Оптические явления в природе

Оптические явления в природе

Оптические явления в природе: отражение, ослабление, полное внутреннее отражение, радуга, мираж.

Российский Государственный Аграрный Университет Московская Сельскохозяйственная Академия имени К.А. Тимирязева

Реферат

Тема: Оптические явления в природе

Выполнила

Бахтина Татьяна Игоревна

Преподаватель:

Момджи Сергей Георгиевич

Москва, 2014

План

1. Виды оптических явлений

. Зеркальные оптические явления

. Полное внутреннее отражение

. Атмосферные оптические явления

Заключение

1. Виды оптических явлений

Оптическое явление каждого видимого события является результатом взаимодействия света и материальных сред физической и биологической. Зелёный луч света является примером оптического явления.

Общие оптические явления часто происходят из-за взаимодействия света от солнца или луны с атмосферой, облаками, водой, пылью и другими частицами. Некоторые из них как зеленый луч света настолько редкое явление, что его иногда считают мифическим.

Оптические явления включают те, вытекающие из оптических свойств атмосферы, остальной природы (другие явления); из объектов, будь то природного или человеческого характера (оптические эффекты), где наши глаза имеют энтоптический характер явлений.

Есть много явлений, которые возникают в результате либо квантовой или волновой природой света. Некоторые из них довольно тонкие и наблюдаемое только при помощи точных измерения с помощью научных приборов.

. Зеркальные оптические явления

Свет мой, зеркальце, скажи…

Если брать простое и точное определение, то Зеркало - гладкая поверхность <#"721991.files/image001.gif"> 

Тогда, если направить луч света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то по мере увеличения угла падения преломленный луч будет приближаться к границе раздела двух сред, затем пойдет по границе раздела, а при дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч исчезнет, т.е. падающий луч будет полностью отражаться границей раздела двух сред.

Предельный угол (альфа нулевое)- это угол падения, которому соответствует угол преломления 90 градусов.  Для воды предельный угол составляет 49 градусов. Для стекла - 42 градуса. Проявления в природе: - пузырьки воздуха на подводных растениях кажутся зеркальными - капли росы вспыхивают разноцветными огнями - «игра» бриллиантов в лучах света - поверхность воды в стакане при рассматривании снизу через стенку стакана будет блестеть.

. Атмосферные оптические явления

Мираж - оптическое <#"721991.files/image003.gif">

Радуга

Каждый оформитель желает знать, где скачать фотошоп.

Атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре, но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков.

Центр окружности, описываемой радугой, лежит на прямой, проходящей через наблюдателя и Солнце <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%86%D0%B5>, притом при наблюдении радуги (в отличие от гало <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%BE>) Солнце всегда находится за спиной наблюдателя, и одновременно видеть Солнце и радугу без использования оптических приспособлений невозможно. Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D1%83%D0%B3%D0%B0_%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8>, часть окружности, и чем выше точка наблюдения - тем она полнее (с горы или самолёта можно увидеть и полную окружность <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>). Когда Солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, радуга с поверхности Земли не видна.

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82> преломляется <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> и отражается <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%28%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0%29> капельками <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BF%D0%BB%D1%8F> воды (дождя <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BE%D0%B6%D0%B4%D1%8C> или тумана <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%83%D0%BC%D0%B0%D0%BD>), парящими в атмосфере <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%82%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0>. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82> (показатель преломления <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F> воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее всего отклоняется красный свет - на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый - на 139°20’). В результате белый <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D0%BB%D1%8B%D0%B9_%D1%86%D0%B2%D0%B5%D1%82> свет разлагается в спектр <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80> (происходит дисперсия <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%B8%D1%8F_%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B0> света). Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).

Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%86%D0%B2%D0%B5%D1%82> находится снаружи дуги, её угловой радиус <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D1%83%D1%81> составляет 40-42°.

Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, которая образована светом, отражённым в каплях два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов - снаружи находится фиолетовый <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9>, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50-53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%B0_%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%80%D0%B0>.

Появление радуги третьего порядка в естественных условиях случается чрезвычайно редко. Считается, что за последние 250 лет было только пять научных сообщений о наблюдении данного феномена. Тем более удивительным представляется появление в 2011 г. сообщения о том, что удалось не только наблюдать радугу четвёртого порядка, но и зарегистрировать её на фотографии. В лабораторных условиях удаётся получать радуги гораздо более высоких порядков. Так, в статье, опубликованной в 1998 г., утверждалось, что авторам, используя лазерное <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80> излучение, удалось получить радугу двухсотого порядка.

Свет первичной радуги поляризован <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD> на 96% вдоль направления дуги. Свет вторичной радуги поляризован на 90%.

В яркую лунную ночь можно наблюдать и радугу от Луны <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%83%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B0%D0%B4%D1%83%D0%B3%D0%B0>. Поскольку рецепторы <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D1%86%D0%B5%D0%BF%D1%82%D0%BE%D1%80> человеческого глаза <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B0%D0%B7>, работающие при слабом освещении, - «палочки» <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B8_%28%D1%81%D0%B5%D1%82%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0%29> - не воспринимают цвета <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82>, лунная радуга выглядит белесой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы - «колбочки» <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B1%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B8_%28%D1%81%D0%B5%D1%82%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%BA%D0%B0%29>).

При определённых обстоятельствах можно увидеть двойную, перевёрнутую или даже кольцевую радугу. На самом деле это явления другого процесса - преломления света в кристаллах льда, рассеянного в атмосфере, и относятся к гало <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%BE>. Для появления в небе перевернутой радуги (околозенитной дуги, зенитной дуги <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%83%D0%B3%D0%B0> - одного из видов гало <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%BE>) необходимы специфические погодные условия, характерные для Северного и Южного полюсов. Перевернутая радуга образуется за счет преломления света, проходящего через льдинки тонкой завесы облаков на высоте 7 - 8 тысяч метров. Цвета в такой радуге располагаются тоже наоборот: фиолетовый вверху, а красный - внизу.

Полярное сияние

Полярное сияние (северное сияние) - свечение (люминесценция <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%81%D1%86%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F>) верхних слоёв атмосфер <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%82%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0> планет <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0>, обладающих магнитосферой <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0>, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B5%D1%80>.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%82%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0> происходит возбуждение атомов и молекул газов <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7_%28%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B5%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B5%29>, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80> полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D1%8F> излучения возбуждённых кислорода <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4> и азота <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B7%D0%BE%D1%82> в видимом диапазоне, то для Юпитера <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AE%D0%BF%D0%B8%D1%82%D0%B5%D1%80_%28%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0%29> - линии излучения водорода <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4> в ультрафиолете <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>.

Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с увеличением высоты в соответствии с барометрической формулой <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83%D0%BB%D0%B0>, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200-400 км, а совместное свечение азота <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B7%D0%BE%D1%82> и кислорода - на высоте ~110 км. Кроме того, эти факторы обусловливают и форму полярных сияний - размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.

Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8E%D1%81%D0%B0_%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B8> - авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%86%D0%B5>, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10-16°, на ночной - 20-23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67-70°, однако во времена солнечной активности <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах - на 20-25° южнее или севернее границ их обычного проявления. Например, на острове <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2> Стюарт <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D1%8C%D1%8E%D0%B0%D1%80%D1%82_%28%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%29>, лежащем лишь на 47° параллели, сияния происходят регулярно. Маори <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%BE%D1%80%D0%B8> даже назвали его «Пылающие ».

В спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы - азота и кислорода, при этом наблюдаются их линии излучения как в атомарном, так и молекулярном (нейтральные молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота.

Свечение кислорода обусловлено излучением возбужденных атомов в метастабильных состояниях с длинами волн 557.7 нм (зелёная линия, время жизни 0.74 сек.) и дублетом 630 и 636.4 нм (красная область, время жизни 110 сек). Вследствие этого красный дублет излучается на высотах 150-400 км, где вследствие высокой разреженности атмосферы низка скорость гашения возбужденных состояний при столкновениях. Ионизированные молекулы азота излучают при 391.4 нм (ближний ультрафиолет) 427.8 нм (фиолетовый) и 522.8 нм (зелёный). Однако, каждое явление обладает своей неповторимой гаммой, в силу не постоянства химического состава атмосферы и погодных факторов.

Спектр полярных сияний меняется с высотой и зависимости от преобладающих в спектре полярного сияния линий излучения полярные сияния делятся на два типа: высотные полярные сияния типа A с преобладанием атомарных линий и полярные сияния типа B на относительно небольших высотах (80-90 км) с преобладанием молекулярных линий в спектре вследствие гашения от столкновения атомарных возбужденных состояний в сравнительно плотной атмосфере на этих высотах.

Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии. Так, за одно из зарегистрированных в 2007 году <http://ru.wikipedia.org/wiki/2007_%D0%B3%D0%BE%D0%B4> возмущений выделилось 5·1014 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.

При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

Считалось, что полярные сияния в северном и южном полушарии являются симметричными. Однако одновременное наблюдение полярного сияния в мае 2001 из космоса со стороны северного и южного полюсов показало, что северное и южное сияние существенно отличаются друг от друга.

оптический свет квантовый радуга

Заключение

Естественные оптические явления очень красивы и разнообразны. В древние времена, когда люди не понимали их природу, они придавали им мистическое, магическое и религиозное значения, боялись и страшились их. Но теперь, когда каждое из явлений мы способны даже произвести собственными руками в лабораторных (а иногда и вполне кустарных) условиях, ушел первобытный ужас, и мы можем с удовольствием замечать в повседневной жизни мелькнувшую в небе радугу, уезжать на север полюбоваться полярным сиянием и с любопытством отмечать мелькнувший в пустыне таинственный мираж. А зеркала стали ещё более значимой частью нашей повседневной жизни - как в быту (например, дома, в автомобилях, в видеокамерах), так и в различных научных приборах: спектрофотометрах, спектрометрах, телескопах, лазерах, медицинском оборудовании.