата астрономия, за който да е писано толкова много, колкото за рефракцията, и който да е в такова незадоволително състояние. До средата на 20-ти век астрономите намаляват своите наблюдения, използвайки таблици за пречупване, съставени през 19-ти век. Основният недостатък на всички стари теории беше неточното разбиране на структурата на земната атмосфера.

Нека вземем повърхността на Земята AB като сфера с радиус OA=R и си представим земната атмосфера под формата на слоеве, концентрични с нея ааа, 1 в 1 и 2 в 2...като плътности нарастват с приближаването на слоевете към земната повърхност (фиг. 2.7). Тогава лъч SA от някое много далечно тяло, пречупен в атмосферата, ще пристигне в точка А по посока S¢A, отклонявайки се от първоначалното си положение SA или от успоредното на него направление S²A под определен ъгъл S¢AS²= r, наречена астрономическа рефракция. Всички елементи на кривия лъч SA и крайната му видима посока AS¢ ще лежат в една и съща вертикална равнина ZAOS. Следователно астрономическата рефракция само увеличава истинската посока към осветителното тяло във вертикалната равнина, минаваща през него.

Ъгловото издигане на звезда над хоризонта в астрономията се нарича височина на звездата. Ъгъл S¢AH = h¢ще бъде видимата височина на звездата, а ъгълът S²AH = h = h¢ - rе истинската му височина. Ъгъл zе истинското зенитно разстояние на светилото, и z¢ е неговата видима стойност.

Степента на пречупване зависи от много фактори и може да се промени на всяко място на Земята, дори в рамките на един ден. За средни условия е получена приблизителна формула за пречупване:

Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)

Коефициентът 0,9666 съответства на плътността на атмосферата при температура +10°C и налягане 760 mm Hg. Ако характеристиките на атмосферата са различни, тогава корекцията за пречупване, изчислена по формула (2.1), трябва да се коригира с корекции за температура и налягане.

Фигура 2.7 Астрономическа рефракция

За да се вземе предвид астрономическата рефракция в зенитните методи за астрономически определяния, температурата и атмосферното налягане се измерват по време на наблюдение на зенитните разстояния на осветителните тела. При прецизните методи за астрономически определяния зенитните разстояния на светилата се измерват в диапазона от 10° до 60°. Горната граница се дължи на инструментални грешки, долната граница се дължи на грешки в рефракционните таблици.

Зенитното разстояние на осветителното тяло, коригирано с корекцията за пречупване, се изчислява по формулата:

Средна (нормална при температура +10°C и налягане 760 mm Hg.) рефракция, изчислена по z¢;

Коефициент, който отчита температурата на въздуха, изчислен от температурната стойност;

б– коефициент, отчитащ атмосферното налягане.

Много учени са изучавали теорията на пречупването. Първоначално първоначалното предположение беше, че плътността на различните слоеве на атмосферата намалява с увеличаване на височината на тези слоеве в аритметична прогресия (Бугер). Но това предположение скоро беше признато за незадоволително във всички отношения, тъй като доведе до твърде малка стойност на пречупване и до твърде бързо намаляване на температурата с височина над повърхността на Земята.

Нютон изказва хипотезата, че плътността на атмосферата намалява с височината според закона на геометричната прогресия. И тази хипотеза се оказа незадоволителна. Според тази хипотеза се оказа, че температурата във всички слоеве на атмосферата трябва да остане постоянна и равна на температурата на повърхността на Земята.

Най-гениалната беше хипотезата на Лаплас, междинна между горните две. Таблиците на пречупване, публикувани всяка година във френския астрономически календар, се основават на тази хипотеза на Лаплас.

Земната атмосфера със своята нестабилност (турбулентност, рефракционни вариации) поставя ограничение върху точността на астрономическите наблюдения от Земята.

При избора на място за инсталиране на големи астрономически инструменти първо се изучава цялостно астроклиматът на района, който се разбира като набор от фактори, които нарушават формата на вълновия фронт на радиация от небесни обекти, преминаващи през атмосферата. Ако фронтът на вълната достигне устройството без изкривяване, тогава устройството в този случай може да работи с максимална ефективност (с резолюция, близка до теоретичната).

Както се оказа, качеството на телескопичното изображение е намалено главно поради смущения, внасяни от приземния слой на атмосферата. Земята, поради собственото си топлинно излъчване през нощта, се охлажда значително и охлажда съседния слой въздух. Промяната на температурата на въздуха с 1°C променя индекса му на пречупване с 10 -6. На изолирани планински върхове дебелината на приземния слой въздух със значителна температурна разлика (градиент) може да достигне няколко десетки метра. В долините и равнините през нощта този слой е много по-дебел и може да бъде стотици метри. Това обяснява избора на места за астрономически обсерватории по разклоненията на хребети и на изолирани върхове, откъдето по-плътен студен въздух може да тече в долините. Височината на кулата на телескопа е избрана така, че инструментът да е разположен над основната област на температурни нееднородности.

Важен фактор за астроклимата е вятърът в повърхностния слой на атмосферата. Чрез смесване на слоеве от студен и топъл въздух предизвиква появата на нееднородности по плътност във въздушния стълб над устройството. Нееднородности, чиито размери са по-малки от диаметъра на телескопа, водят до разфокусиране на изображението. По-големите флуктуации на плътността (няколко метра или повече) не предизвикват резки изкривявания на фронта на вълната и водят главно до изместване, а не до разфокусиране на изображението.

В горните слоеве на атмосферата (в тропопаузата) също се наблюдават колебания в плътността и индекса на пречупване на въздуха. Но смущенията в тропопаузата не влияят забележимо на качеството на изображенията, произведени от оптични инструменти, тъй като температурните градиенти там са много по-малки, отколкото в повърхностния слой. Тези слоеве не предизвикват трептене, а блещукане на звезди.

При астроклиматичните изследвания се установява връзка между броя на ясните дни, регистрирани от метеорологичната служба, и броя на нощите, подходящи за астрономически наблюдения. Най-благоприятните райони според астроклиматичния анализ на територията на бившия СССР са някои планински райони на централноазиатските държави.

Земно пречупване

Лъчите от земни обекти, ако преминат достатъчно дълъг път в атмосферата, също изпитват пречупване. Траекторията на лъчите се огъва под въздействието на пречупване и ние ги виждаме на грешните места или в грешната посока, където всъщност са. При определени условия в резултат на земното пречупване се появяват миражи – лъжливи изображения на далечни обекти.

Ъгълът на земната рефракция a е ъгълът между направлението към видимото и действителното положение на наблюдавания обект (фиг. 2.8). Стойността на ъгъла a зависи от разстоянието до наблюдавания обект и от вертикалния температурен градиент в повърхностния слой на атмосферата, в който се осъществява разпространението на лъчи от наземни обекти.

Фиг.2.8. Проява на земна рефракция по време на наблюдение:

а) – отдолу нагоре, б) – отгоре надолу, а – ъгъл на земна рефракция

Геодезическият (геометричен) диапазон на видимост е свързан със земната рефракция (фиг. 2.9). Да приемем, че наблюдателят се намира в точка А на определена височина hH над земната повърхност и наблюдава хоризонта по посока на точка В. Равнината NAN е хоризонтална равнина, минаваща през точка А перпендикулярно на радиуса на земното кълбо, т.нар. равнината на математическия хоризонт. Ако светлинните лъчи се разпространяват праволинейно в атмосферата, тогава най-отдалечената точка на Земята, която наблюдател от точка А би могъл да види, ще бъде точка В. Разстоянието до тази точка (допирателната AB към земното кълбо) е геодезичният (или геометричен) диапазон на видимост D 0 . Кръгла линия на експлозива на земната повърхност е геодезичният (или геометричен) хоризонт на наблюдателя. Стойността на D 0 се определя само от геометрични параметри: радиуса на Земята R и височината h H на наблюдателя и е равна на D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H, което следва от фиг. 2.9.

Фиг.2.9. Земна рефракция: математически (NN) и геодезически (BB) хоризонти, обхват на геодезическа видимост (AB=D 0)

Ако наблюдател наблюдава обект, разположен на височина h над повърхността на Земята, тогава геодезическият обхват ще бъде разстоянието AC = 3,57 (√ h H + √ h pr). Тези твърдения биха били верни, ако светлината пътуваше по права линия през атмосферата. Но това не е вярно. При нормално разпределение на температурата и плътността на въздуха в приземния слой кривата линия, изобразяваща траекторията на светлинния лъч, е обърната към Земята с вдлъбнатата си страна. Следователно най-отдалечената точка, която наблюдател от A ще види, няма да бъде B, а B¢. Диапазонът на геодезическа видимост AB¢, като се вземе предвид рефракцията, ще бъде средно с 6-7% по-голям и вместо коефициента 3,57 във формулите ще има коефициент 3,82. Геодезическият диапазон се изчислява по формулите

, h - в m, D - в km, R - 6378 km

Където ч n и ч pr – в метри, Д -в километри.

За човек със среден ръст разстоянието до хоризонта на Земята е около 5 км. За космонавтите В. А. Шаталов и А. С. Елисеев, които летяха на космическия кораб "Союз-8", обхватът на хоризонта в перигея (надморска височина 205 km) беше 1730 km, а в апогей (височина 223 km) - 1800 km.

При радиовълните пречупването е почти независимо от дължината на вълната, но освен от температурата и налягането зависи и от съдържанието на водни пари във въздуха. При същите условия на промени в температурата и налягането радиовълните се пречупват по-силно от светлинните, особено при висока влажност.

Следователно във формулите за определяне на обхвата на хоризонта или откриване на обект от радарен лъч пред корена ще има коефициент 4,08. Следователно хоризонтът на радарната система е приблизително 11% по-далеч.

Радиовълните се отразяват добре от земната повърхност и от долната граница на инверсията или слоя с ниска влажност. В такъв уникален вълновод, образуван от земната повърхност и основата на инверсията, радиовълните могат да се разпространяват на много големи разстояния. Тези характеристики на разпространението на радиовълните се използват успешно в радара.

Температурата на въздуха в приземния слой, особено в долната му част, не винаги спада с височината. То може да намалява с различна скорост, може да не се променя с височина (изотермия) и може да се увеличава с височина (инверсия). В зависимост от величината и знака на температурния градиент, пречупването може да има различен ефект върху обхвата на видимия хоризонт.

Вертикалният температурен градиент в хомогенна атмосфера, в която плътността на въздуха не се променя с височината, ж 0 = 3,42°C/100m. Нека разгледаме каква ще бъде траекторията на лъча ABпри различни температурни градиенти на земната повърхност.

Нека , т.е. температурата на въздуха намалява с надморската височина. При това условие индексът на пречупване също намалява с височината. Траекторията на светлинния лъч в този случай ще бъде обърната към земната повърхност с вдлъбнатата си страна (на фиг. 2.9 траекторията AB¢). Това пречупване се нарича положително. Най-отдалечената точка IN¢ наблюдателят ще вижда в посоката на последната допирателна към пътя на лъча. Тази допирателна, т.е. хоризонтът, видим поради пречупване, е равен на математическия хоризонт NASъгъл D, по-малък от ъгъл д. Ъгъл де ъгълът между математическия и геометричния хоризонт без пречупване. Така видимият хоризонт се е издигнал под ъгъл ( д-Г) и разширено, защото д > D0.

Сега нека си представим това жпостепенно намалява, т.е. Температурата намалява все по-бавно с надморската височина. Ще дойде момент, когато температурният градиент стане нула (изотермия), а след това температурният градиент стане отрицателен. Температурата вече не намалява, а се повишава с надморска височина, т.е. наблюдава се температурна инверсия. Тъй като температурният градиент намалява и преминава през нулата, видимият хоризонт ще се издига все по-високо и по-високо и ще дойде момент, когато D стане равно на нула. Видимият геодезически хоризонт ще се издигне до математическия. Земната повърхност сякаш се изправи и стана плоска. Диапазонът на геодезическа видимост е безкрайно голям. Радиусът на кривината на лъча стана равен на радиуса на земното кълбо.

При още по-силна температурна инверсия D става отрицателна. Видимият хоризонт се е издигнал над математическия. На наблюдателя в точка А ще му се стори, че се намира на дъното на огромен басейн. Поради хоризонта обектите, разположени далеч отвъд геодезичния хоризонт, се издигат и стават видими (сякаш се носят във въздуха) (фиг. 2.10).

Такива явления могат да се наблюдават в полярните страни. И така, от канадското крайбрежие на Америка през протока Смит понякога можете да видите брега на Гренландия с всички сгради по него. Разстоянието до брега на Гренландия е около 70 км, а обхватът на геодезическа видимост е не повече от 20 км. Друг пример. От Хейстингс, от английската страна на протока Па дьо Кале, можех да видя френския бряг, лежащ през пролива на разстояние от около 75 км.

Фиг.2.10. Феноменът на необичайното пречупване в полярните страни

Сега нека приемем, че ж=ж 0, следователно плътността на въздуха не се променя с височината (хомогенна атмосфера), няма пречупване и D=D 0 .

При ж > ж 0 индексът на пречупване и плътността на въздуха нарастват с надморската височина. В този случай траекторията на светлинните лъчи е обърната към земната повърхност с изпъкналата си страна. Това пречупване се нарича отрицателно. Последната точка на Земята, която наблюдател в А ще види, ще бъде B². Видимият хоризонт AB² се стеснява и пада до ъгъл (D - д).

От това, което беше обсъдено, можем да формулираме следното правило: ако по време на разпространението на светлинен лъч в атмосферата плътността на въздуха (и следователно индексът на пречупване) се променя, тогава светлинният лъч ще се огъне така, че неговата траектория винаги е изпъкнал в посока на намаляване на плътността (и индекса на пречупване) на въздуха.

Пречупване и миражи

Думата мираж е от френски произход и има две значения: „отражение“ и „измамно виждане“. И двете значения на тази дума добре отразяват същността на явлението. Миражът е изображение на обект, който действително съществува на Земята, често увеличен и силно изкривен. Има няколко вида миражи в зависимост от това къде се намира изображението спрямо обекта: горен, долен, страничен и сложен. Най-често наблюдаваните са горни и долни миражи, които се появяват, когато има необичайно разпределение на плътността (и следователно индекса на пречупване) по височина, когато на определена височина или близо до повърхността на Земята има относително тънък слой от много топъл въздух (с нисък индекс на пречупване), в който лъчите, идващи от земни обекти, изпитват пълно вътрешно отражение. Това се случва, когато лъчите падат върху този слой под ъгъл, по-голям от ъгъла на пълно вътрешно отражение. Този по-топъл слой въздух играе ролята на въздушно огледало, отразяващо попадащите в него лъчи.

Превъзходните миражи (фиг. 2.11) възникват при наличие на силни температурни инверсии, когато плътността на въздуха и индексът на пречупване бързо намаляват с височината. При висшите миражи изображението се намира над обекта.

Фиг.2.11. Супериор Мираж

Траекториите на светлинните лъчи са показани на фигура (2.11). Да приемем, че земната повърхност е плоска и успоредно на нея са разположени слоеве с еднаква плътност. Тъй като плътността намалява с височината, тогава . Топлият слой, който играе ролята на огледало, лежи на височина. В този слой, когато ъгълът на падане на лъчите стане равен на индекса на пречупване (), лъчите се завъртат обратно към земната повърхност. Наблюдателят може да види едновременно самия обект (ако не е зад хоризонта) и едно или повече изображения над него - изправени и обърнати.

Фиг.2.12. Комплекс превъзходен мираж

На фиг. Фигура 2.12 показва диаграма на появата на сложен горен мираж. Самият обект се вижда аб, над него има пряко негово изображение a¢b¢, обърнат в²b²и пак директно a²¢b²¢. Такъв мираж може да възникне, ако плътността на въздуха намалява с надморската височина, първо бавно, после бързо и отново бавно. Изображението се оказва с главата надолу, ако лъчите, идващи от крайните точки на обекта, се пресичат. Ако обектът е далеч (отвъд хоризонта), тогава самият обект може да не се вижда, но неговите изображения, издигнати високо във въздуха, се виждат от големи разстояния.

Град Ломоносов се намира на брега на Финския залив, на 40 км от Санкт Петербург. Обикновено от Ломоносов Санкт Петербург изобщо не се вижда или се вижда много слабо. Понякога Санкт Петербург се вижда „с един поглед“. Това е един пример за превъзходни миражи.

Очевидно броят на горните миражи трябва да включва поне част от така наречените призрачни земи, които бяха търсени в продължение на десетилетия в Арктика и никога не бяха намерени. Те търсиха Земята на Санников особено дълго време.

Яков Санников е бил ловец и се е занимавал с търговия с кожи. През 1811г Той тръгна на кучета през леда към групата на Новосибирските острови и от северния край на остров Котелни видя непознат остров в океана. Той не успя да стигне до него, но съобщи на правителството за откриването на нов остров. През август 1886г Е. В. Тол по време на експедицията си до Новосибирските острови също видя остров Санников и записа в дневника си: „Хоризонтът е напълно чист. В посока на североизток, 14-18 градуса, ясно се виждаха контурите на четири платна, които се свързваха с низината на изток. Така посланието на Санников се потвърди напълно. Следователно имаме право да начертаем пунктирана линия на съответното място на картата и да напишем върху нея: „Земята на Санников“.

Тол даде 16 години от живота си на търсенето на Земята на Санников. Той организира и проведе три експедиции в района на Новосибирските острови. По време на последната експедиция на шхуната „Заря“ (1900-1902 г.) експедицията на Толя загина, без да намери Земята на Санников. Никой повече не видя Земята на Санников. Може би това е мираж, който се появява на едно и също място в определени периоди от годината. И Санников, и Тол видяха мираж на същия остров, разположен в тази посока, само че много по-навътре в океана. Може би беше един от островите Де Лонг. Може би беше огромен айсберг - цял леден остров. Такива ледени планини с площ до 100 km2 пътуват през океана в продължение на няколко десетилетия.

Миражът не винаги е мамел хората. Английският полярен изследовател Робърт Скот през 1902 г. в Антарктида видях планини, сякаш висящи във въздуха. Скот предположи, че има планинска верига по-нататък отвъд хоризонта. И наистина, планинската верига е открита по-късно от норвежкия полярен изследовател Раул Амундсен точно там, където Скот очаква да се намира.

Фиг.2.13. Долен Мираж

Долните миражи (фиг. 2.13) възникват при много бързо намаляване на температурата с височина, т.е. при много големи температурни градиенти. Ролята на въздушно огледало играе тънкият повърхностен най-топъл слой въздух. Миражът се нарича долен мираж, защото изображението на обект е поставено под обекта. При долните миражи изглежда, че под обекта има водна повърхност и всички обекти се отразяват в нея.

В спокойна вода всички предмети, стоящи на брега, се отразяват ясно. Отражението в тънък слой въздух, нагрят от земната повърхност, е напълно подобно на отражението във водата, само че ролята на огледало играе самият въздух. Условията на въздуха, в които се появяват долните миражи, са изключително нестабилни. В края на краищата долу, близо до земята, лежи силно нагрят и следователно по-лек въздух, а над него лежи по-студен и по-тежък въздух. Струи горещ въздух, издигащи се от земята, проникват през слоеве студен въздух. Поради това миражът се променя пред очите ни, повърхността на „водата“ изглежда развълнувана. Достатъчен е малък порив на вятъра или удар и ще настъпи срутване, т.е. обръщане на въздушни слоеве. Тежкият въздух ще се втурне надолу, унищожавайки въздушното огледало и миражът ще изчезне. Благоприятните условия за появата на долни миражи са хомогенна, плоска подземна повърхност на Земята, която се среща в степи и пустини, и слънчево, безветрено време.

Ако миражът е изображение на реално съществуващ обект, тогава възниква въпросът: каква водна повърхност виждат пътниците в пустинята? В крайна сметка в пустинята няма вода. Факт е, че видимата водна повърхност или езеро, което се вижда в мираж, всъщност е изображение не на водната повърхност, а на небето. Части от небето се отразяват във въздушното огледало и създават пълната илюзия за лъскава водна повърхност. Такъв мираж може да се види не само в пустинята или степта. Те дори се появяват в Санкт Петербург и околностите му в слънчеви дни над асфалтови пътища или плосък пясъчен плаж.

Фиг.2.14. Страничен мираж

Страничните миражи възникват в случаите, когато слоеве въздух с еднаква плътност са разположени в атмосферата не хоризонтално, както обикновено, а косо и дори вертикално (фиг. 2.14). Такива условия се създават през лятото, сутрин малко след изгрев слънце, по скалистите брегове на море или езеро, когато брегът вече е огрян от Слънцето, а повърхността на водата и въздухът над нея са все още студени. Страничните миражи са наблюдавани многократно на Женевското езеро. Страничен мираж може да се появи близо до каменна стена на къща, нагрята от слънцето, и дори отстрани на нагрята печка.

Сложни видове миражи, или Fata Morgana, възникват, когато има едновременно условия за появата на горен и долен мираж, например по време на значителна температурна инверсия на определена надморска височина над относително топло море. Плътността на въздуха първо се увеличава с височина (температурата на въздуха намалява), а след това също бързо намалява (температурата на въздуха се повишава). При такова разпределение на плътността на въздуха състоянието на атмосферата е много нестабилно и подложено на резки промени. Следователно външният вид на миража се променя пред очите ни. Най-обикновените скали и къщи, поради многократни изкривявания и увеличения, се превръщат пред очите ни в прекрасните замъци на феята Моргана. Fata Morgana се наблюдава край бреговете на Италия и Сицилия. Но може да се случи и на високи географски ширини. Ето как известният сибирски изследовател Ф. П. Врангел описва Фата Моргана, която видя в Нижнеколимск: „Действието на хоризонталното пречупване създаде един вид Фата Моргана. Планините, разположени на юг, ни се сториха в различни изкривени форми и висящи във въздуха. Далечните планини сякаш бяха преобърнали върховете си. Реката се стесни до такава степен, че отсрещният бряг изглеждаше почти при нашите колиби.

Източник на работа: Решение 4555. OGE 2017 Physics, E.E. Камзеева. 30 опции.

Задача 20.В текста пречупването се отнася до явлението

1) промени в посоката на разпространение на светлинния лъч поради отражение на границата на атмосферата

2) промени в посоката на разпространение на светлинен лъч поради пречупване в земната атмосфера

3) поглъщане на светлината, докато се разпространява в земната атмосфера

4) светлинният лъч се огъва около препятствия и по този начин се отклонява от разпространението по права линия

Решение.

Преди лъч светлина от далечен космически обект (като звезда) да влезе в окото на наблюдател, той трябва да премине през земната атмосфера. В този случай светлинният лъч претърпява процесите на пречупване, абсорбция и разсейване.

Пречупването на светлината в атмосферата е оптично явление, причинено от пречупването на светлинните лъчи в атмосферата и проявяващо се във видимото изместване на отдалечени обекти (например звезди, наблюдавани в небето). Когато светлинният лъч от небесното тяло се приближава до повърхността на Земята, плътността на атмосферата се увеличава (фиг. 1) и лъчите се пречупват все повече и повече. Процесът на разпространение на светлинен лъч през земната атмосфера може да бъде симулиран с помощта на купчина прозрачни плочи, чиято оптична плътност се променя с разпространението на лъча.

Благодарение на пречупването наблюдателят вижда обектите не по посока на действителното им положение, а по допирателната към пътя на лъча в точката на наблюдение (фиг. 3). Ъгълът между истинската и видимата посока на обекта се нарича ъгъл на пречупване. Звездите в близост до хоризонта, чиято светлина трябва да премине през най-голямата дебелина на атмосферата, са най-податливи на атмосферно пречупване (ъгълът на пречупване е около 1/6 от ъгловия градус).