Цікаві факти про оптичні явища в природі

Після дощу на небі з’являється кольорова веселка, навколо Місяця іноді утворюється світле кільце, а поблизу горизонту можуть виникати зображення далеких об’єктів. Усі ці явища пов’язані з поширенням світла.

Щоб пояснити їх, потрібно зрозуміти заломлення, відбиття, розсіювання, дифракцію та дисперсію. Спостереження за такими природними оптичними ефектами допомагає побачити, що закони фізики діють навколо нас щодня.

У цій статті ви дізнаєтеся, що таке веселка, міраж, полярне сяйво, гало, затемнення, брокенський привид, глорія, сутінки, веселкові хмари й вінці, а також — як і чому вони виникають.

Що таке оптичні явища в природі?

Оптичні явища — це видимі ефекти, які виникають під час поширення та взаємодії світла з речовиною. Сонячні промені можуть змінювати напрямок на межі двох середовищ, відбиватися від поверхні, розкладатися на кольори або огинати дуже дрібні перешкоди.

Своєрідними природними «оптичними приладами» стають краплі води, кристали льоду, частинки пилу, шари повітря та хмари. До ширшої групи небесних оптичних явищ також зараховують затемнення, під час яких одне космічне тіло перекриває світло іншого.

Що таке веселка?

Веселка — це кольорова дуга, яка з’являється, коли сонячне світло проходить крізь численні краплі води. Найчастіше її можна побачити після дощу, якщо Сонце перебуває позаду спостерігача, а краплі — попереду.

Насправді веселка має форму кола. Із поверхні Землі нижню його частину зазвичай закриває горизонт, тому людина бачить лише дугу. А з літака або з високої гори за сприятливих умов можна спостерігати майже повне кольорове кільце.

Як утворюється веселка?

Потрапляючи в краплю, біле сонячне світло заломлюється та розкладається на спектральні кольори. Потім промінь відбивається від внутрішньої поверхні краплі й під час виходу знову заломлюється.

Кольори відхиляються під дещо різними кутами: червоний розташовується із зовнішнього боку головної дуги, а фіолетовий — із внутрішнього. Найяскравішу первинну веселку спостерігають приблизно під кутом 42° відносно точки, протилежної Сонцю.

Іноді над головною дугою виникає слабша вторинна веселка. Усередині крапель її промені відбиваються двічі, тому порядок кольорів стає протилежним: червоний міститься всередині, а фіолетовий — зовні.

Що таке міраж?

Міраж — це оптичне зображення віддаленого об’єкта або ділянки неба, яке виникає через заломлення світла в шарах повітря з різною температурою і густиною. І так, це реальне фізичне явище, а не галюцинація :)

У спекотний день повітря біля дороги сильно нагрівається. Промені від світлого неба викривляються в неоднорідному середовищі та потрапляють в очі спостерігача знизу. Мозок продовжує їх уявною прямою, тому попереду здається, ніби на асфальті — вода. Ви могли спостерігати це явище, їдучи машиною по асфальтованій дорозі.

Такий ефект називають нижнім міражем. Верхній міраж утворюється тоді, коли холодний шар повітря розташований біля поверхні, а тепліший — над ним. Тоді зображення далекого берега, корабля або острова може з’явитися вище за його справжнє положення.

Що таке полярне сяйво?

Полярне сяйво — це світіння верхніх шарів атмосфери, яке найчастіше спостерігають у високих широтах. У Північній півкулі його називають aurora borealis (північним сяйвом), а у Південній — aurora australis (південним сяйвом).

На небі воно може нагадувати дуги, промені, хвилясті стрічки або світлові завіси. Найпоширеніший відтінок — жовто-зелений, але за різних умов також з’являються червоні, сині та фіолетові кольори.

Як утворюється полярне сяйво?

Сонце постійно випромінює потік заряджених частинок — сонячний вітер. А магнітне поле Землі спрямовує певну кількість цих частинок до полярних областей. У верхній атмосфері вони стикаються з атомами й молекулами кисню та азоту, передаючи їм енергію. Повертаючись до звичайного стану, частинки атмосфери випромінюють світло.

Колір залежить від складу атмосфери, висоти й енергії частинок. Зелене та червоне світіння переважно пов’язане з атомарним киснем, а сині й фіолетові відтінки — з азотом. Типові полярні сяйва виникають приблизно на висотах 100-250 км, хоча загальний діапазон може бути значно ширшим.

Цікаві факти про полярне сяйво

1. Північне й південне сяйва можуть з’являтися майже одночасно в обох півкулях.

2. Під час сильних геомагнітних бур світіння видно значно далі від полюсів, ніж зазвичай.

3. Полярні сяйва існують не лише на Землі. Їх також спостерігали на Юпітері, Сатурні та інших планетах із атмосферою і магнітним полем.

4. Сяйво пов’язане з космічною погодою. Геомагнітні бурі здатні впливати на супутники, радіозв’язок і точність навігаційних систем.

5. Світлові стрічки можуть швидко змінювати форму, ніби рухаються під дією вітру, хоча процеси відбуваються високо над земною поверхнею.

Гало

Гало — це світле кільце, дуга або пляма навколо Сонця чи Місяця. Воно виникає внаслідок заломлення та відбиття світла в шестикутних кристалах льоду, з яких складаються високі перисті хмари. Найпоширенішим є гало радіусом приблизно 22°.

Що таке місячне гало?

Місячне гало — світле кільце навколо Місяця (джерелом променів залишається Сонце, адже Місяць лише відбиває його світло). Через невисоку яскравість людське око зазвичай сприймає кільце білим, хоча на фотографіях іноді помітні слабкі кольорові відтінки.

Поява гало свідчить про наявність високо в атмосфері крижаних кристалів. Воно може спостерігатися перед зміною погоди, проте саме по собі не є точним прогнозом опадів.

Що таке сонячне гало?

Сонячне гало утворюється за тим самим принципом, але навколо Сонця. Внутрішня частина кільця іноді має червонуватий край, а зовнішня здається білою або блакитною. Поруч із головним колом можуть виникати яскраві плями — паргелії, або «несправжні сонця».

Але будьте обережними, адже дивитися безпосередньо на Сонце не можна: гало потрібно спостерігати, закривши сонячний диск якимось непрозорим предметом (рукою, деревом, будівлею тощо).

Як відбувається сонячне затемнення?

Сонячне затемнення настає тоді, коли Місяць проходить між Сонцем і Землею та відкидає тінь на земну поверхню. Воно можливе лише під час молодика, але відбувається не щомісяця, оскільки орбіта Місяця нахилена до площини руху Землі навколо Сонця. Під час повного затемнення Місяць закриває весь сонячний диск.

Важливо! Спостерігати за Сонцем без спеціального захисту небезпечно навіть під час часткового затемнення. Звичайні сонцезахисні окуляри для цього не підходять!

Як відбувається місячне затемнення?

Місячне затемнення виникає під час повні, коли Земля опиняється між Сонцем і Місяцем, а супутник проходить крізь земну тінь. Затемнення буває напівтіньовим, частковим або повним.

Під час повної фази Місяць нерідко стає мідно-червоним, тому що сонячне світло проходить крізь земну атмосферу, де короткі сині хвилі сильніше розсіюються, а червоні промені заломлюються та досягають поверхні супутника.

На відміну від сонячного, місячне затемнення можна безпечно спостерігати неозброєним оком з усієї нічної частини Землі, якщо небо залишається ясним.

Що таке брокенський привид?

Брокенський привид — це велика тінь спостерігача, яка проектується на шар туману або хмар. Таке явище можна побачити в горах, якщо людина стоїть вище за хмару, а Сонце світить їй у спину.

Тінь здається надзвичайно великою через відсутність звичних орієнтирів для визначення відстані, а рух хмар і крапель створює враження, ніби фігура змінює розмір або рухається самостійно. Навколо голови тіні часто виникають кольорові кільця глорії.

Назва походить від гори Брокен у Німеччині, де це явище неодноразово спостерігали мандрівники.

Глорія

Глорія — система невеликих концентричних кольорових кілець навколо точки, протилежної Сонцю. Її часто бачать навколо тіні голови на тумані або хмарах, а пасажири літака можуть помітити кільця навколо тіні повітряного судна.

Глорія нагадує маленьку круглу веселку, але утворюється інакше. Вона пов’язана з розсіюванням і дифракцією світла на дрібних водяних краплях. Червоний колір зазвичай розташовується із зовнішнього боку кілець, а синій — ближче до центра.

Кожен спостерігач бачить глорію навколо точки, що відповідає саме його положенню. Тому люди, які стоять поруч, фактично спостерігають дещо різні кільця.

Що таке сутінки?

Сутінки — це проміжок між днем і ніччю, коли Сонце вже опустилося за горизонт або ще не зійшло, але його промені продовжують освітлювати верхні шари атмосфери. Розсіяне світло робить перехід до темряви (і навпаки) поступовим.

Розрізняють вечірні та ранкові сутінки. Біля екватора цей період короткий, а у високих широтах у певні сезони може тривати багато годин.

Червоні, рожеві та помаранчеві відтінки виникають тому, що сонячні промені проходять довший шлях крізь атмосферу. Короткохвильове синє світло сильніше розсіюється, а до спостерігача доходить більше довгохвильового червоного.

Веселкові хмари

Веселкові (іризуючі) хмари мають пастельні рожеві, зелені, блакитні та фіолетові смуги. Найчастіше кольори з’являються на тонких краях хмари неподалік від Сонця.

Явище спричиняє дифракція світла на дуже дрібних краплях води або кристалах льоду приблизно однакового розміру. Якщо частинки істотно відрізняються, кольори накладаються один на одного й стають менш помітними.

Туманна веселка

Туманна (біла) веселка утворюється в тумані за участю дуже дрібних крапель води. Вони також заломлюють і відбивають світло, проте через малий розмір крапель кольорові смуги перекриваються.

У результаті спостерігач бачить широку білу дугу зі слабким червонуватим зовнішнім і блакитним внутрішнім краєм. Для такого ефекту сонце має бути позаду людини, а туман — попереду.

Вінці

Вінці — це один або кілька невеликих кольорових кілець навколо Сонця чи Місяця. Їх спричиняє дифракція світла на краплях води або дрібних кристалах у тонких хмарах.

Вінець легко переплутати з гало, однак він розташовується значно ближче до світила. Його внутрішня частина зазвичай має блакитний відтінок, а зовнішня — червонуватий. Розмір кілець залежить від діаметра частинок: що дрібніші й однорідніші краплі, то більшим і чіткішим буде вінець.

Цікаві факти

1. Двоє людей не бачать цілком однакову веселку: до їхніх очей світло надходить від різних крапель.

2. Уночі за яскравого Місяця може виникнути місячна веселка. Через слабке освітлення вона часто здається білою.

3. Міражі спостерігають не лише в пустелях, а й над дорогами, морем, кригою та сніговими поверхнями.

4. Яскраві полярні сяйва під час геомагнітних бур можуть з’являтися в регіонах, де зазвичай їх не видно.

5. Сонце приблизно у 400 разів більше за Місяць, але водночас розташоване приблизно у 400 разів далі. Тому їхні видимі розміри на земному небі подібні, що робить повні сонячні затемнення можливими.

6. Гало утворюють кристали льоду, веселку — переважно дощові краплі, а вінці та глорію — дуже дрібні краплини у хмарах або тумані.

7. Брокенський привид не є окремим об’єктом: спостерігач бачить власну тінь на хмарі.

8. Під час повного сонячного затемнення стає помітною сонячна корона — розріджена зовнішня атмосфера Сонця.

Вивчення таких ефектів дає змогу поєднати спостереження за природою з розумінням законів поширення світла. Якщо заломлення, дифракція або розсіювання здаються складними, репетитор фізики допоможе розібрати явища на зрозумілих та цікавих прикладах. А системна підготовка до НМТ з фізики дасть змогу закріпити теорію та навчитися застосовувати її під час розв’язування завдань для успішного складання іспиту.