U mirnoj atmosferi posmatra se situacija. Tekstualni zadaci (GY iz fizike). Planete i zvijezde: u čemu je razlika
Mnogo je zanimljivih stvari na svijetu. Treperenje zvezda je jedan od najneverovatnijih fenomena. Koliko je različitih vjerovanja povezano s ovim fenomenom! Nepoznato uvijek plaši i privlači u isto vrijeme. Koja je priroda ovog fenomena?
Uticaj atmosfere
Astronomi su došli do zanimljivog otkrića: treperenje zvijezda nema nikakve veze s njihovim promjenama. Zašto onda zvijezde svjetlucaju na noćnom nebu? Sve se radi o atmosferskom kretanju tokova hladnog i toplog vazduha. Tamo gdje topli slojevi prelaze preko hladnih, nastaju zračni vrtlozi. Pod uticajem ovih vrtloga dolazi do izobličenja svetlosnih zraka. Ovako se savijaju svjetlosne zrake, mijenjajući prividni položaj zvijezda.
Zanimljiva je činjenica da zvijezde uopće ne svjetlucaju. Ova vizija je stvorena na zemlji. Oči posmatrača opažaju svjetlost koja dolazi od zvijezde nakon što prođe kroz atmosferu. Stoga, na pitanje zašto zvijezde svjetlucaju, možemo odgovoriti da zvijezde ne svjetlucaju, već je pojava koju opažamo na Zemlji izobličenje svjetlosti koja je prošla od zvijezde kroz atmosferske slojeve zraka. Da se takva kretanja zraka ne bi dogodila, treperenje se ne bi primijetilo, čak ni od najudaljenije zvijezde u svemiru.
Naučno objašnjenje
Ako detaljnije proširimo pitanje zašto zvijezde svjetlucaju, vrijedno je napomenuti da se ovaj proces opaža kada se svjetlost zvijezde kreće iz gušćeg atmosferskog sloja u manje gust. Osim toga, kao što je gore spomenuto, ovi slojevi se stalno pomiču jedan u odnosu na drugi. Iz zakona fizike znamo da se topli vazduh diže, a hladan, naprotiv, tone. Kada svjetlost prođe ovu granicu sloja, uočavamo treperenje.
Prolazeći kroz slojeve zraka različite gustine, svjetlost zvijezda počinje da treperi, a njihovi obrisi se zamagljuju i slika se povećava. Istovremeno se mijenja i intenzitet zračenja i, shodno tome, svjetlina. Tako su, proučavajući i posmatrajući gore opisane procese, naučnici shvatili zašto zvijezde svjetlucaju, a njihovo treperenje varira u intenzitetu. U nauci se ova promjena intenziteta svjetlosti naziva scintilacija.
Planete i zvijezde: u čemu je razlika?
Još jedna zanimljiva činjenica je da svaki svijetleći kosmički objekt ne proizvodi svjetlost koja izvire iz fenomena scintilacije. Uzmimo planete. Takođe reflektuju sunčevu svetlost, ali ne trepere. Po prirodi zračenja se planeta razlikuje od zvijezde. Da, svjetlost zvijezde treperi, ali svjetlost planete ne.
Od davnina, čovječanstvo je naučilo da se kreće u svemiru koristeći zvijezde. U onim danima kada nisu izmišljeni precizni instrumenti, nebo je pomoglo da se pronađe pravi put. I danas ovo znanje nije izgubilo na značaju. Astronomija kao nauka počela je u 16. veku, kada je prvi put izumljen teleskop. Tada su počeli pomno promatrati svjetlost zvijezda i proučavati zakone po kojima one svjetlucaju. Riječ astronomija u prevodu sa grčkog to je "zakon zvezda".
Star Science
Astronomija proučava svemir i nebeska tijela, njihovo kretanje, lokaciju, strukturu i porijeklo. Zahvaljujući razvoju nauke, astronomi su objasnili po čemu se svetlucava zvezda na nebu razlikuje od planete, kako se odvija razvoj nebeskih tela, njihovih sistema i satelita. Ova nauka je gledala daleko izvan granica Sunčevog sistema. Nauka astronomije proučava pulsare, kvazare, magline, asteroide, galaksije, crne rupe, međuzvjezdanu i međuplanetarnu materiju, komete, meteorite i sve što je u vezi s svemirom.
Na intenzitet i boju svjetlucave zvijezde također utiču visina atmosfere i blizina horizonta. Lako je primijetiti da zvijezde koje se nalaze blizu njega sijaju jače i svjetlucaju u različitim bojama. Ovaj prizor postaje posebno lijep u mraznim noćima ili odmah nakon kiše. U tim trenucima nebo je bez oblaka, što doprinosi svjetlijem treperenju. Sirius ima poseban sjaj.
Atmosfera i zvezdana svetlost
Ako želite da posmatrate svetlucanje zvezda, treba da shvatite da je uz mirnu atmosferu u zenitu to moguće samo povremeno. Svjetlina svjetlosnog toka se stalno mijenja. Ovo je opet zbog skretanja svjetlosnih zraka, koje su neravnomjerno koncentrisane iznad površine zemlje. Vetar takođe utiče na zvezdani pejzaž. U ovom slučaju, posmatrač panorame zvijezda stalno se nalazi naizmjenično u zamračenom ili osvijetljenom području.
Prilikom posmatranja zvijezda koje se nalaze na visini većoj od 50°, promjena boje neće biti primjetna. Ali zvijezde koje su ispod 35° će treptati i mijenjati boju prilično često. Veoma intenzivno treperenje ukazuje na heterogenost atmosfere, koja je direktno povezana sa meteorologijom. Prilikom posmatranja zvjezdanog svjetlucanja, uočeno je da se ono pojačava pri niskom atmosferskom pritisku i temperaturi. Povećanje treperenja može se primijetiti i sa povećanjem vlažnosti. Međutim, nemoguće je predvidjeti vrijeme pomoću scintilacije. Stanje atmosfere zavisi od velikog broja različitih faktora, što nam ne dozvoljava da zaključke o vremenu donosimo samo na osnovu zvjezdanog treptanja. Naravno, neke stvari funkcioniraju, ali ovaj fenomen i dalje ima svoje nejasnoće i misterije.
Da li ste se ikada zapitali zašto se zvezde ne vide na nebu tokom dana? Na kraju krajeva, vazduh je proziran danju kao i noću. Čitava poenta je u tome da atmosfera tokom dana rasipa sunčevu svjetlost.
Zamislite da se uveče nalazite u dobro osvetljenoj prostoriji. Kroz prozorsko staklo prilično jasno se vide jaka svjetla koja se nalaze napolju. Ali slabo osvijetljene objekte je gotovo nemoguće vidjeti. Međutim, čim ugasite svjetlo u prostoriji, staklo prestaje služiti kao prepreka našem vidu.
Nešto slično se dešava kada posmatramo nebo: danju je atmosfera iznad nas jako osvetljena i kroz nju se vidi Sunce, ali slaba svetlost udaljenih zvezda ne može da prodre. Ali nakon što Sunce potone ispod horizonta i sunčeva svetlost (a sa njom i svetlost raspršena vazduhom) se „ugasi“, atmosfera postaje „prozirna“ i zvezde se mogu posmatrati.
Drugačija je stvar u svemiru. Kako se letjelica diže na visinu, gusti slojevi atmosfere ostaju ispod i nebo postepeno tamni.
Na visini od oko 200-300 km, gdje obično lete svemirske letjelice s ljudskom posadom, nebo je potpuno crno. Uvijek je crna, čak i ako je Sunce trenutno na njegovom vidljivom dijelu.
“Nebo je potpuno crno. Zvijezde na ovom nebu izgledaju nešto svjetlije i jasnije su vidljive na pozadini crnog neba”, ovako je svoje svemirske utiske opisao prvi kosmonaut Yu. A. Gagarin.
Ali ipak, čak i sa svemirske letjelice na dnevnoj strani neba, nisu vidljive sve zvijezde, već samo najsjajnije. Oko je uznemireno zasljepljujućom svjetlošću Sunca i svjetlošću Zemlje.
Ako pogledamo nebo sa Zemlje, jasno ćemo vidjeti da sve zvijezde trepere. Čini se da blijede, a zatim bljesnu, svjetlucaju različitim bojama. I što se zvijezda nalazi niže iznad horizonta, to je treperenje jače.
Treperenje zvijezda se također objašnjava prisustvom atmosfere. Prije nego što dođe do naših očiju, svjetlost koju emituje zvijezda prolazi kroz atmosferu. U atmosferi uvek postoje mase toplijeg i hladnijeg vazduha. Njegova gustina ovisi o temperaturi zraka u određenom području. Prelazeći iz jednog područja u drugo, svjetlosni zraci doživljavaju prelamanje. Smjer njihovog širenja se mijenja. Zbog toga su na nekim mjestima iznad površine zemlje koncentrisani, na drugim su relativno rijetki. Kao rezultat stalnog kretanja vazdušnih masa, ove zone se stalno pomeraju, a posmatrač vidi ili povećanje ili smanjenje sjaja zvezda. Ali kako se zraci različitih boja ne lome jednako, momenti intenziviranja i slabljenja različitih boja ne nastaju istovremeno.
Osim toga, drugi, složeniji optički efekti mogu igrati određenu ulogu u svjetlucanju zvijezda.
Prisustvo toplih i hladnih slojeva vazduha i intenzivno kretanje vazdušnih masa takođe utiču na kvalitet teleskopskih snimaka.
Gdje su najbolji uvjeti za astronomska posmatranja: u planinama ili u ravnicama, na obali mora ili u unutrašnjosti, u šumi ili u pustinji? I uopšte, šta je bolje za astronome - deset noći bez oblaka u toku meseca ili samo jedna vedra noć, ali jedna kada je vazduh savršeno čist i miran?
Ovo je samo mali dio pitanja koja se moraju riješiti prilikom odabira lokacije za izgradnju opservatorija i postavljanje velikih teleskopa. Ovakvim problemima se bavi posebna oblast nauke - astroklimatologija.
Naravno, najbolji uslovi za astronomska posmatranja su izvan gustih slojeva atmosfere, u svemiru. Inače, zvijezde ovdje ne trepere, već gore hladnom, mirnom svjetlošću.
Poznata sazvežđa izgledaju potpuno isto u svemiru kao i na Zemlji. Zvijezde su na ogromnoj udaljenosti od nas, a udaljavanje od zemljine površine za nekoliko stotina kilometara ne može ništa promijeniti u njihovom prividnom relativnom položaju. Čak i kada se posmatra sa Plutona, obrisi sazvežđa bi bili potpuno isti.
Tokom jedne orbite iz svemirske letjelice koja se kreće u niskoj orbiti Zemlje, u principu, možete vidjeti sva sazviježđa zemaljskog neba. Posmatranje zvijezda iz svemira je od dvostrukog interesa: astronomskog i navigacijskog. Posebno je veoma važno posmatrati svetlost zvezda nepromenjenu atmosferom.
Navigacija po zvijezdama nije ništa manje važna u svemiru. Posmatranjem unaprijed odabranih "referentnih" zvijezda, ne samo da možete orijentirati brod, već i odrediti njegovu poziciju u svemiru.
Astronomi su dugo sanjali o budućim opservatorijama na površini Mjeseca. Činilo se da bi potpuno odsustvo atmosfere trebalo da stvori idealne uslove na prirodnom satelitu Zemlje za astronomska posmatranja kako tokom lunarne noći tako i tokom lunarnog dana.
Prolazeći kroz Zemljinu atmosferu, svjetlosni zraci mijenjaju svoj pravi smjer. Zbog povećanja gustine atmosfere, prelamanje svjetlosnih zraka se povećava kako se približavaju Zemljinoj površini. Kao rezultat toga, posmatrač vidi nebeska tijela kao da su podignuta iznad horizonta pod uglom koji se naziva astronomska refrakcija.
Refrakcija je jedan od glavnih izvora i sistematskih i slučajnih grešaka u posmatranju. Godine 1906 Newcomb je napisao da ne postoji grana praktične astronomije o kojoj se toliko pisalo kao o prelamanju i koja bi bila u tako nezadovoljavajućem stanju. Sve do sredine 20. vijeka, astronomi su smanjivali svoja zapažanja koristeći tablice refrakcije sastavljene u 19. vijeku. Glavni nedostatak svih starih teorija bilo je netačno razumijevanje strukture Zemljine atmosfere.
Uzmimo površinu Zemlje AB kao sferu poluprečnika OA=R i zamislimo Zemljinu atmosferu u obliku slojeva koncentričnih s njom aw, 1 u 1 i 2 u 2...sa povećanjem gustine kako se slojevi približavaju zemljinoj površini (slika 2.7). Tada će zraka SA iz nekog veoma udaljenog tijela, prelomljena u atmosferi, stići u tačku A u pravcu S¢A, odstupajući od svog početnog položaja SA ili od smjera S²A paralelnog s njim za određeni ugao S¢AS²= r, nazvana astronomska refrakcija. Svi elementi zakrivljene zrake SA i njenog konačnog prividnog smjera AS¢ ležat će u istoj vertikalnoj ravni ZAOS. Shodno tome, astronomska refrakcija samo povećava pravi smjer svjetiljke u vertikalnoj ravni koja prolazi kroz nju.
Ugaona elevacija zvijezde iznad horizonta u astronomiji se naziva visinom zvijezde. Ugao S¢AH = h¢će biti prividna visina zvijezde, a ugao S²AH = h = h¢ - r je njegova prava visina. Ugao z je prava zenitna udaljenost svjetiljke, i z¢ je njegova vidljiva vrijednost.
Količina prelamanja ovisi o mnogim faktorima i može se promijeniti na svakom mjestu na Zemlji, čak i u roku od jednog dana. Za prosječne uvjete dobivena je približna formula refrakcije:
Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)
Koeficijent 0,9666 odgovara gustini atmosfere na temperaturi od +10°C i pritisku od 760 mm Hg. Ako su karakteristike atmosfere različite, tada se korekcija za refrakciju, izračunata prema formuli (2.1), mora ispraviti korekcijama za temperaturu i pritisak.
Slika 2.7 Astronomska refrakcija
Da bi se uzela u obzir astronomska refrakcija u zenitnim metodama astronomskih određivanja, temperatura i vazdušni pritisak se mere tokom posmatranja zenitnih udaljenosti svetiljki. U preciznim metodama astronomskih određivanja, zenitne udaljenosti svjetiljki mjere se u rasponu od 10° do 60°. Gornja granica je zbog instrumentalnih grešaka, donja granica je zbog grešaka u tablicama refrakcije.
Zenitna udaljenost svjetiljke, korigirana korekcijom refrakcije, izračunava se po formuli:
Prosječna (normalna na temperaturi od +10°C i pritisku od 760 mm Hg.) refrakcije, izračunata prema z¢;
Koeficijent koji uzima u obzir temperaturu zraka, izračunatu iz vrijednosti temperature;
B– koeficijent koji uzima u obzir pritisak vazduha.
Mnogi naučnici proučavali su teoriju refrakcije. U početku je početna pretpostavka bila da se gustina različitih slojeva atmosfere smanjuje sa povećanjem visine ovih slojeva u aritmetičkoj progresiji (Bouguer). Ali ova pretpostavka je ubrzo prepoznata kao nezadovoljavajuća u svakom pogledu, jer je dovela do premale vrijednosti refrakcije i do prebrzog pada temperature s visinom iznad površine Zemlje.
Newton je pretpostavio da se gustina atmosfere smanjuje s visinom prema zakonu geometrijske progresije. I ova hipoteza se pokazala nezadovoljavajućom. Prema ovoj hipotezi, pokazalo se da temperatura u svim slojevima atmosfere treba da ostane konstantna i jednaka temperaturi na površini Zemlje.
Najgenijalnija je bila Laplaceova hipoteza, posredna između ove dvije gornje. Tabele prelamanja koje se godišnje objavljuju u francuskom astronomskom kalendaru zasnivale su se na ovoj Laplacevoj hipotezi.
Zemljina atmosfera svojom nestabilnošću (turbulencija, varijacije refrakcije) postavlja ograničenje tačnosti astronomskih posmatranja sa Zemlje.
Prilikom odabira mjesta za postavljanje velikih astronomskih instrumenata prvo se sveobuhvatno proučava astroklima područja, što se podrazumijeva kao skup faktora koji iskrivljuju oblik valnog fronta zračenja nebeskih objekata koji prolaze kroz atmosferu. Ako front valova dođe do uređaja neiskrivljen, tada uređaj u ovom slučaju može raditi s maksimalnom efikasnošću (sa rezolucijom koja se približava teorijskoj).
Kako se pokazalo, kvalitet teleskopske slike je smanjen uglavnom zbog smetnji koje unosi prizemni sloj atmosfere. Zemlja se, zbog sopstvenog toplotnog zračenja noću, znatno hladi i hladi susedni sloj vazduha. Promjena temperature zraka za 1°C mijenja njegov indeks prelamanja za 10 -6. Na izolovanim planinskim vrhovima, debljina prizemnog sloja vazduha sa značajnom temperaturnom razlikom (gradijentom) može doseći nekoliko desetina metara. U dolinama i ravnim područjima noću ovaj sloj je mnogo deblji i može biti stotinama metara. Ovo objašnjava izbor lokacija za astronomske opservatorije na ograncima grebena i na izolovanim vrhovima, odakle gušći hladni vazduh može da struji u doline. Visina tornja teleskopa je odabrana tako da se instrument nalazi iznad glavnog područja temperaturnih nehomogenosti.
Važan faktor astroklime je vjetar u površinskom sloju atmosfere. Mešanjem slojeva hladnog i toplog vazduha izaziva pojavu nehomogenosti gustine u vazdušnom stubu iznad uređaja. Nehomogenosti čije su dimenzije manje od prečnika teleskopa dovode do defokusiranja slike. Veće fluktuacije gustine (nekoliko metara ili veće) ne uzrokuju oštra izobličenja fronta talasa i dovode uglavnom do pomeranja, a ne do defokusiranja slike.
U gornjim slojevima atmosfere (u tropopauzi) također se primjećuju fluktuacije gustoće i indeksa prelamanja zraka. Ali poremećaji u tropopauzi ne utječu primjetno na kvalitetu slike koju proizvode optički instrumenti, jer su temperaturni gradijenti tamo mnogo manji nego u površinskom sloju. Ovi slojevi ne izazivaju drhtanje, već treperenje zvijezda.
U astroklimatskim studijama uspostavlja se veza između broja vedrih dana koje je zabeležila meteorološka služba i broja noći pogodnih za astronomska posmatranja. Najpovoljnija područja, prema astroklimatskoj analizi teritorije bivšeg SSSR-a, su neka planinska područja centralnoazijskih država.
Terestrička refrakcija
Zraci iz prizemnih objekata, ako putuju dovoljno dugim putem u atmosferi, također doživljavaju lom. Putanja zraka se savija pod uticajem refrakcije, a mi ih vidimo na pogrešnim mestima ili u pogrešnom smeru gde se zapravo nalaze. Pod određenim uvjetima, kao rezultat zemaljske refrakcije, pojavljuju se fatamorgane - lažne slike udaljenih objekata.
Ugao terestričke refrakcije a je ugao između pravca prividnog i stvarnog položaja posmatranog objekta (slika 2.8). Vrijednost ugla a zavisi od udaljenosti do posmatranog objekta i od vertikalnog temperaturnog gradijenta u površinskom sloju atmosfere, u kojem dolazi do širenja zraka iz prizemnih objekata.
Sl.2.8. Manifestacija zemaljske refrakcije tokom viđenja:
a) – odozdo prema gore, b) – od vrha do dna, a – ugao zemaljske refrakcije
Geodetski (geometrijski) opseg vidljivosti povezan je sa zemaljskom refrakcijom (slika 2.9). Pretpostavimo da je posmatrač u tački A na određenoj visini hH iznad površine zemlje i da posmatra horizont u pravcu tačke B. NAN ravan je horizontalna ravan koja prolazi kroz tačku A okomita na poluprečnik globusa, tzv. ravan matematičkog horizonta. Ako bi se zraci svjetlosti širili pravolinijski u atmosferi, tada bi najudaljenija tačka na Zemlji koju bi posmatrač iz tačke A mogao da vidi bila tačka B. Udaljenost do ove tačke (tangenta AB na globus) je geodetski (ili geometrijski) opseg vidljivosti D 0 . Kružna linija eksploziva na Zemljinoj površini je geodetski (ili geometrijski) horizont posmatrača. Vrijednost D 0 određena je samo geometrijskim parametrima: poluprečnikom Zemlje R i visinom h H posmatrača i jednaka je D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H, što slijedi iz slike 2.9.
Sl.2.9. Terestrička refrakcija: matematički (NN) i geodetski (BB) horizonti, geodetski raspon vidljivosti (AB=D 0)
Ako posmatrač posmatra objekat koji se nalazi na visini h iznad površine Zemlje, tada će geodetski raspon biti udaljenost AC = 3,57(√ h H + √ h pr). Ove izjave bi bile istinite da svjetlost putuje pravolinijski kroz atmosferu. Ali to nije istina. Uz normalnu distribuciju temperature i gustine zraka u prizemnom sloju, kriva linija koja prikazuje putanju svjetlosnog snopa okrenuta je ka Zemlji svojom konkavnom stranom. Prema tome, najudaljenija tačka koju će posmatrač iz A videti neće biti B, već B¢. Geodetski opseg vidljivosti AB¢, uzimajući u obzir refrakciju, biće u prosjeku veći 6-7% i umjesto koeficijenta 3,57 u formulama će biti koeficijent 3,82. Geodetski raspon se izračunava pomoću formula
, h - u m, D - u km, R - 6378 km
Gdje h n i h pr – u metrima, D – u kilometrima.
Za osobu prosječne visine, udaljenost horizonta na Zemlji je oko 5 km. Za kosmonaute V. A. Shatalova i A. S. Elisejeva, koji su letjeli na svemirskom brodu Sojuz-8, domet horizonta u perigeju (visina 205 km) bio je 1730 km, a u apogeju (visina 223 km) - 1800 km.
Za radio talase, refrakcija je skoro nezavisna od talasne dužine, ali osim temperature i pritiska zavisi i od sadržaja vodene pare u vazduhu. U istim uslovima promene temperature i pritiska, radio talasi se lome jače od svetlosnih, posebno sa visokom vlažnošću.
Stoga će u formulama za određivanje dometa horizonta ili detekcije objekta radarskim snopom ispred korijena biti koeficijent 4,08. Posljedično, horizont radarskog sistema je otprilike 11% udaljeniji.
Radio talasi se dobro reflektuju od zemljine površine i od donje granice inverzije ili sloja niske vlažnosti. U tako jedinstvenom talasovodu formiranom od zemljine površine i osnove inverzije, radio talasi se mogu širiti na veoma velike udaljenosti. Ove karakteristike širenja radio talasa se uspešno koriste u radaru.
Temperatura vazduha u prizemnom sloju, posebno u njegovom donjem delu, ne pada uvek sa visinom. Može se smanjivati različitim brzinama, možda se ne mijenja s visinom (izotermija) i može se povećavati s visinom (inverzija). U zavisnosti od veličine i predznaka temperaturnog gradijenta, refrakcija može imati različite efekte na opseg vidljivog horizonta.
Vertikalni temperaturni gradijent u homogenoj atmosferi u kojoj se gustina vazduha ne menja sa visinom, g 0 = 3,42°C/100m. Razmotrimo kakva će biti putanja zraka AB na različitim temperaturnim gradijentima na površini Zemlje.
Neka , tj. temperatura vazduha opada sa visinom. Pod ovim uslovom, indeks prelamanja takođe opada sa visinom. Putanja svjetlosnog snopa u ovom slučaju će biti okrenuta ka površini zemlje svojom konkavnom stranom (na slici 2.9 putanja AB¢). Ova refrakcija se naziva pozitivnom. Najdalja tačka IN¢ posmatrač će videti u pravcu poslednje tangente putanje zraka. Ova tangenta, tj. horizont vidljiv zbog prelamanja jednak je matematičkom horizontu NAS ugao D, manji od ugla d. Ugao d je ugao između matematičkog i geometrijskog horizonta bez prelamanja. Dakle, vidljivi horizont se podigao za ugao ( d- D) i proširen jer D > D0.
Sada zamislimo to g postepeno se smanjuje, tj. Temperatura opada sve sporije sa visinom. Doći će trenutak kada temperaturni gradijent postane nula (izotermija), a zatim temperaturni gradijent postaje negativan. Temperatura se više ne smanjuje, već raste sa visinom, tj. primećuje se temperaturna inverzija. Kako se temperaturni gradijent smanjuje i prolazi kroz nulu, vidljivi horizont će se podizati sve više i više i doći će trenutak kada D postane jednak nuli. Vidljivi geodetski horizont će se podići do matematičkog. Zemljina površina kao da se ispravila i postala ravna. Geodetski raspon vidljivosti je beskonačno velik. Polumjer zakrivljenosti snopa postao je jednak polumjeru globusa.
Sa još jačom temperaturnom inverzijom, D postaje negativan. Vidljivi horizont se izdigao iznad matematičkog. Posmatraču u tački A će se učiniti da se nalazi na dnu ogromnog bazena. Zbog horizonta se objekti koji se nalaze daleko iza geodetskog horizonta izdižu i postaju vidljivi (kao da lebde u vazduhu) (slika 2.10).
Ovakve pojave se mogu uočiti u polarnim zemljama. Dakle, od kanadske obale Amerike preko Smitovog moreuza ponekad se može videti obala Grenlanda sa svim zgradama na njoj. Udaljenost do obale Grenlanda je oko 70 km, dok raspon geodetske vidljivosti nije veći od 20 km. Još jedan primjer. Od Hastingsa, na engleskoj strani prolaza Pas-de-Calais, mogao sam vidjeti francusku obalu, koja leži preko tjesnaca na udaljenosti od oko 75 km.
Sl.2.10. Fenomen neobične refrakcije u polarnim zemljama
Sada pretpostavimo to g=g 0, dakle, gustina vazduha se ne menja sa visinom (homogena atmosfera), nema prelamanja i D=D 0 .
At g > g 0 indeks loma i gustina zraka rastu s visinom. U ovom slučaju, putanja svjetlosnih zraka okrenuta je konveksnom stranom prema površini zemlje. Ova refrakcija se naziva negativna. Poslednja tačka na Zemlji koju će posmatrač u A videti biće B². Vidljivi horizont AB² se suzio i spustio pod uglom (D - d).
Iz onoga što je diskutovano, možemo formulirati sljedeće pravilo: ako se tokom prostiranja svjetlosnog snopa u atmosferi mijenja gustina zraka (a samim tim i indeks loma), tada će se svjetlosni snop savijati tako da je njegova putanja uvijek konveksan u pravcu smanjenja gustine (i indeksa prelamanja) vazduha.
Refrakcija i fatamorgana
Riječ fatamorgana je francuskog porijekla i ima dva značenja: “odraz” i “obmanjujuća vizija”. Oba značenja ove riječi dobro odražavaju suštinu fenomena. fatamorgana je slika objekta koji stvarno postoji na Zemlji, često uvećana i jako izobličena. Postoji nekoliko vrsta fatamorgana ovisno o tome gdje se slika nalazi u odnosu na objekt: gornja, donja, bočna i složena. Najčešće uočene su superiorne i inferiorne fatamorgane, koje nastaju kada postoji neobična raspodjela gustine (a samim tim i indeksa prelamanja) po visini, kada na određenoj visini ili blizu površine Zemlje postoji relativno tanak sloj veoma topao vazduh (sa niskim indeksom prelamanja), u kojem zraci koji dolaze iz prizemnih objekata doživljavaju potpunu unutrašnju refleksiju. Ovo se dešava kada zraci padaju na ovaj sloj pod uglom većim od ugla ukupne unutrašnje refleksije. Ovaj topliji sloj zraka igra ulogu zračnog ogledala, reflektirajući zrake koje padaju u njega.
Superiorne fatamorgane (slika 2.11) se javljaju u prisustvu jakih temperaturnih inverzija, kada gustina vazduha i indeks prelamanja brzo opadaju sa visinom. U superiornim fatamorganama, slika se nalazi iznad objekta.
Sl.2.11. Superior Mirage
Putanja svjetlosnih zraka prikazana je na slici (2.11). Pretpostavimo da je Zemljina površina ravna i da se paralelno s njom nalaze slojevi jednake gustine. Budući da se gustina smanjuje s visinom, onda . Topli sloj, koji djeluje kao ogledalo, leži na visini. U ovom sloju, kada upadni ugao zraka postane jednak indeksu prelamanja (), zrake se rotiraju nazad na površinu zemlje. Posmatrač može istovremeno da vidi sam objekat (ako nije iza horizonta) i jednu ili više slika iznad njega - uspravne i obrnute.
Sl.2.12. Kompleks superiorna fatamorgana
Na sl. Slika 2.12 prikazuje dijagram pojave složene gornje fatamorgane. Sam objekat je vidljiv ab, iznad njega je direktna njegova slika a¢b¢, obrnuto in²b² i opet direktno a²¢b²¢. Takva fatamorgana može nastati ako se gustina zraka smanjuje s visinom, prvo polako, zatim brzo i opet polako. Slika se okreće naopako ako se zrake koje dolaze iz krajnjih tačaka objekta ukrštaju. Ako je objekt daleko (iza horizonta), onda sam objekt možda nije vidljiv, ali su njegove slike, podignute visoko u zrak, vidljive sa velike udaljenosti.
Grad Lomonosov se nalazi na obali Finskog zaliva, 40 km od Sankt Peterburga. Obično iz Lomonosova Sankt Peterburg se uopće ne vidi ili je vrlo slabo vidljiv. Ponekad je Sankt Peterburg vidljiv „na prvi pogled“. Ovo je jedan primjer superiornih fatamorgana.
Očigledno, broj gornjih fatamorgana trebao bi uključiti barem dio takozvanih sablasnih zemalja, koje su decenijama tražene na Arktiku i nikada nisu pronađene. Posebno dugo su tražili zemlju Sannikova.
Jakov Sannikov je bio lovac i bavio se trgovinom krznom. Godine 1811 Na psima je krenuo preko leda u grupu Novosibirskih ostrva i sa severnog vrha ostrva Kotelny ugledao nepoznato ostrvo u okeanu. Nije mogao doći do njega, ali je otkriće novog ostrva prijavio vladi. U avgustu 1886 E.V. Tol, tokom svoje ekspedicije na Novosibirska ostrva, takođe je video ostrvo Sannikov i zapisao u svom dnevniku: „Hizont je potpuno jasan. U pravcu sjeveroistoka, 14-18 stepeni, jasno su se uočavale konture četiri mese, koje su se povezivale sa nizinskim zemljištem na istoku. Tako je Sannikova poruka u potpunosti potvrđena. Stoga imamo pravo da nacrtamo isprekidanu liniju na odgovarajućem mjestu na karti i napišemo na njoj: „Zemlja Sannikova“.
Tol je dao 16 godina svog života u potrazi za zemljom Sannikova. Organizovao je i vodio tri ekspedicije na područje Novosibirskih ostrva. Tokom posljednje ekspedicije na škuni "Zarja" (1900-1902), Toljina ekspedicija je umrla ne pronašavši zemlju Sannikova. Niko više nije video Zemlju Sannikova. Možda je to bila fatamorgana koja se pojavljuje na istom mjestu u određeno doba godine. I Sannikov i Tol vidjeli su fatamorganu istog ostrva koja se nalazi u ovom pravcu, samo mnogo dalje u okeanu. Možda je to bilo jedno od ostrva De Long. Možda je to bio ogroman ledeni breg - čitavo ledeno ostrvo. Takve ledene planine, površine do 100 km2, putuju preko okeana nekoliko decenija.
Privid nije uvijek obmanjivao ljude. Engleski polarni istraživač Robert Scott 1902. na Antarktiku sam video planine kao da vise u vazduhu. Skot je sugerisao da postoji planinski lanac dalje iza horizonta. I zaista, planinski lanac je kasnije otkrio norveški polarni istraživač Raoul Amundsen tačno tamo gde je Skot očekivao da će se nalaziti.
Sl.2.13. Inferior Mirage
Inferiorne fatamorgane (slika 2.13) se javljaju sa veoma brzim padom temperature sa visinom, tj. pri veoma velikim temperaturnim gradijentima. Ulogu zračnog ogledala igra tanki površinski najtopliji sloj zraka. fatamorgana se naziva inferiorna fatamorgana jer se slika objekta nalazi ispod objekta. U nižim fatamorganama izgleda kao da se ispod objekta nalazi površina vode i da se svi objekti ogledaju u njoj.
U mirnoj vodi jasno se odražavaju svi objekti koji stoje na obali. Refleksija u tankom sloju zraka zagrijanog sa zemljine površine potpuno je slična refleksiji u vodi, samo što ulogu ogledala igra sam zrak. Klima u kojoj se događaju inferiorne fatamorgane je izuzetno nestabilna. Uostalom, ispod, blizu zemlje, leži jako zagrejan, a samim tim i lakši vazduh, a iznad njega sve hladniji i teži vazduh. Mlazevi toplog vazduha koji se dižu iz tla prodiru u slojeve hladnog vazduha. Zbog toga se pred našim očima mijenja fatamorgana, površina "vode" kao da je uzburkana. Dovoljan je mali nalet vjetra ili udar i doći će do kolapsa, tj. prevrćući slojeve vazduha. Teški vazduh će juriti dole, uništavajući vazdušno ogledalo, i fatamorgana će nestati. Povoljni uslovi za pojavu inferiornih fatamorgana su homogena, ravna donja površina Zemlje, koja se javlja u stepama i pustinjama, te sunčano vrijeme bez vjetra.
Ako je fatamorgana slika stvarno postojećeg objekta, onda se postavlja pitanje: kakvu vrstu vodene površine vide putnici u pustinji? Uostalom, u pustinji nema vode. Činjenica je da prividna vodena površina ili jezero vidljivo u fatamorgani zapravo nije slika vodene površine, već neba. Dijelovi neba reflektiraju se u zračnom ogledalu i stvaraju potpunu iluziju sjajne vodene površine. Takva fatamorgana se može vidjeti ne samo u pustinji ili stepi. Pojavljuju se čak iu Sankt Peterburgu i njegovoj okolini za sunčanih dana preko asfaltnih puteva ili ravne pješčane plaže.
Sl.2.14. Bočna fatamorgana
Bočne fatamorgane se javljaju u slučajevima kada se slojevi vazduha iste gustine nalaze u atmosferi ne horizontalno, kao obično, već koso, pa čak i okomito (slika 2.14). Takvi uslovi stvaraju se ljeti, ujutro neposredno nakon izlaska sunca, na kamenitim obalama mora ili jezera, kada je obala već obasjana Suncem, a površina vode i zrak iznad nje su još hladni. Bočne fatamorgane su više puta uočene na Ženevskom jezeru. Bočna fatamorgana može se pojaviti u blizini kamenog zida kuće zagrijane Suncem, pa čak i sa strane zagrijane peći.
Složene vrste fatamorgana nastaju kada istovremeno postoje uslovi za pojavu i gornje i donje fatamorgane, na primjer, prilikom značajne temperaturne inverzije na određenoj nadmorskoj visini iznad relativno toplog mora. Gustoća zraka prvo raste s visinom (temperatura zraka opada), a zatim brzo opada (temperatura zraka raste). Sa takvom raspodjelom gustine zraka, stanje atmosfere je vrlo nestabilno i podložno naglim promjenama. Stoga se izgled fatamorgane mijenja pred našim očima. Najobičnije stijene i kuće, zbog ponovljenih izobličenja i uvećanja, pretvaraju se pred našim očima u čudesne dvorce vile Morgane. Fata Morgana se opaža na obalama Italije i Sicilije. Ali može se pojaviti i na visokim geografskim širinama. Ovako je poznati sibirski istraživač F. P. Wrangel opisao Fata Morganu koju je vidio u Nižnjekolimsku: „Akcija horizontalne refrakcije proizvela je neku vrstu Fata Morgane. Planine koje leže na jugu činile su nam se u raznim izobličenim oblicima i vise u vazduhu. Činilo se da su daleke planine prevrnule vrhove. Rijeka se suzila do te mjere da se činilo da je suprotna obala skoro kod naših koliba.”
Izvor posla: Rješenje 4555. OGE 2017 Physics, E.E. Kamzeeva. 30 opcija.
Zadatak 20. U tekstu se refrakcija odnosi na fenomen
1) promjene u smjeru prostiranja svjetlosnog snopa zbog refleksije na granici atmosfere
2) promjene u smjeru prostiranja svjetlosnog snopa zbog prelamanja u Zemljinoj atmosferi
3) apsorpcija svjetlosti dok se širi u Zemljinoj atmosferi
4) svjetlosni snop se savija oko prepreka i na taj način odstupa od pravolinijskog širenja
Rješenje.
Prije nego što zrak svjetlosti iz udaljenog svemirskog objekta (kao što je zvijezda) može ući u oko posmatrača, mora proći kroz Zemljinu atmosferu. U ovom slučaju, svjetlosni snop prolazi kroz procese prelamanja, apsorpcije i raspršenja.
Refrakcija svjetlosti u atmosferi je optička pojava uzrokovana lomom svjetlosnih zraka u atmosferi i koja se manifestira u prividnom pomicanju udaljenih objekata (na primjer, zvijezda posmatranih na nebu). Kako se svjetlosni zrak iz nebeskog tijela približava površini Zemlje, gustina atmosfere se povećava (slika 1), a zraci se sve više lome. Proces širenja svjetlosnog snopa kroz Zemljinu atmosferu može se simulirati korištenjem hrpe prozirnih ploča, čija se optička gustoća mijenja kako se snop širi.
Zbog refrakcije, posmatrač ne vidi objekte u pravcu njihovog stvarnog položaja, već duž tangente putanje snopa u tački posmatranja (slika 3). Ugao između pravog i prividnog smjera objekta naziva se ugao prelamanja. Zvijezde blizu horizonta, čija svjetlost mora proći kroz najveću debljinu atmosfere, najosjetljivije su na atmosfersku refrakciju (ugao prelamanja je oko 1/6 kutnog stepena).
