U mirnoj atmosferi promatra se situacija. Tekstualni zadaci (GY iz fizike). Planeti i zvijezde: u čemu je razlika
Puno je zanimljivih stvari na svijetu. Treperenje zvijezda jedan je od najčudesnijih fenomena. Koliko je samo različitih vjerovanja povezano s ovom pojavom! Nepoznato uvijek plaši i privlači u isto vrijeme. Koja je priroda ovog fenomena?
Utjecaj atmosfere
Astronomi su došli do zanimljivog otkrića: svjetlucanje zvijezda nema nikakve veze s njihovim promjenama. Zašto onda zvijezde svjetlucaju na noćnom nebu? Sve je u atmosferskom kretanju strujanja hladnog i vrućeg zraka. Tamo gdje topli slojevi prelaze preko hladnih nastaju zračni vrtlozi. Pod utjecajem tih vrtloga, zrake svjetlosti su iskrivljene. Tako se svjetlosne zrake savijaju, mijenjajući prividni položaj zvijezda.
Zanimljiva je činjenica da zvijezde uopće ne svjetlucaju. Ova vizija je stvorena na zemlji. Oči promatrača 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 distorzija svjetlosti koja je od zvijezde prošla kroz atmosferske slojeve zraka. Da se takva gibanja zraka ne događaju, tada se ne bi opažalo treperenje, čak ni s najudaljenije zvijezde u svemiru.
Znanstveno objašnjenje
Ako detaljnije proširimo pitanje zašto zvijezde svjetlucaju, vrijedi napomenuti da se ovaj proces opaža kada se svjetlost sa zvijezde kreće iz gušćeg sloja atmosfere u manje gusti. Osim toga, kao što je gore spomenuto, ti se slojevi neprestano pomiču jedan u odnosu na drugi. Iz zakona fizike znamo da se topli zrak diže, a hladan zrak, naprotiv, tone. Kad svjetlost prijeđe ovu granicu sloja, opažamo treperenje.
Prolazeći kroz slojeve zraka različite gustoće, svjetlost zvijezda počinje treperiti, a njihovi se obrisi zamagljuju i slika se povećava. Istodobno se mijenja intenzitet zračenja i, sukladno tome, svjetlina. Stoga su proučavanjem i promatranjem gore opisanih procesa znanstvenici shvatili zašto zvijezde svjetlucaju, a njihovo treperenje varira u intenzitetu. U znanosti se ta promjena intenziteta svjetlosti naziva scintilacija.
Planeti i zvijezde: u čemu je razlika?
Još jedna zanimljiva činjenica je da ne proizvodi svaki svjetleći kozmički objekt svjetlost koja proizlazi iz fenomena scintilacije. Uzmimo planete. Oni također reflektiraju sunčevu svjetlost, ali ne trepere. Planet se od zvijezde razlikuje po prirodi zračenja. Da, svjetlost zvijezde treperi, ali svjetlost planeta ne.
Od davnina je čovječanstvo naučilo navigirati u svemiru pomoću zvijezda. U ona vremena kada precizni instrumenti nisu bili izmišljeni, nebo je pomoglo pronaći pravi put. I danas to znanje nije izgubilo na značaju. Astronomija kao znanost započela je u 16. stoljeću, kada je prvi put izumljen teleskop. Tada su počeli pomno promatrati svjetlost zvijezda i proučavati zakone po kojima one svjetlucaju. Riječ astronomija prevedeno s grčkog to je "zakon zvijezda".
Zvjezdana znanost
Astronomija proučava svemir i nebeska tijela, njihovo kretanje, položaj, građu i podrijetlo. Zahvaljujući razvoju znanosti, astronomi su objasnili kako se svjetlucava zvijezda na nebu razlikuje od planeta, kako se odvija razvoj nebeskih tijela, njihovih sustava i satelita. Ova je znanost pogledala daleko izvan granica Sunčevog sustava. Pulsari, kvazari, maglice, asteroidi, galaksije, crne rupe, međuzvjezdana i međuplanetarna tvar, kometi, meteoriti i sve što je vezano za svemir proučava znanost astronomija.
Na intenzitet i boju svjetlucavih zvijezda utječe i visina atmosfere i blizina horizonta. Lako je primijetiti da zvijezde koje se nalaze blizu njega sjaje 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 pridonosi svjetlijem treptaju. Sirius ima poseban sjaj.
Atmosfera i svjetlost zvijezda
Ako želite promatrati svjetlucanje zvijezda, trebali biste shvatiti da je uz mirnu atmosferu u zenitu to moguće samo povremeno. Svjetlina svjetlosnog toka stalno se mijenja. To je opet zbog skretanja svjetlosnih zraka, koje su neravnomjerno koncentrirane iznad zemljine površine. Vjetar također utječe na zvjezdani pejzaž. U ovom slučaju, promatrač zvjezdane panorame stalno se nalazi naizmjenično u zamračenom ili osvijetljenom području.
Pri promatranju zvijezda koje se nalaze na visini većoj od 50°, promjena boje neće biti primjetna. Ali zvijezde koje su ispod 35° će svjetlucati i mijenjati boju prilično često. Vrlo intenzivno treperenje ukazuje na atmosfersku heterogenost, koja je u izravnoj vezi s meteorologijom. Promatrajući zvjezdano treptanje, uočeno je da ono ima tendenciju pojačanja pri niskom atmosferskom tlaku i temperaturi. Povećanje titranja također se može primijetiti s povećanjem vlažnosti. Međutim, nemoguće je predvidjeti vrijeme pomoću scintilacije. Stanje atmosfere ovisi o velikom broju različitih čimbenika, što nam ne dopušta da o vremenu zaključujemo samo na temelju treptanja zvijezda. Naravno, neke stvari funkcioniraju, ali ovaj fenomen još uvijek ima svoje nejasnoće i misterije.
Jeste li se ikada zapitali zašto se zvijezde ne vide na nebu danju? Uostalom, zrak je proziran danju kao i noću. Cijela poanta ovdje je da tijekom dana atmosfera raspršuje sunčevu svjetlost.
Zamislite da ste navečer u dobro osvijetljenoj prostoriji. Kroz prozorsko staklo jasno se vide jaka svjetla koja se nalaze vani. Ali slabo osvijetljene objekte gotovo je nemoguće vidjeti. No, čim u sobi ugasite svjetlo, staklo prestaje služiti kao prepreka našem vidu.
Nešto slično događa se i pri promatranju neba: danju je atmosfera iznad nas jako osvijetljena i kroz nju se vidi Sunce, ali slaba svjetlost dalekih zvijezda ne može probiti. Ali nakon što Sunce potone ispod horizonta i sunčeva svjetlost (a s njom i svjetlost raspršena zrakom) se "isključi", atmosfera postaje "prozirna" i zvijezde se mogu promatrati.
U svemiru je druga stvar. Kako se letjelica diže na visinu, gusti slojevi atmosfere ostaju ispod, a nebo postupno tamni.
Na visini od oko 200-300 km, gdje inače lete letjelice s posadom, nebo je potpuno crno. Uvijek je crn, 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”, tako je prvi kozmonaut Yu.A.Gagarin opisao svoje svemirske dojmove.
Ali ipak, čak ni iz letjelice na dnevnoj strani neba nisu vidljive sve zvijezde, već samo najsjajnije. Oko smeta zasljepljujuća svjetlost Sunca i svjetlost Zemlje.
Ako sa Zemlje pogledamo nebo, jasno ćemo vidjeti da sve zvijezde svjetlucaju. Čini se da blijede, a zatim se rasplamsaju, svjetlucajući različitim bojama. I što je zvijezda niža iznad horizonta, to je jače treptanje.
Treperenje zvijezda također se objašnjava prisutnošću atmosfere. Prije nego što dopre do naših očiju, svjetlost koju emitira zvijezda prolazi kroz atmosferu. U atmosferi uvijek postoje mase toplijeg i hladnijeg zraka. Njegova gustoća ovisi o temperaturi zraka u određenom području. Prelazeći s jednog područja na drugo, svjetlosne zrake doživljavaju lom. Smjer njihova širenja se mijenja. Zbog toga su na nekim mjestima iznad površine zemlje koncentrirani, na drugim su relativno rijetki. Kao rezultat stalnog kretanja zračnih masa, te se zone neprestano pomiču, a promatrač vidi povećanje ili smanjenje sjaja zvijezda. Ali budući da se raznobojne zrake ne lome jednako, trenuci jačanja i slabljenja različitih boja ne događaju se istovremeno.
Osim toga, i drugi, složeniji optički efekti mogu igrati određenu ulogu u svjetlucanju zvijezda.
Prisutnost toplih i hladnih slojeva zraka te intenzivna kretanja zračnih masa također utječu na kvalitetu teleskopskih slika.
Gdje su najbolji uvjeti za astronomska promatranja: u planinama ili u ravnicama, na morskoj obali ili u unutrašnjosti, u šumi ili u pustinji? I općenito, što je bolje za astronome - deset noći bez oblaka tijekom mjeseca ili samo jedna vedra noć, ali kada je zrak savršeno čist i miran?
Ovo je samo mali dio pitanja koja se moraju riješiti pri odabiru mjesta za izgradnju zvjezdarnica i postavljanje velikih teleskopa. Takvim problemima bavi se posebno znanstveno područje – astroklimatologija.
Naravno, najbolji uvjeti za astronomska promatranja su izvan gustih slojeva atmosfere, u svemiru. Usput, zvijezde ovdje ne svjetlucaju, već gore hladnom, mirnom svjetlošću.
Poznata sazviježđa izgledaju potpuno isto u svemiru kao i na Zemlji. Zvijezde su na golemim udaljenostima od nas i udaljavanje od Zemljine površine za nekoliko stotina kilometara ne može ništa promijeniti u njihovom prividnom međusobnom položaju. Čak i kada bi se promatrali s Plutona, obrisi zviježđa bili bi potpuno isti.
Tijekom jedne orbite iz svemirske letjelice koja se kreće u niskoj Zemljinoj orbiti, u načelu, možete vidjeti sva sazviježđa Zemljinog neba. Promatranje zvijezda iz svemira je od dvostrukog interesa: astronomskog i navigacijskog. Konkretno, vrlo je važno promatrati svjetlost zvijezda neizmijenjenu atmosferom.
Navigacija po zvijezdama nije ništa manje važna u svemiru. Promatrajući unaprijed odabrane "referentne" zvijezde, možete ne samo orijentirati brod, već i odrediti njegov položaj u prostoru.
Astronomi su dugo sanjali o budućim opservatorijima na površini Mjeseca. Činilo se da bi potpuni nedostatak atmosfere trebao stvoriti idealne uvjete na Zemljinom prirodnom satelitu za astronomska promatranja kako tijekom lunarne noći, tako i tijekom lunarnog dana.
Prolazeći kroz zemljinu atmosferu, svjetlosne zrake mijenjaju svoj pravac. Zbog povećanja gustoće atmosfere povećava se lom svjetlosnih zraka kako se približavaju površini Zemlje. Kao rezultat toga, promatrač vidi nebeska tijela kao da su podignuta iznad horizonta pod kutom koji se naziva astronomska refrakcija.
Refrakcija je jedan od glavnih izvora sustavnih i slučajnih pogrešaka promatranja. Godine 1906 Newcomb je napisao da ne postoji grana praktične astronomije o kojoj se toliko pisalo kao o lomu, a koja bi bila u tako nezadovoljavajućem stanju. Sve do sredine 20. stoljeća astronomi su smanjivali svoja opažanja pomoću tablica refrakcije sastavljenih u 19. stoljeću. Glavni nedostatak svih starih teorija bilo je netočno razumijevanje strukture zemljine atmosfere.
Uzmimo površinu Zemlje AB kao sferu radijusa OA=R i zamislimo Zemljinu atmosferu u obliku slojeva koncentričnih s njom. ajme, 1 u 1 i 2 u 2...s povećanjem gustoće kako se slojevi približavaju Zemljinoj površini (Sl. 2.7). Tada će zraka SA nekog vrlo udaljenog tijela, prelomljena u atmosferi, stići u točku A na pravcu S¢A, odstupajući od svog početnog položaja SA ili od pravca S²A paralelnog s njim za određeni kut S¢AS²= r, koja se naziva astronomska refrakcija. Svi elementi zakrivljene zrake SA i njezinog konačnog prividnog pravca AS¢ ležat će u istoj okomitoj ravnini ZAOS. Posljedično, astronomska refrakcija samo povećava pravi smjer prema svjetlećem tijelu u okomitoj ravnini koja prolazi kroz njega.
Kutna nadmorska visina zvijezde iznad horizonta u astronomiji se naziva visina zvijezde. Kut S¢AH = h¢ bit će prividna visina zvijezde, a kut S²AH = h = h¢ - r je njegova prava visina. Kutak z je prava zenitna udaljenost svjetiljke, i z¢ je njegova vidljiva vrijednost.
Jačina refrakcije ovisi o mnogim čimbenicima i može se promijeniti na svakom mjestu na Zemlji, čak i unutar jednog dana. Za prosječne uvjete dobivena je približna formula refrakcije:
Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)
Koeficijent 0,9666 odgovara gustoći atmosfere pri temperaturi od +10°C i tlaku od 760 mm Hg. Ako su karakteristike atmosfere različite, tada se korekcija za lom, izračunata prema formuli (2.1), mora korigirati korekcijama za temperaturu i tlak.
Slika 2.7. Astronomska refrakcija
Da bi se uzela u obzir astronomska refrakcija u zenitalnim metodama astronomskih određivanja, temperatura i tlak zraka mjere se tijekom promatranja zenitnih udaljenosti svjetiljki. U preciznim metodama astronomskih određivanja zenitne udaljenosti svjetlih tijela mjere se u rasponu od 10° do 60°. Gornja granica je zbog instrumentalnih grešaka, donja granica je zbog grešaka u refrakcijskim tablicama.
Zenitna udaljenost svjetiljke, korigirana korekcijom refrakcije, izračunava se po formuli:
Prosječna refrakcija (normalna na temperaturi od +10°C i tlaku od 760 mm Hg.), izračunata prema z¢;
Koeficijent koji uzima u obzir temperaturu zraka, izračunat iz vrijednosti temperature;
B– koeficijent koji uzima u obzir tlak zraka.
Mnogi znanstvenici proučavali su teoriju refrakcije. U početku je početna pretpostavka bila da gustoća različitih slojeva atmosfere opada s povećanjem visine tih slojeva u aritmetičkoj progresiji (Bouguer). No ta je pretpostavka ubrzo prepoznata kao nezadovoljavajuća u svakom pogledu, budući da je dovela do premale vrijednosti loma i prebrzog pada temperature s visinom iznad površine Zemlje.
Newton je pretpostavio da gustoća atmosfere opada s visinom prema zakonu geometrijske progresije. I ova se hipoteza pokazala nezadovoljavajućom. Prema ovoj hipotezi, pokazalo se da temperatura u svim slojevima atmosfere treba ostati konstantna i jednaka temperaturi na površini Zemlje.
Najgenijalnija je bila Laplaceova hipoteza, posredna između gornje dvije. Tablice refrakcije koje su se svake godine objavljivale u francuskom astronomskom kalendaru temeljile su se na ovoj Laplaceovoj hipotezi.
Zemljina atmosfera svojom nestabilnošću (turbulencije, varijacije refrakcije) ograničava točnost astronomskih promatranja sa Zemlje.
Prilikom odabira mjesta za postavljanje velikih astronomskih instrumenata najprije se sveobuhvatno proučava astroklima područja, koja se shvaća kao skup čimbenika koji iskrivljuju oblik valne fronte zračenja nebeskih tijela koja prolaze kroz atmosferu. Ako valna fronta dođe do uređaja bez izobličenja, tada uređaj u ovom slučaju može raditi s maksimalnom učinkovitošću (s rezolucijom koja se približava teoretskoj).
Kako se pokazalo, kvaliteta teleskopske slike smanjena je uglavnom zbog smetnji koje donosi prizemni sloj atmosfere. Zemlja se zbog vlastitog toplinskog zračenja noću znatno hladi i hladi susjedni sloj zraka. Promjena temperature zraka za 1°C mijenja njegov indeks loma za 10 -6. Na izoliranim planinskim vrhovima debljina prizemnog sloja zraka sa značajnom temperaturnom razlikom (gradijentom) može doseći nekoliko desetaka metara. U dolinama i ravničarskim područjima noću, ovaj sloj je mnogo deblji i može biti stotine metara. To objašnjava izbor mjesta za astronomske zvjezdarnice na izbočinama grebena i na izoliranim vrhovima, odakle gušći hladni zrak može strujati u doline. Visina tornja teleskopa odabrana je tako da se instrument nalazi iznad glavnog područja temperaturnih nehomogenosti.
Važan čimbenik astroklime je vjetar u površinskom sloju atmosfere. Miješanjem slojeva hladnog i toplog zraka uzrokuje pojavu nehomogenosti gustoće u stupcu zraka iznad uređaja. Nehomogenosti čije su dimenzije manje od promjera teleskopa dovode do defokusiranja slike. Veće fluktuacije gustoće (nekoliko metara ili veće) ne uzrokuju oštra izobličenja fronte vala i dovode uglavnom do pomaka, a ne defokusiranja slike.
U gornjim slojevima atmosfere (u tropopauzi) također se opažaju kolebanja gustoće i indeksa loma zraka. No poremećaji u tropopauzi ne utječu osjetno na kvalitetu slika koje proizvode optički instrumenti, budući da su temperaturni gradijenti ondje mnogo manji nego u površinskom sloju. Ti slojevi ne uzrokuju podrhtavanje, već svjetlucanje zvijezda.
U astroklimatskim proučavanjima uspostavlja se veza između broja vedrih dana koje bilježi meteorološka služba i broja noći pogodnih za astronomska promatranja. Najpovoljnija područja, prema astroklimatskim analizama područja bivšeg SSSR-a, su neka planinska područja srednjoazijskih država.
Terestrička refrakcija
Zrake s zemaljskih tijela, ako prijeđu dovoljno dug put u atmosferi, također doživljavaju lom. Putanja zraka je zakrivljena pod utjecajem loma, te ih vidimo na pogrešnim mjestima ili u krivom smjeru gdje se zapravo i nalaze. Pod određenim uvjetima, kao rezultat zemaljske refrakcije, pojavljuju se fatamorgane - lažne slike udaljenih objekata.
Kut terestričke refrakcije a je kut između pravca na prividni i stvarni položaj promatranog objekta (sl. 2.8). Vrijednost kuta a ovisi o udaljenosti do promatranog objekta i o vertikalnom gradijentu temperature u površinskom sloju atmosfere, u kojem dolazi do širenja zraka od prizemnih objekata.
sl.2.8. Manifestacija zemaljske refrakcije tijekom gledanja:
a) – odozdo prema gore, b) – odozgo prema dolje, a – kut terestričke refrakcije
Geodetski (geometrijski) raspon vidljivosti povezan je s terestričkom refrakcijom (slika 2.9). Uzmimo da se promatrač nalazi u točki A na određenoj visini hH iznad zemljine površine i promatra horizont u smjeru točke B. Ravnina NAN je vodoravna ravnina koja prolazi točkom A okomito na polumjer globusa, tzv. ravnina matematičkog horizonta. Kad bi se zrake svjetlosti širile pravocrtno u atmosferi, tada bi najudaljenija točka na Zemlji koju bi promatrač iz točke A mogao vidjeti bila točka B. Udaljenost do ove točke (tangente AB na globus) je geodetski (ili geometrijski) raspon vidljivosti D 0 . Kružna linija na zemljinoj površini eksploziva je geodetski (ili geometrijski) horizont promatrača. Vrijednost D 0 određena je samo geometrijskim parametrima: polumjerom Zemlje R i visinom h H promatrača i jednaka je D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H, što proizlazi iz sl. 2.9.
sl.2.9. Terestrička refrakcija: matematički (NN) i geodetski (BB) horizonti, geodetski opseg vidljivosti (AB=D 0)
Ako promatrač promatra objekt koji se nalazi na visini h iznad Zemljine površine, tada će geodetski raspon biti udaljenost AC = 3,57 (√ h H + √ h pr). Ove bi tvrdnje bile istinite kada bi svjetlost putovala ravnom linijom kroz atmosferu. Ali to nije istina. Uz normalnu raspodjelu temperature i gustoće zraka u prizemnom sloju, zakrivljena linija koja prikazuje putanju svjetlosnog snopa okrenuta je prema Zemlji svojom konkavnom stranom. Stoga najudaljenija točka koju će promatrač iz A vidjeti neće biti B, već B¢. Geodetski raspon vidljivosti AB¢, uzimajući u obzir lom, bit će u prosjeku 6-7% veći i umjesto koeficijenta 3,57 u formulama će biti koeficijent 3,82. Geodetski raspon izračunava se 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 iznosi oko 5 km. Za kozmonaute V. A. Šatalova i A. S. Elisejeva, koji su letjeli na svemirskoj letjelici Sojuz-8, domet horizonta u perigeju (visina 205 km) bio je 1730 km, a u apogeju (visina 223 km) – 1800 km.
Kod radio valova lom je gotovo neovisan o valnoj duljini, ali osim o temperaturi i tlaku ovisi i o sadržaju vodene pare u zraku. Pod istim uvjetima promjena temperature i tlaka, radiovalovi se lome jače od svjetlosnih, osobito pri visokoj vlažnosti.
Stoga će u formulama za određivanje dometa horizonta ili otkrivanje objekta radarskom zrakom ispred korijena postojati koeficijent 4,08. Posljedično, horizont radarskog sustava udaljen je otprilike 11%.
Radio valovi se dobro reflektiraju od zemljine površine i od donje granice inverzije ili sloja niske vlažnosti. U takvom jedinstvenom valovodu koji čine zemljina površina i baza inverzije, radiovalovi se mogu širiti na vrlo velike udaljenosti. Ove značajke širenja radiovalova uspješno se koriste u radaru.
Temperatura zraka u prizemnom sloju, osobito u njegovom donjem dijelu, ne opada uvijek s visinom. Može se smanjivati različitim brzinama, ne mora se mijenjati s visinom (izotermija), a može rasti s visinom (inverzija). Ovisno o veličini i predznaku temperaturnog gradijenta, refrakcija može imati različite učinke na raspon vidljivog horizonta.
Vertikalni temperaturni gradijent u homogenoj atmosferi u kojoj se gustoća zraka ne mijenja s visinom, g 0 = 3,42°C/100m. Razmotrimo kakva će biti putanja zrake AB pri različitim gradijentima temperature na površini Zemlje.
Neka, tj. temperatura zraka opada s visinom. Pod ovim uvjetom, indeks loma također opada s visinom. Putanja svjetlosnog snopa u ovom slučaju bit će okrenuta svojoj konkavnoj strani prema zemljinoj površini (na sl. 2.9 putanja AB¢). Ova refrakcija se naziva pozitivna. Najudaljenija točka U¢ promatrač će vidjeti u smjeru zadnje tangente na putanju zrake. Ova tangenta, t.j. horizont vidljiv zbog refrakcije jednak je matematičkom horizontu NAS kut D, manji od kuta d. Kutak d je kut između matematičkog i geometrijskog horizonta bez loma. Dakle, vidljivi horizont se podigao za kut ( d- D) i proširen jer D > D0.
Sada zamislimo to g postupno se smanjuje, tj. S visinom temperatura opada sve sporije. Doći će trenutak kada temperaturni gradijent postane nula (izotermija), a zatim temperaturni gradijent postane negativan. Temperatura više ne opada, nego raste s visinom, tj. uočava se temperaturna inverzija. Kako se temperaturni gradijent smanjuje i prolazi kroz nulu, vidljivi horizont će se dizati sve više i više i doći će trenutak kada D postane jednak nuli. Vidljivi geodetski horizont uzdići će se do matematičkog. Činilo se da se zemljina površina izravnala i postala ravna. Raspon geodetske vidljivosti je beskonačno velik. Polumjer zakrivljenosti grede postao je jednak polumjeru globusa.
S još jačom temperaturnom inverzijom D postaje negativan. Vidljivi horizont izdigao se iznad matematičkog. Promatraču u točki A činit će se da se nalazi na dnu ogromnog bazena. Zbog horizonta se objekti koji se nalaze daleko izvan geodetskog horizonta uzdižu i postaju vidljivi (kao da lebde u zraku) (slika 2.10).
Takvi se fenomeni mogu promatrati u polarnim zemljama. Dakle, s kanadske obale Amerike kroz Smithov prolaz ponekad možete vidjeti obalu Grenlanda sa svim zgradama na njoj. Udaljenost do grenlandske obale je oko 70 km, dok geodetska vidljivost nije veća od 20 km. Još jedan primjer. Iz Hastingsa, na engleskoj strani tjesnaca Pas-de-Calais, mogao sam vidjeti francusku obalu, koja je ležala preko tjesnaca na udaljenosti od oko 75 km.
sl.2.10. Fenomen neobične refrakcije u polarnim zemljama
Sada pretpostavimo to g=g 0, dakle, gustoća zraka se ne mijenja s visinom (homogena atmosfera), nema refrakcije i D=D 0 .
Na g > g 0 indeks loma i gustoća zraka rastu s visinom. U tom slučaju putanja svjetlosnih zraka svojom je konveksnom stranom okrenuta prema zemljinoj površini. Taj se lom naziva negativnim. Posljednja točka na Zemlji koju će promatrač na A vidjeti bit će B². Vidljivi horizont AB² suzio se i spustio pod kut (D - d).
Iz onoga što je raspravljeno, možemo formulirati sljedeće pravilo: ako se duž širenja svjetlosnog snopa u atmosferi mijenja gustoća zraka (a time i indeks loma), tada će se svjetlosni snop saviti tako da je njegova putanja uvijek konveksan u smjeru smanjenja gustoće (i indeksa loma) zraka .
Refrakcija i fatamorgane
Riječ fatamorgana je francuskog porijekla i ima dva značenja: “odraz” i “varljiva vizija”. Oba značenja ove riječi dobro odražavaju bit 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 opažene su gornje i donje fatamorgane, koje se javljaju kada postoji neuobičajena raspodjela gustoće (a time i indeksa loma) po visini, kada na određenoj visini ili blizu površine Zemlje postoji relativno tanak sloj vrlo topao zrak (s niskim indeksom loma), u kojem zrake koje dolaze s tla doživljavaju potpunu unutarnju refleksiju. To se događa kada zrake padaju na ovaj sloj pod kutom većim od kuta potpune unutarnje refleksije. Ovaj topliji sloj zraka igra ulogu zračnog ogledala, reflektirajući zrake koje padaju u njega.
Superior fatamorgane (slika 2.11) pojavljuju se u prisutnosti jakih temperaturnih inverzija, kada gustoća zraka i indeks loma brzo opadaju s visinom. U superiornim fatamorganama, slika se nalazi iznad objekta.
sl.2.11. Vrhunski Mirage
Putanje svjetlosnih zraka prikazane su na slici (2.11). Pretpostavimo da je zemljina površina ravna i da su slojevi jednake gustoće smješteni paralelno s njom. Budući da gustoća opada s visinom, tada . Topli sloj, koji djeluje kao zrcalo, leži na visini. U tom sloju, kada upadni kut zraka postane jednak indeksu loma (), zrake se okreću natrag prema zemljinoj površini. Promatrač može istovremeno vidjeti sam objekt (ako nije iza horizonta) i jednu ili više slika iznad njega - uspravnih i obrnutih.
sl.2.12. Složena superiorna fatamorgana
Na sl. Slika 2.12 prikazuje dijagram nastanka složene gornje fatamorgane. Sam predmet je vidljiv ab, iznad njega je njegova izravna slika a¢b¢, obrnuto u²b² i opet izravni a²¢b²¢. Do takve fatamorgane može doći ako gustoća zraka opada s visinom, prvo polako, zatim brzo, pa opet polako. Slika ispada naopako ako se zrake koje dolaze iz krajnjih točaka objekta sijeku. Ako je objekt daleko (iznad horizonta), tada sam objekt možda nije vidljiv, ali njegove slike, podignute visoko u zrak, vidljive su s velikih udaljenosti.
Grad Lomonosov nalazi se na obali Finskog zaljeva, 40 km od Sankt Peterburga. Obično se iz Lomonosova Sankt Peterburg uopće ne vidi ili se vrlo slabo vidi. Ponekad je Sankt Peterburg vidljiv "na prvi pogled". Ovo je jedan primjer superiornih fatamorgana.
Čini se da bi broj gornjih fatamorgana trebao uključiti barem dio takozvanih zemalja duhova, koje su desetljećima tražene na Arktiku i nikad nisu pronađene. Osobito su dugo tražili Zemlju Sannikova.
Yakov Sannikov bio je lovac i bavio se trgovinom krznom. Godine 1811 Na psima je krenuo preko leda do skupine Novosibirskih otoka i sa sjevernog vrha otoka Kotelny ugledao nepoznati otok u oceanu. Nije uspio doći do njega, ali je otkriće novog otoka prijavio vladi. U kolovozu 1886 E.V. Tol, tijekom svoje ekspedicije na Novosibirsko otočje, također je vidio otok Sannikov i u svom dnevniku zapisao: “Horizont je potpuno čist. U smjeru sjeveroistoka, 14-18 stupnjeva, jasno su se uočavale konture četiriju visova koji su se spajali s nizinskim kopnom na istoku. Time je Sanikovljeva poruka u potpunosti potvrđena. Imamo, dakle, pravo nacrtati isprekidanu crtu na odgovarajuće mjesto na karti i napisati na njoj: “Zemlja Sannikova”.
Tol je dao 16 godina svog života u potragu za Zemljom Sannikov. Organizirao je i vodio tri ekspedicije na područje Novosibirskih otoka. Tijekom posljednje ekspedicije na škuni "Zarya" (1900-1902), Tolyina ekspedicija je umrla ne pronašavši Sannikovu Zemlju. Nitko više nije vidio Zemlju Sannikov. Možda je to bila fatamorgana koja se pojavljuje na istom mjestu u određeno doba godine. I Sannikov i Tol vidjeli su privid istog otoka smještenog u ovom smjeru, samo mnogo dalje u oceanu. Možda je to bio jedan od otoka De Long. Možda je to bila ogromna santa leda - cijeli ledeni otok. Takve ledene planine, površine do 100 km2, putuju preko oceana nekoliko desetljeća.
Fatamorgana nije uvijek varala ljude. Engleski polarni istraživač Robert Scott 1902. na Antarktici sam vidio planine kao da vise u zraku. Scott je sugerirao da postoji planinski lanac dalje iza horizonta. I doista, planinski lanac je kasnije otkrio norveški polarni istraživač Raoul Amundsen točno tamo gdje je Scott očekivao da se nalazi.
sl.2.13. Inferiorni Mirage
Donje fatamorgane (sl. 2.13) javljaju se s vrlo brzim smanjenjem temperature s visinom, tj. pri vrlo velikim temperaturnim gradijentima. Ulogu zračnog ogledala ima tanki površinski najtopliji sloj zraka. Fatamorgana se naziva inferiornom fatamorganom jer se slika predmeta nalazi ispod objekta. Kod nižih fatamorgana čini se kao da je ispod predmeta površina vode i da se svi predmeti reflektiraju u njoj.
U mirnoj vodi jasno se reflektiraju svi predmeti koji stoje na obali. Refleksija u tankom sloju zraka zagrijanom od zemljine površine potpuno je slična refleksiji u vodi, samo što ulogu zrcala ima sam zrak. Uvjeti zraka u kojima se pojavljuju inferiorne fatamorgane izuzetno su nestabilni. Uostalom, dolje, blizu zemlje, leži jako zagrijan, dakle lakši zrak, a iznad njega hladniji i teži zrak. Mlazovi vrućeg zraka koji se dižu s tla prodiru kroz slojeve hladnog zraka. Zbog toga se fatamorgana mijenja pred našim očima, čini se da je površina "vode" uzburkana. Dovoljan je mali udar vjetra ili udar i doći će do kolapsa, tj. prevrćući zračne slojeve. Teški zrak će se sjuriti, uništavajući zračno ogledalo, a fatamorgana će nestati. Povoljni uvjeti za pojavu inferiornih fatamorgana su homogena, ravna temeljna 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 vodenu površinu 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, nego neba. Dijelovi neba reflektiraju se u zračnom zrcalu i stvaraju potpunu iluziju sjajne vodene površine. Takva se fatamorgana može vidjeti ne samo u pustinji ili stepi. Čak se pojavljuju u St. Petersburgu i njegovoj okolici za sunčanih dana preko asfaltnih cesta ili ravne pješčane plaže.
sl.2.14. Bočna fatamorgana
Bočne fatamorgane pojavljuju se u slučajevima kada se slojevi zraka iste gustoće nalaze u atmosferi ne vodoravno, kao obično, već koso, pa čak i okomito (slika 2.14). Takvi se uvjeti stvaraju ljeti, ujutro neposredno nakon izlaska sunca, na stjenovitim obalama mora ili jezera, kada je obala već obasjana Suncem, a površina vode i zrak iznad nje još hladni. Bočne fatamorgane više su puta opažene na Ženevskom jezeru. Bočna fatamorgana može se pojaviti u blizini kamenog zida kuće koju grije Sunce, pa čak i sa strane zagrijane peći.
Složeni tipovi fatamorgana, ili Fata Morgana, nastaju kada istovremeno postoje uvjeti za pojavu i gornje i donje fatamorgane, na primjer, tijekom značajne temperaturne inverzije na određenoj nadmorskoj visini iznad relativno toplog mora. Gustoća zraka najprije raste s visinom (temperatura zraka pada), a zatim također brzo opada (temperatura zraka raste). S takvom raspodjelom gustoće zraka stanje atmosfere je vrlo nestabilno i podložno naglim promjenama. Stoga se izgled fatamorgane mijenja pred našim očima. Najobičnije stijene i kuće, zbog opetovanih izobličenja i povećanja, pretvaraju se pred našim očima u čudesne dvorce vile Morgane. Fata Morgana se promatra uz obalu Italije i Sicilije. Ali može se pojaviti i na velikim geografskim širinama. Ovako je poznati sibirski istraživač F. P. Wrangel opisao Fata Morganu koju je vidio u Nizhnekolymsku: “Radnja horizontalne refrakcije proizvela je neku vrstu Fata Morgane. Planine koje leže na jugu činile su nam se u raznim iskrivljenim oblicima i vise u zraku. Daleke planine kao da su prevrnule svoje vrhove. Rijeka se suzila do te mjere da se činilo da je suprotna obala gotovo kod naših koliba.”
Izvor posla: Rješenje 4555. OGE 2017 Fizika, E.E. Kamzeeva. 30 opcija.
20. zadatak. U tekstu se refrakcija odnosi na fenomen
1) promjene u smjeru širenja svjetlosnog snopa zbog refleksije na granici atmosfere
2) promjene u smjeru širenja svjetlosnog snopa zbog loma u Zemljinoj atmosferi
3) apsorpcija svjetlosti dok se širi u Zemljinoj atmosferi
4) svjetlosni snop se savija oko prepreka i time odstupa od pravocrtnog širenja
Riješenje.
Prije nego što zraka svjetlosti s udaljenog svemirskog objekta (kao što je zvijezda) može ući u oko promatrača, mora proći kroz Zemljinu atmosferu. U tom slučaju svjetlosni snop prolazi kroz procese loma, apsorpcije i raspršenja.
Lom svjetlosti u atmosferi je optička pojava uzrokovana lomom svjetlosnih zraka u atmosferi, a očituje se u prividnom pomaku udaljenih objekata (primjerice, zvijezda promatranih na nebu). Kako se zraka svjetlosti nebeskog tijela približava površini Zemlje, gustoća atmosfere raste (slika 1), a zrake 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, promatrač ne vidi predmete u smjeru njihovog stvarnog položaja, već duž tangente na putanju zrake u točki promatranja (slika 3). Kut između pravog i prividnog pravca predmeta naziva se lomni kut. Atmosferskom lomu su najosjetljivije zvijezde u blizini horizonta, čija svjetlost mora proći kroz najveću debljinu atmosfere (kut loma je oko 1/6 kutnog stupnja).
