Nyugodt légkörben figyelik a helyzetet. Szöveges feladatok (GY a fizikában). Bolygók és csillagok: mi a különbség?

Nagyon sok érdekes dolog van a világon. A csillagok csillogása az egyik legcsodálatosabb jelenség. Hányféle hiedelem kapcsolódik ehhez a jelenséghez! Az ismeretlen mindig egyszerre ijeszt és vonz. Mi ennek a jelenségnek a természete?

A légkör hatása

Érdekes felfedezést tettek a csillagászok: a csillagok pislogásának semmi köze a változásukhoz. Akkor miért csillognak a csillagok az éjszakai égbolton? Minden a hideg és meleg levegő áramlásának légköri mozgásáról szól. Ahol meleg rétegek haladnak át a hidegeken, ott légörvények keletkeznek. Ezen örvények hatására a fénysugarak torzulnak. Így hajlanak meg a fénysugarak, megváltoztatva a csillagok látszólagos helyzetét.

Érdekes tény, hogy a csillagok egyáltalán nem csillognak. Ez a látomás a földön jön létre. A megfigyelők szeme a csillagból érkező fényt érzékeli, miután az áthalad a légkörön. Ezért arra a kérdésre, hogy miért csillognak a csillagok, azt válaszolhatjuk, hogy a csillagok nem pislognak, hanem a jelenség, amit a Földön megfigyelünk, a fény torzulása, amely egy csillagról áthaladt a légköri levegőrétegeken. Ha nem fordulna elő ilyen légmozgás, akkor a villogás nem lenne megfigyelhető még az űr legtávolabbi csillagától sem.

Tudományos magyarázat

Ha részletesebben kibővítjük azt a kérdést, hogy miért csillognak a csillagok, érdemes megjegyezni, hogy ez a folyamat akkor figyelhető meg, amikor egy csillag fénye egy sűrűbb légköri rétegből egy kevésbé sűrűbe kerül. Ráadásul, mint fentebb említettük, ezek a rétegek folyamatosan mozognak egymáshoz képest. A fizika törvényeiből tudjuk, hogy a meleg levegő felemelkedik, a hideg pedig éppen ellenkezőleg, lesüllyed. Amikor a fény áthalad ezen a réteghatáron, akkor villogást figyelünk meg.

Különböző sűrűségű levegőrétegeken áthaladva a csillagok fénye villogni kezd, körvonalaik elmosódnak és a kép megnő. Ugyanakkor a sugárzás intenzitása és ennek megfelelően a fényerő is változik. Így a fent leírt folyamatok tanulmányozásával és megfigyelésével a tudósok megértették, hogy a csillagok miért pislognak, és villogásuk intenzitása változó. A tudományban ezt a fényintenzitás-változást szcintillációnak nevezik.

Bolygók és csillagok: mi a különbség?

Egy másik érdekes tény, hogy nem minden világító kozmikus tárgy bocsát ki fényt a szcintilláció jelenségéből. Vegyük a bolygókat. A napfényt is visszaverik, de nem villognak. A bolygót a sugárzás természete különbözteti meg a csillagoktól. Igen, egy csillag fénye villog, de a bolygóé nem.

Ősidők óta az emberiség megtanult navigálni az űrben a csillagok segítségével. Azokban az időkben, amikor még nem találták fel a precíziós műszereket, az ég segített megtalálni a helyes utat. És ma ez a tudás nem veszített jelentőségéből. A csillagászat mint tudomány a 16. században kezdődött, amikor először feltalálták a távcsövet. Ekkor kezdték közelről megfigyelni a csillagok fényét, és tanulmányozni azokat a törvényeket, amelyek szerint pislognak. Szó csillagászat görögül fordítva: „a csillagok törvénye”.

Csillagtudomány

A csillagászat az Univerzumot és az égitesteket, mozgásukat, elhelyezkedésüket, szerkezetüket és eredetüket vizsgálja. A tudomány fejlődésének köszönhetően a csillagászok elmagyarázták, miben különbözik az égen pislákoló csillag a bolygótól, hogyan történik az égitestek, rendszereik és műholdak fejlődése. Ez a tudomány messze túlmutat a Naprendszer határain. A pulzárokat, kvazárokat, ködöket, aszteroidákat, galaxisokat, fekete lyukakat, csillagközi és bolygóközi anyagokat, üstökösöket, meteoritokat és mindent, ami a világűrhöz kapcsolódik, a csillagászat tudománya vizsgálja.

A pislákoló csillagfény intenzitását és színét a légkör magassága és a horizont közelsége is befolyásolja. Könnyen észrevehető, hogy a közelben lévő csillagok fényesebben ragyognak és különböző színekben csillognak. Ez a látvány különösen szép a fagyos éjszakákon vagy közvetlenül eső után. Ilyenkor felhőtlen az ég, ami hozzájárul a fényesebb villogáshoz. Siriusnak különleges kisugárzása van.

Légkör és csillagfény

Ha szeretné megfigyelni a csillagok csillogását, meg kell értenie, hogy a zenit nyugodt légkörével ez csak alkalmanként lehetséges. A fényáram fényereje folyamatosan változik. Ez ismét a fénysugarak eltérülésének köszönhető, amelyek egyenetlenül koncentrálódnak a földfelszín felett. A szél is befolyásolja a csillagképet. Ebben az esetben a csillagpanoráma megfigyelője folyamatosan felváltva egy elsötétített vagy megvilágított területen találja magát.

Ha 50°-nál nagyobb magasságban lévő csillagokat figyelünk meg, a színváltozás nem lesz észrevehető. A 35° alatti csillagok azonban gyakran villognak és színüket változtatják. A nagyon intenzív villogás a légkör heterogenitását jelzi, ami közvetlenül összefügg a meteorológiával. A csillagok pislogását megfigyelve észrevették, hogy az alacsony légköri nyomáson és hőmérsékleten felerősödik. A villogás növekedése a páratartalom növekedésével is észrevehető. A szcintilláció segítségével azonban lehetetlen megjósolni az időjárást. A légkör állapota nagyon sok különböző tényezőtől függ, ami nem teszi lehetővé, hogy pusztán csillagvillanásból vonjunk le következtetéseket az időjárásról. Természetesen néhány dolog működik, de ennek a jelenségnek még mindig megvannak a maga kétértelműségei és rejtélyei.

Gondolkoztál már azon, hogy nappal miért nem látszanak a csillagok az égen? Hiszen nappal olyan átlátszó a levegő, mint éjszaka. A lényeg itt az, hogy napközben a légkör szórja a napfényt.

Képzelje el, hogy este egy jól megvilágított szobában van. Az ablaküvegen keresztül a kívül található erős fények jól láthatók. De a gyengén megvilágított tárgyakat szinte lehetetlen látni. Amint azonban lekapcsolja a villanyt a szobában, az üveg már nem akadályozza látásunkat.

Valami hasonló történik az égbolt megfigyelésekor: nappal a felettünk lévő légkör erősen megvilágított, és rajta keresztül a Nap is látható, de a távoli csillagok gyenge fénye nem tud áthatolni. Ám miután a Nap a horizont alá süllyed, és a napfény (és vele együtt a levegőben szórt fény) „kikapcsol”, a légkör „átlátszóvá” válik, és megfigyelhetők a csillagok.

Térben más a helyzet. Ahogy az űrhajó a tengerszint feletti magasságba emelkedik, a légkör sűrű rétegei maradnak alatta, és az égbolt fokozatosan elsötétül.

Körülbelül 200-300 km-es magasságban, ahol általában emberes űrhajók repülnek, teljesen fekete az ég. Mindig fekete, még akkor is, ha a Nap éppen a látható részén van.

„Teljesen fekete az ég. A csillagok ezen az égen valamivel fényesebbnek tűnnek, és jobban láthatók a fekete ég hátterében” – így jellemezte űrbenyomásait Yu. A. Gagarin első űrhajós.

Mégis, még az égbolt nappali oldalán lévő űrhajóból sem látszik az összes csillag, hanem csak a legfényesebb. A szemet zavarja a Nap vakító fénye és a Föld fénye.

Ha a Földről nézzük az eget, világosan látni fogjuk, hogy az összes csillag villog. Úgy tűnik, elhalványulnak, majd fellángolnak, és különböző színekkel csillognak. És minél alacsonyabban helyezkedik el a csillag a horizont felett, annál erősebb a villogás.

A csillagok csillogását a légkör jelenléte is magyarázza. Mielőtt elérné a szemünket, a csillagok által kibocsátott fény áthalad a légkörön. A légkörben mindig vannak melegebb és hidegebb levegő tömegei. Sűrűsége az adott területen lévő levegő hőmérsékletétől függ. Az egyik területről a másikra haladva a fénysugarak megtörik. A terjedésük iránya megváltozik. Emiatt egyes helyeken a földfelszín felett koncentrálódnak, másutt viszonylag ritkák. A légtömegek állandó mozgása következtében ezek a zónák folyamatosan eltolódnak, és a megfigyelő a csillagok fényességének növekedését vagy csökkenését látja. De mivel a különböző színű sugarak nem törnek egyformán, a különböző színek felerősödésének és gyengülésének pillanatai nem egyidejűleg jelentkeznek.

Ezen kívül más, bonyolultabb optikai effektusok is szerepet játszhatnak a csillagok pislogásában.

A meleg és hideg légréteg jelenléte és a légtömegek intenzív mozgása szintén befolyásolja a teleszkópos képek minőségét.

Hol vannak a legjobb feltételek a csillagászati ​​megfigyelésekhez: a hegyekben vagy a síkságon, a tengerparton vagy a szárazföldön, az erdőben vagy a sivatagban? És általában mi a jobb a csillagászoknak – tíz felhőtlen éjszaka egy hónap alatt, vagy csak egy tiszta éjszaka, de egy olyan, amikor a levegő teljesen tiszta és nyugodt?

Ez csak egy kis része azoknak a problémáknak, amelyeket meg kell oldani az obszervatóriumok építésének és a nagy teleszkópok felszerelésének helyszínének kiválasztásakor. Az ilyen problémákkal egy speciális tudományterület foglalkozik - az asztroklimatológia.

Természetesen a csillagászati ​​megfigyelések legjobb feltételei a légkör sűrű rétegein kívül, az űrben vannak. A csillagok itt egyébként nem csillognak, hanem hideg, nyugodt fénnyel égnek.

Az ismerős csillagképek pontosan ugyanúgy néznek ki az űrben, mint a Földön. A csillagok óriási távolságra vannak tőlünk, és a Föld felszínétől néhány száz kilométerrel távolodva semmit sem változtat látszólagos relatív helyzetükön. Még ha a Plútóról is megfigyeljük, a csillagképek körvonalai pontosan ugyanazok lennének.

Az alacsony Föld körüli pályán mozgó űrhajó egy keringése során elvileg a földi égbolt összes csillagképe látható. A csillagok világűrből való megfigyelése kettős: csillagászati ​​és navigációs. Különösen fontos megfigyelni a légkör által nem módosított csillagfényt.

A csillagok általi navigáció nem kevésbé fontos az űrben. Az előre kiválasztott „referencia” csillagok megfigyelésével nem csak tájékozódhat a hajóról, hanem meghatározhatja az űrben elfoglalt helyzetét is.

A csillagászok régóta álmodoztak a Hold felszínén elhelyezkedő jövőbeli obszervatóriumokról. Úgy tűnt, hogy a légkör teljes hiánya ideális feltételeket teremt a Föld természetes műholdján a csillagászati ​​megfigyelésekhez mind a holdéjszaka, mind a holdnappal.

A Föld légkörén áthaladva a fénysugarak egyenes irányukat változtatják. A légkör sűrűségének növekedése miatt a fénysugarak törése a Föld felszínéhez közeledve növekszik. Ennek eredményeként a megfigyelő úgy látja az égitesteket, mintha csillagászati ​​fénytörésnek nevezett szöggel emelkednének a horizont fölé.

A fénytörés a szisztematikus és véletlenszerű megfigyelési hibák egyik fő forrása. 1906-ban Newcomb azt írta, hogy a gyakorlati csillagászatnak nincs olyan ága, amelyről annyit írtak volna, mint a fénytörésről, és amely ilyen nem kielégítő állapotban lenne. A 20. század közepéig a csillagászok a 19. században összeállított fénytörési táblázatok segítségével csökkentették megfigyeléseiket. Minden régi elmélet fő hátránya a földi légkör szerkezetének pontatlan megértése volt.

Vegyük az AB Föld felszínét OA=R sugarú gömbnek, és képzeljük el a Föld légkörét vele koncentrikus rétegek formájában. aw, 1 az 1-ben és 2 az 2-ben...sűrűséggel, ahogy a rétegek közelednek a Föld felszínéhez (2.7. ábra). Ekkor egy nagyon távoli testből származó, a légkörben megtört SA sugár S¢A irányban az A pontba érkezik, kiinduló helyzetétől SA vagy a vele párhuzamos S²A iránytól egy bizonyos S¢AS²= szöggel eltérve. r, az úgynevezett csillagászati ​​fénytörés. Az SA görbe sugár összes eleme és végső látszólagos iránya AS¢ ugyanabban a ZAOS függőleges síkban lesz. Következésképpen a csillagászati ​​fénytörés csak az áthaladó függőleges síkban növeli a világítótest felé irányuló valódi irányt.

Egy csillag horizont feletti szögmagasságát a csillagászatban a csillag magasságának nevezik. Szög S¢AH = h¢ lesz a csillag látszólagos magassága, és az S²AH = szög h = h¢ - r az igazi magassága. Sarok z a világítótest valódi zenittávolsága, és z¢ a látható értéke.

A fénytörés mértéke sok tényezőtől függ, és a Föld minden pontján változhat, akár egy napon belül is. Átlagos körülményekre egy hozzávetőleges fénytörési képletet kaptunk:

Dh=-0,9666 ctg h¢. (2.1)

A 0,9666 együttható megfelel a légkör sűrűségének +10°C hőmérsékleten és 760 Hgmm nyomáson. Ha a légkör jellemzői eltérőek, akkor a (2.1) képlet szerint számított fénytörési korrekciót hőmérséklet- és nyomáskorrekciókkal kell korrigálni.

2.7. ábra Csillagászati ​​fénytörés

A csillagászati ​​fénytörés figyelembevétele érdekében a csillagászati ​​meghatározások zenitális módszereiben a világítótestek zenittávolságának megfigyelése során a hőmérsékletet és a légnyomást mérik. A csillagászati ​​meghatározások pontos módszereiben a világítótestek zenittávolságát 10° és 60° közötti tartományban mérik. A felső határt a műszerhibák, az alsó határt a fénytörési táblázatok hibái okozzák.

A lámpatest zenittávolságát a töréskorrekcióval korrigálva a következő képlettel számítjuk ki:

Átlagos (normál +10°C hőmérsékleten és 760 Hgmm nyomáson) törés, számított: z¢;

A levegő hőmérsékletét figyelembe vevő, a hőmérsékleti értékből számított együttható;

B– a légnyomást figyelembe vevő együttható.

Sok tudós tanulmányozta a fénytörés elméletét. Kezdetben az volt a feltevés, hogy a légkör különböző rétegeinek sűrűsége csökken ezeknek a rétegeknek a magasságával, számtani sorozatban (Bouguer). Ezt a feltételezést azonban hamarosan minden tekintetben nem kielégítőnek ismerték el, mivel túl kicsi törésértékhez és a hőmérséklet túl gyors csökkenéséhez vezetett a Föld felszíne feletti magassággal.

Newton feltételezte, hogy a légkör sűrűsége a magassággal csökken a geometriai progresszió törvénye szerint. És ez a hipotézis nem bizonyult kielégítőnek. E hipotézis szerint kiderült, hogy a légkör minden rétegében a hőmérsékletnek állandónak kell maradnia, és egyenlőnek kell lennie a Föld felszíni hőmérsékletével.

A legzseniálisabb Laplace hipotézise volt, ami a fenti kettő között volt. A francia csillagászati ​​naptárban évente megjelent fénytörési táblázatok ezen a Laplace-hipotézisen alapultak.

A Föld légköre instabilitásával (turbulencia, törésváltozások) határt szab a Földről érkező csillagászati ​​megfigyelések pontosságának.

A nagy csillagászati ​​műszerek telepítési helyének kiválasztásakor először átfogóan tanulmányozzák a terület asztroklímáját, amely olyan tényezők összességét érti, amelyek torzítják a légkörön áthaladó égi objektumok sugárzásának hullámfrontjának alakját. Ha a hullámfront torzítatlanul éri el a készüléket, akkor a készülék ebben az esetben maximális hatékonysággal (az elméletihez közeli felbontással) tud működni.

Mint kiderült, a teleszkópos kép minősége elsősorban a légkör talajrétege által okozott interferencia miatt romlik. A föld saját éjszakai hősugárzásának köszönhetően jelentősen lehűl, és lehűti a szomszédos levegőréteget. A levegő hőmérsékletének 1°C-os változása 10-6-kal változtatja meg a törésmutatót. Az elszigetelt hegycsúcsokon a talaj talajrétegének vastagsága jelentős hőmérséklet-különbséggel (gradienssel) elérheti a több tíz métert is. A völgyekben és az éjszakai sík területeken ez a réteg sokkal vastagabb és több száz méter is lehet. Ez magyarázza a csillagászati ​​obszervatóriumok helyszíneinek kiválasztását a hegygerinceken és elszigetelt csúcsokon, ahonnan sűrűbb hideg levegő áramolhat a völgyekbe. A teleszkóp torony magasságát úgy választják meg, hogy a műszer a hőmérsékleti inhomogenitások fő tartománya felett legyen.

Az asztroklíma fontos tényezője a szél a légkör felszíni rétegében. A hideg és meleg levegő rétegeinek keverésével sűrűségi inhomogenitások megjelenését idézi elő a készülék feletti légoszlopban. Az inhomogenitások, amelyek mérete kisebb, mint a teleszkóp átmérője, a kép defókuszálásához vezetnek. A nagyobb sűrűségingadozások (több méter vagy nagyobb) nem okoznak éles torzulást a hullámfronton, és elsősorban a kép elmozdulásához, semmint defókuszálásához vezetnek.

A légkör felső rétegeiben (a tropopauza idején) a levegő sűrűségének és törésmutatójának ingadozása is megfigyelhető. A tropopauza zavarai azonban nem befolyásolják észrevehetően az optikai műszerek által készített képek minőségét, mivel ott a hőmérsékleti gradiensek sokkal kisebbek, mint a felületi rétegben. Ezek a rétegek nem remegést okoznak, hanem a csillagok csillogását.

Az asztroklimatikus vizsgálatok során összefüggést állapítanak meg a meteorológiai szolgálat által rögzített derült napok száma és a csillagászati ​​megfigyelésekre alkalmas éjszakák száma között. Az egykori Szovjetunió területének asztroklimatikus elemzése szerint a legelőnyösebb területek a közép-ázsiai államok hegyvidéki régiói.

Földi fénytörés

A földi objektumok sugarai, ha elég hosszú utat tesznek meg a légkörben, szintén fénytörést tapasztalnak. A sugarak pályája a fénytörés hatására elgörbül, és rossz helyen vagy rossz irányban látjuk őket ott, ahol valójában vannak. Bizonyos körülmények között a földi fénytörés eredményeként délibábok jelennek meg - távoli tárgyak hamis képei.

A földi törésszög a a megfigyelt objektum látszólagos és tényleges helyzete iránya közötti szög (2.8. ábra). Az a szög értéke a megfigyelt objektum távolságától és a légkör felszíni rétegének függőleges hőmérsékleti gradiensétől függ, amelyben a földi objektumok sugarai terjednek.

2.8. A földi fénytörés megnyilvánulása a megfigyelés során:

a) – alulról felfelé, b) – fentről lefelé, a – földi törésszög

A geodéziai (geometriai) láthatósági tartomány a földi fénytöréshez kapcsolódik (2.9. ábra). Tegyük fel, hogy a megfigyelő az A pontban van egy bizonyos hH magasságban a földfelszín felett, és a B pont irányában figyeli a horizontot. A NAN sík a földgömb sugarára merőleges A ponton átmenő vízszintes sík, ún. a matematikai horizont síkja. Ha a fénysugarak egyenes vonalúan terjednének a légkörben, akkor a Föld legtávolabbi pontja, amelyet az A pontból érkező megfigyelő láthat, a B pont lenne. A távolság ehhez a ponthoz (a földgömb AB érintője) a geodéziai (vagy geometriai) láthatósági tartomány. D 0 . A földfelszíni robbanóanyagon egy körvonal a megfigyelő geodéziai (vagy geometriai) horizontja. A D 0 értékét csak geometriai paraméterek határozzák meg: a Föld R sugara és a megfigyelő h H magassága, és egyenlő D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H, ami a 2.9.

2.9. ábra. Földi fénytörés: matematikai (NN) és geodéziai (BB) horizontok, geodéziai láthatósági tartomány (AB=D 0)

Ha egy megfigyelő a Föld felszíne felett h magasságban lévő objektumot észlel, akkor a geodéziai tartomány a távolság lesz. AC = 3,57 (√ h H + √ h pr). Ezek az állítások igazak lennének, ha a fény egyenes vonalban haladna át a légkörön. De ez nem igaz. A talajréteg hőmérsékletének és levegősűrűségének normális eloszlása ​​mellett a fénysugár pályáját ábrázoló görbe vonal homorú oldalával a Föld felé néz. Ezért a legtávolabbi pont, amelyet A-ból egy megfigyelő látni fog, nem B, hanem B¢ lesz. Az AB¢ geodéziai láthatósági tartomány a fénytörést figyelembe véve átlagosan 6-7%-kal lesz nagyobb és a képletekben szereplő 3,57-es együttható helyett 3,82-es együttható lesz. A geodéziai tartomány kiszámítása a képletekkel történik

, h - m-ben, D - km-ben, R - 6378 km

Ahol h n és h pr – méterben, D – kilométerben.

Egy átlagos magasságú ember számára a horizont távolsága a Földön körülbelül 5 km. V. A. Shatalov és A. S. Eliseev űrhajósok számára, akik a Szojuz-8 űrszondán repültek, a horizont hatótávolsága a perigeumban (205 km magasságban) 1730 km, az apogeumban (223 km magasságban) pedig 1800 km volt.

A rádióhullámok esetében a fénytörés szinte független a hullámhossztól, de a hőmérséklet és a nyomás mellett a levegő vízgőztartalmától is függ. Ugyanazon hőmérsékleti és nyomásváltozási körülmények között a rádióhullámok erősebben törnek meg, mint a könnyűek, különösen magas páratartalom mellett.

Ezért a horizont tartományának meghatározására vagy egy objektum radarsugárral a gyökér előtti észlelésére szolgáló képletekben 4,08-as együttható lesz. Következésképpen a radarrendszer horizontja hozzávetőleg 11%-kal távolabb van.

A rádióhullámok jól visszaverődnek a földfelszínről és az inverzió alsó határáról vagy az alacsony páratartalmú rétegről. Egy ilyen egyedi hullámvezetőben, amelyet a földfelszín és az inverzió alapja alkot, a rádióhullámok nagyon nagy távolságokra terjedhetnek. A rádióhullám-terjedés ezen jellemzőit sikeresen alkalmazzák a radarban.

A talajrétegben, különösen annak alsó részén a levegő hőmérséklete nem mindig csökken a magassággal. Különböző ütemben csökkenhet, nem változhat a magassággal (izotermia), és nőhet a magassággal (inverzió). A hőmérsékleti gradiens nagyságától és előjelétől függően a fénytörés különböző hatással lehet a látható horizont tartományára.

Függőleges hőmérsékleti gradiens egy homogén atmoszférában, amelyben a levegő sűrűsége nem változik a magassággal, g 0 = 3,42 °C/100 m. Nézzük meg, mi lesz a sugárpályája AB különböző hőmérsékleti gradienseknél a Föld felszínén.

Legyen , azaz a levegő hőmérséklete a magassággal csökken. Ilyen körülmények között a törésmutató is csökken a magassággal. A fénysugár pályája ebben az esetben homorú oldalával a földfelszín felé néz (a 2.9. ábrán a pálya AB¢). Ezt a fénytörést pozitívnak nevezzük. Legtávolabbi pont BAN BEN¢ a megfigyelő a sugárút utolsó érintőjének irányába fog látni. Ez az érintő, i.e. a fénytörés miatt látható horizont egyenlő a matematikai horizonttal NAS D szög, kisebb, mint a szög d. Sarok d a matematikai és a geometriai horizont közötti szög törés nélkül. Így a látható horizont egy szöget emelkedett ( d- D) és bővítve, mert D > D0.

Most képzeljük el g fokozatosan csökken, azaz. A hőmérséklet a magassággal egyre lassabban csökken. Eljön az a pillanat, amikor a hőmérsékleti gradiens nullává válik (izotermia), majd a hőmérsékleti gradiens negatív lesz. A hőmérséklet már nem csökken, hanem emelkedik a magassággal, azaz. hőmérséklet inverzió figyelhető meg. Ahogy a hőmérsékleti gradiens csökken és áthalad a nullán, a látható horizont egyre magasabbra emelkedik, és eljön egy pillanat, amikor D nullával egyenlő lesz. A látható geodéziai horizont felemelkedik a matematikai horizontra. A föld felszíne mintha kiegyenesedett volna és lapos lett volna. A geodéziai látótávolság végtelenül nagy. A sugár görbületi sugara egyenlő lett a földgömb sugarával.

Még erősebb hőmérséklet-inverzióval D negatívvá válik. A látható horizont a matematikai horizont fölé emelkedett. Az A pont szemlélőjének úgy tűnik, hogy egy hatalmas medence alján van. A horizont miatt a geodéziai horizonton messze túl lévő objektumok felemelkednek és láthatóvá válnak (mintha a levegőben lebegnének) (2.10. ábra).

Ilyen jelenségek figyelhetők meg a sarki országokban. Tehát Amerika kanadai partjaitól a Smith-szoroson keresztül néha láthatja Grönland partját a rajta lévő összes épülettel együtt. Grönland partjaitól a távolság körülbelül 70 km, míg a geodéziai látótávolság nem haladja meg a 20 km-t. Egy másik példa. Hastingsből, a Pas-de-Calais-szoros angol oldalán, körülbelül 75 km-re láthattam a francia partot, amely a szoroson át feküdt.

2.10. A szokatlan fénytörés jelensége a sarki országokban

Most tegyük fel, hogy g=g 0, ezért a levegő sűrűsége nem változik a magassággal (homogén légkör), nincs fénytörés és D=D 0 .

Nál nél g > g 0 a törésmutató és a levegő sűrűsége a magassággal nő. Ebben az esetben a fénysugarak pályája domború oldalával a földfelszín felé néz. Ezt a fénytörést negatívnak nevezzük. A Föld utolsó pontja, amelyet az A-ban lévő megfigyelő lát, a B² lesz. A látható horizont AB² beszűkült és szögbe süllyedt (D - d).

A tárgyaltak alapján a következő szabályt fogalmazhatjuk meg: ha egy fénysugár légköri terjedése során a levegő sűrűsége (és ezzel együtt a törésmutatója) megváltozik, akkor a fénysugár úgy elgörbül, hogy pályája mindig konvex a levegő sűrűségének (és törésmutatójának) csökkenésének irányában.

Fénytörés és délibábok

A délibáb francia eredetű szó, két jelentése van: „visszaverődés” és „megtévesztő látás”. E szó mindkét jelentése jól tükrözi a jelenség lényegét. A délibáb a Földön ténylegesen létező objektum képe, gyakran felnagyítva és erősen torzítva. Többféle délibáb létezik attól függően, hogy a kép hol helyezkedik el a tárgyhoz képest: felső, alsó, oldalsó és összetett. A leggyakrabban megfigyelt felső és alsó délibábok, amelyek akkor fordulnak elő, amikor a sűrűség (és ezáltal a törésmutató) szokatlan magassági eloszlása ​​van, amikor egy bizonyos magasságban vagy a Föld felszínéhez közel egy viszonylag vékony réteg található. nagyon meleg levegő (alacsony törésmutatóval), amelyben a földi tárgyakból érkező sugarak teljes belső visszaverődést tapasztalnak. Ez akkor fordul elő, ha a sugarak a teljes belső visszaverődés szögénél nagyobb szögben esnek erre a rétegre. Ez a melegebb levegőréteg légtükör szerepét tölti be, visszaverve a beleeső sugarakat.

Kiemelkedő délibábok (2.11. ábra) erős hőmérsékleti inverziók esetén fordulnak elő, amikor a levegő sűrűsége és törésmutatója a magassággal gyorsan csökken. A kiváló délibábokban a kép az objektum felett helyezkedik el.

2.11. ábra. Superior Mirage

A fénysugarak pályáit a (2.11) ábra mutatja. Tegyük fel, hogy a Föld felszíne lapos, és vele párhuzamosan azonos sűrűségű rétegek helyezkednek el. Mivel a sűrűség a magassággal csökken, akkor . A meleg réteg, amely tükörként működik, egy magasságban fekszik. Ebben a rétegben, amikor a sugarak beesési szöge egyenlővé válik a törésmutatóval (), a sugarak visszafordulnak a földfelszín felé. A megfigyelő egyszerre láthatja magát az objektumot (ha nincs a horizonton túl) és egy vagy több képet felette - függőlegesen és fordítottan.

2.12. ábra. Komplex kiváló délibáb

ábrán. A 2.12. ábra egy összetett felső délibáb előfordulásának diagramját mutatja. Maga a tárgy látható ab, felette közvetlen képe van róla a¢b¢, fordított in²b²és ismét közvetlen a²¢b²¢. Ilyen délibáb akkor fordulhat elő, ha a levegő sűrűsége a magassággal csökken, először lassan, majd gyorsan és ismét lassan. A kép fejjel lefelé fordul, ha az objektum szélső pontjaiból érkező sugarak metszik egymást. Ha egy tárgy távol van (a horizonton túl), akkor lehet, hogy maga az objektum nem látható, de a magasba emelt képei nagy távolságból láthatóak.

Lomonoszov városa a Finn-öböl partján található, 40 km-re Szentpétervártól. Általában a Lomonosov Szentpétervárról egyáltalán nem, vagy nagyon rosszul látható. Néha Szentpétervár „egy pillantásra” látható. Ez a kiváló délibábok egyik példája.

Úgy tűnik, a felső délibábok számába bele kell számítani az úgynevezett kísérteties földek legalább egy részét, amelyeket évtizedekig kerestek az Északi-sarkon, és soha nem találták meg. Különösen sokáig keresték Szannyikov földjét.

Yakov Sannikov vadász volt, és szőrmekereskedelemmel foglalkozott. 1811-ben Kutyákkal indult át a jégen az Új-Szibériai-szigetek csoportjába, és a Kotelny-sziget északi csücskéből egy ismeretlen szigetet látott az óceánban. Nem tudta elérni, de egy új sziget felfedezését jelentette a kormánynak. 1886 augusztusában E. V. Tol az Új-Szibériai-szigetekre tett expedíciója során szintén meglátta a Szannyikov-szigetet, és ezt írta naplójába: „Teljesen tiszta a horizont. Az északkeleti irányban, 14-18 fokban jól láthatóak voltak a négy mesa körvonalai, amelyek keleten az alacsonyan fekvő földhöz kapcsolódtak. Így Szannyikov üzenete teljes mértékben beigazolódott. Jogunk van tehát egy pontozott vonalat húzni a térkép megfelelő helyére, és ráírni: „Szannyikov-föld”.

Tol 16 évet szentelt életéből Szannyikov-föld felkutatására. Három expedíciót szervezett és vezetett az Új-Szibériai-szigetek területére. A „Zarya” szkúner utolsó expedíciója során (1900-1902) Tolja expedíciója úgy halt meg, hogy nem találta meg Szannyikov Földet. Senki sem látta többé Szannyikov Földet. Talán délibáb volt, amely az év bizonyos szakaszaiban ugyanazon a helyen jelenik meg. Szannyikov és Tol is ugyanarról a szigetről látott délibábot, amely ebben az irányban helyezkedik el, csak sokkal távolabb az óceánban. Talán a De Long-szigetek egyike volt. Talán egy hatalmas jéghegy volt – egy egész jégsziget. Az ilyen jéghegyek, amelyek területe legfeljebb 100 km2, több évtizeden keresztül haladnak át az óceánon.

A délibáb nem mindig tévesztette meg az embereket. Robert Scott angol sarkkutató 1902-ben. az Antarktiszon hegyeket láttam, mintha a levegőben lógnának. Scott azt javasolta, hogy a horizonton túl van egy hegylánc. És valóban, a hegyláncot később a norvég sarkkutató, Raoul Amundsen fedezte fel pontosan ott, ahol Scott várta.

2.13. ábra. Inferior Mirage

Inferior délibábok (2.13. ábra) nagyon gyors hőmérséklet-csökkenéssel fordulnak elő a magassággal, i.e. nagyon nagy hőmérsékleti gradienseknél. A légtükör szerepét a vékony felületű legmelegebb levegőréteg tölti be. A délibábot alsóbbrendű délibábnak nevezzük, mert egy tárgy képe a tárgy alá kerül. Az alsó délibábokon úgy tűnik, mintha vízfelület lenne a tárgy alatt, és minden tárgy visszatükröződik rajta.

Csendes vízben minden, a parton álló tárgy jól tükröződik. A földfelszínről felmelegített vékony levegőrétegben a tükröződés teljesen hasonló a vízben való visszaverődéshez, csak a tükör szerepét maga a levegő tölti be. Rendkívül instabil a légkör, amelyben az alsóbbrendű délibábok előfordulnak. Végtére is, lent, a talaj közelében erősen felmelegedett, ezért könnyebb levegő, felette pedig hidegebb és nehezebb levegő. A talajból felszálló forró levegő sugarai áthatolnak a hideg levegő rétegein. Emiatt a délibáb megváltozik a szemünk előtt, a „víz” felszíne felkavarni látszik. Elég egy kis széllökés vagy egy sokk, és összeomlás következik be, pl. levegőrétegek átfordítása. A nehéz levegő lerohan, tönkretéve a légtükröt, és a délibáb eltűnik. Az alsóbbrendű délibábok kialakulásának kedvező feltételei a sztyeppeken és sivatagokban előforduló homogén, lapos földalatti felszín, valamint a napos, szélcsendes időjárás.

Ha a délibáb egy valóban létező tárgy képe, akkor felmerül a kérdés: milyen vízfelületet látnak a sivatagban utazók? Hiszen a sivatagban nincs víz. Az a helyzet, hogy a délibábban látható látszólagos vízfelület vagy tó valójában nem a vízfelszín, hanem az ég képe. Az ég egyes részei tükröződnek a légtükörben, és a csillogó vízfelület teljes illúzióját keltik. Egy ilyen délibáb nem csak a sivatagban vagy a sztyeppén látható. Még Szentpéterváron és környékén is megjelennek napsütéses napokon aszfaltos utak vagy sík homokos tengerpart felett.

2.14. ábra. Oldalsó délibáb

Az oldalsó délibábok olyan esetekben fordulnak elő, amikor a légkörben azonos sűrűségű levegőrétegek nem vízszintesen, mint általában, hanem ferdén, sőt függőlegesen helyezkednek el (2.14. ábra). Ilyen körülmények nyáron, nem sokkal napkelte után reggel jönnek létre a tenger vagy a tó sziklás partjain, amikor a partot már megvilágítja a Nap, és a víz felszíne és felette a levegő még hideg. A Genfi-tavon többször is megfigyeltek oldalsó délibábokat. Oldalsó délibáb megjelenhet a Nap által fűtött ház kőfala mellett, sőt a fűtött kályha oldalán is.

A délibábok összetett típusai vagy a Fata Morgana akkor fordulnak elő, ha egyidejűleg vannak feltételek a felső és az alsó délibáb megjelenéséhez, például jelentős hőmérsékleti inverzió során egy bizonyos magasságban egy viszonylag meleg tenger felett. A levegő sűrűsége először a magassággal növekszik (a levegő hőmérséklete csökken), majd gyorsan csökken (a levegő hőmérséklete emelkedik). A levegő sűrűségének ilyen eloszlása ​​mellett a légkör állapota nagyon instabil és hirtelen változásoknak van kitéve. Ezért a délibáb megjelenése megváltozik a szemünk előtt. A leghétköznapibb sziklák és házak az ismétlődő torzítások és nagyítások miatt szemünk láttára válnak a tündér Morgana csodálatos kastélyaivá. A Fata Morgana Olaszország és Szicília partjainál figyelhető meg. De előfordulhat magas szélességi fokon is. A híres szibériai felfedező, F. P. Wrangel így jellemezte a Fata Morganát, amelyet Nyizsnekolimszkban látott: „A vízszintes fénytörés egyfajta Fata Morganát hozott létre. A délen fekvő hegyek különféle torz formákban és a levegőben lógónak tűntek számunkra. A távoli hegyek csúcsai mintha felborultak volna. A folyó annyira leszűkült, hogy a szemközti part szinte a kunyhóinknál volt.

Munka forrása: Megoldás 4555. OGE 2017 Physics, E.E. Kamzeeva. 30 lehetőség.

20. feladat. A szövegben a fénytörés a jelenségre utal

1) a fénysugár terjedési irányának változása a légkör határán való visszaverődés következtében

2) a fénysugár terjedési irányának megváltozása a Föld légkörében bekövetkező törés következtében

3) a fény elnyelése a Föld légkörében való terjedése során

4) a fénysugár elhajlik az akadályok körül, és ezáltal eltér az egyenes vonalú terjedéstől

Megoldás.

Mielőtt egy távoli űrobjektumból (például csillagból) származó fénysugár bejuthatna a megfigyelő szemébe, át kell haladnia a Föld légkörén. Ebben az esetben a fénysugár a törés, abszorpció és a szórás folyamatán megy keresztül.

A fénytörés a légkörben egy optikai jelenség, amelyet a légkörben lévő fénysugarak törése okoz, és a távoli objektumok (például az égen megfigyelt csillagok) látszólagos elmozdulásában nyilvánul meg. Ahogy az égitestből érkező fénysugár közeledik a Föld felszínéhez, úgy nő a légkör sűrűsége (1. ábra), a sugarak egyre jobban megtörnek. A fénysugár földi légkörben való terjedésének folyamata egy átlátszó lemezköteg segítségével szimulálható, amelynek optikai sűrűsége a sugár terjedésével változik.

A fénytörés miatt a megfigyelő nem a tényleges helyzetük irányában látja a tárgyakat, hanem a sugárút érintője mentén a megfigyelési pontban (3. ábra). A tárgy valódi és látszólagos iránya közötti szöget törésszögnek nevezzük. A horizont közelében lévő csillagok, amelyek fényének a légkör legnagyobb vastagságán kell áthaladnia, a leginkább érzékenyek a légköri törésre (a törési szög körülbelül 1/6 szögfok).