18.04 Оптика

Прежде чем луч света от удалённого космического объекта (например, звезды) попадёт в глаз наблюдателя, он должен пройти сквозь земную атмосферу. При этом световой луч подвергается процессам рефракции, поглощения и рассеяния. Рефракция света в атмосфере -- оптическое явление, представляющее собой преломление световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов (например, наблюдаемых на небе звёзд). По мере приближения светового луча от небесного тела к поверхности Земли плотность атмосферы растёт (рис. 1) и лучи преломляются всё сильнее. Процесс распространения светового луча через земную атмосферу можно смоделировать с помощью стопки прозрачных пластин, оптическая плотность которых изменяется по ходу распространения луча (рис. 2).

Из-за рефракции наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения (рис. 3). Угол между истинным и видимым направлениями на объект называется угол рефракции. Звёзды вблизи горизонта, свет которых должен пройти через самую большую толщу атмосферы, сильнее всего подвержены действию атмосферной рефракции (угол рефракции составляет порядка 1/6 углового градуса).

Мираж является оптическим явлением в атмосфере, которое делает видимыми предметы,
которые в действительности находится вдали от места наблюдения, отображает
их в искажённом виде или создаёт мнимое изображение.

Миражи бывают нескольких видов: нижние, верхние, боковые миражи и др. Образование
миражей связано с аномальным изменением плотности в нижних слоях атмосферы (что в свою
очередь связано с быстрыми изменениями температуры).

Нижние миражи возникают преимущественно в тех случаях, когда слои воздуха
у поверхности Земли (например, в пустыне) очень сильно разогреты и их плотность становится
аномально низкой. Лучи света, которые исходят от предметов, начинают преломляться
и сильно искривляться. Они описывают дугу у поверхности и идут снизу вверх. В таком
случае можно увидеть предметы как будто зеркально отражёнными в воде, а на самом деле
это перевёрнутые изображения отдалённых объектов (рис. 1). А мнимое изображение неба.
создаёт при этом иллюзию воды на поверхности.

Верхние миражи возникают над сильно охлажденной поверхностью, когда над слоем
холодного воздуха у поверхности образуется более тёплый верхний слой (рис. 2). Верхние
миражи являются наиболее распространёнными в полярных регионах, особенно на больших
ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Изображения предметов, наблюдаемые
прямо в воздухе, могут быть и прямыми, и перевёрнутыми.

Иногда миражи приводят к жертвам. Одним из самых опасных мест является пустыня
Эрг-ор-Рави на севере Африки. Перед уставшими путниками на расстоянии 2-3 километров.
предстают оазисы, реальное расстояние до которых составляет не менее 700 километров.
 

Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) — автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника Птолемей написал ещё книгу «Оптика», в которой описал, в частности, явление преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звёзды.

Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провёл следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на оси линейки L₁ и L₂ так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг неё (см. рисунок). Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.

Как возникают «озёрные» миражи
Для объяснения многих интересных оптических эффектов, наблюдаемых в атмосфере, необходимо учитывать такое явление, как рефракция света. Под этим термином понимают искривление световых лучей при прохождении в атмосфере, вызванное оптической неоднородностью атмосферного воздуха. Причина этого кроется в изменениях плотности воздуха (а значит, и показателя преломления) в зависимости от высоты или при нагревании или охлаждении. Показатель преломления среды определяется формулой n=c/v, где c -- скорость света в вакууме, а v -- скорость света в данной среде. Скорость света v в среде всегда меньше скорости c и зависит, в частности, от плотности среды. Чем плотнее воздух, тем меньше v и, значит, тем больше показатель преломления воздуха. Плотность воздуха понижается при переходе от нижних слоёв атмосферы к верхним. Уменьшается она также при локальном нагревании и даже зависит от ветра.

При рефракции света в атмосфере наблюдатель видит объект не в том направлении, какое соответствует действительности; объект может представляться искажённым, например, диск заходящего солнца, находящегося у самой линии горизонта, кажется сплюснутым по вертикали. Особенно впечатляют явления, получившие название миражей. Различают верхние и нижние («озёрные») миражи.

Нижние миражи возникают над сильно нагретой поверхностью, например, в знойной пустыне или над асфальтовой дорогой в жаркий день. В пустыне непосредственно над горячим песком воздух так сильно нагрет, что его плотность и, соответственно, показатель преломления меньше, чем в более высоких воздушных слоях. На рисунке 1 показано изменение показателя преломления воздуха n c высотой h для пустыни в дневное время суток.

Благодаря неоднородности показателя преломления воздуха c луч света искривляется так, как показано на рисунке 2. Поэтому, когда луч попадает в глаз наблюдателя, то ему кажется, что он исходит из точки A', а не из точки A.

Таким образом, если на горизонте находятся пальмы или другие объекты, то наблюдатель видит их перевёрнутыми и воспринимает как отражения в несуществующих озёрах. Вода в этих «озёрах»  — отражение голубого небосвода. Наблюдателю кажется, что оазис с пальмами находится на расстоянии один-два километра. Но по мере продвижения вперёд «озеро» всё так же находится где-то впереди, а вокруг по-прежнему одни пески. Наблюдать нижний мираж можно не только в пустынях, но и в наших широтах. Например, при поездке на автомобиле в жаркий летний день на асфальтовой дороге, когда она сильно нагрета солнцем, можно увидеть лужи воды впереди автомобиля, хотя дорога сухая. По мере того как автомобиль движется по дороге вперёд, «лужи» отступают всё дальше и дальше, оставаясь недосягаемыми.

Когда мы говорим о чём-то нереальном, неуловимом, мы используем слово «мираж». Он возникает перед наблюдателем чудесным видением, но при попытке приблизиться к нему исчезает. Миражи можно наблюдать не только в пустынях, но и в степях, и даже в более холодных широтах. Хорошо известна легенда из Средних веков о так называемом «Летучем

\n\n

голландце»  — корабле-призраке, вызывавшем суеверный страх у матросов.

\n\n

\n\n

Различают несколько видов миражей. Основными являются нижние, так называемые озёрные, миражи и верхние миражи. «Озёрные» миражи возникают над сильно нагретой поверхностью, например, днём в пустыне. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлаждённой поверхностью, например, над холодной водой.

\n\n

Одной из основных причин возникновения миражей является рефракция света в атмосфере, то есть искривление световых лучей при прохождении в атмосфере, вызванное оптической неоднородностью атмосферного воздуха. Учёные установили, что показатель преломления воздуха  — это непостоянная величина, она зависит от ряда факторов, одним из основных является плотность воздуха. Плотность же воздуха в атмосфере изменяется как с высотой, так и в зависимости от степени локального нагрева или охлаждения. При увеличении плотности воздуха показатель преломления воздуха увеличивается.

\n\n

Известно, что плотность воздуха понижается при переходе от нижних слоёв атмосферы к верхним. Кроме того, она уменьшается также при локальном нагревании и даже зависит от ветра. Рассмотрим, например, как образуется простой верхний мираж. На рисунке 1 показано изменение показателя преломления воздуха n c высотой h для случая, когда воздух у самой поверхности земли локально сильно охлаждён. Как видно из графика, показатель преломления воздуха n у самой поверхности земли больше, чем в более высоких воздушных слоях. На некоторой высоте наблюдается плавный скачок, и далее с ростом высоты показатель преломления n уменьшается уже более медленно.

\n\n

Световые лучи, идущие от какого-либо объекта, находящегося на такой сильно охлаждённой поверхности, будут изгибаться так, что их траектория будет обращена выпуклостью вверх (см. рис. 2). Поэтому наблюдатель может даже видеть объекты, находящиеся за горизонтом, причём он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Недаром такие миражи называют верхними.

\n\n

\n\n

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевёрнутое изображение. Перевёрнутое изображение, как на рисунок 2, возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой достаточно быстро. В случае же относительно медленного уменьшения показателя преломления с высотой формируется прямое изображение.
\n 

\n

Рефракция света в атмосфере – оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов. Вследствие того, что атмосфера является средой оптически неоднородной (с высотой меняется температура, плотность, состав воздуха), лучи света распространяются в ней не прямолинейно, а по некоторой кривой линии. Наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной
к траектории луча в точке наблюдения (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Криволинейное распространение светового луча в атмосфере (сплошная линия) и кажущееся смещение объекта (пунктирная линия)

Показатель преломления зависит не только от свойств воздушных слоёв атмосферы, но и от длины световой волны (дисперсия света). Поэтому рефракция в атмосфере сопровождается разложением светового луча в спектр. Чем меньше длина волны светового луча, тем более сильную рефракцию он испытывает. Например, фиолетовые лучи преломляются сильнее, чем зелёные, а зелёные – сильнее, чем красные. Поэтому чем меньше длина волны луча, тем сильнее будет видимое смещение за счёт рефракции. В результате верхняя каёмка диска Солнца на восходе и закате может оказаться сине-зелёной, нижняя – оранжево-красной (рисунок 2).

Рисунок 2. Пояснение к появлению зелёного луча

Дисперсия солнечных лучей в наиболее явном виде проявляется в самый последний момент захода Солнца. Когда Солнце уходит за горизонт, последним лучом мы должны были бы увидеть фиолетовый. Однако самые коротковолновые лучи – фиолетовые, синие, голубые – на долгом пути в атмосфере (когда Солнце уже у горизонта) настолько сильно рассеиваются, что не доходят до земной поверхности. Кроме того, к лучам этой части спектра менее чувствительны глаза человека. Поэтому последний луч заходящего Солнца оказывается яркого изумрудного цвета. Это явление
и получило название «зелёный луч».

Зелёный луч может наблюдаться при очень прозрачном воздухе, чаще всего на морском горизонте. Если Солнце имеет на закате красный цвет и на него легко смотреть невооружённым глазом, то зелёного луча не будет, поскольку красный цвет солнечного диска указывает на сильное рассеяние атмосферой как синих, так и зелёных лучей.

Проходя через земную атмосферу, поток солнечных лучей частично рассеивается, частично поглощается и до Земли доходит ослабленным.
В видимой части спектра поглощение играет малую роль в сравнении
с рассеянием. Именно за счёт рассеяния происходит главное ослабление световых солнечных лучей.

Рассеяние световых лучей сильно зависит от длины волны. По расчётам английского физика лорда Рэлея, интенсивность рассеянного света в чистом воздухе обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Поэтому, проходя через атмосферу, лучи разных длин волн ослабляются по-разному: короткие световые волны (фиолетово-голубая часть спектра) рассеиваются значительно сильнее длинных (красная часть спектра). Это приводит к тому, что мы видим небо голубым вследствие рассеяния солнечного света в атмосфере Земли.

Крупные частицы пыли практически одинаково рассеивают все длины волн видимого света. Наличие в воздухе сравнительно крупных частичек пыли добавляет к рассеянному голубому свету отражённый частичками пыли свет, то есть почти неизменный свет Солнца. Цвет неба становится в этих условиях белесоватым.

Чем ближе опускается Солнце к горизонту, тем больше ослабляются его лучи (см. рисунок). На рисунке наблюдатель находится на Земле
в точке О. Если Солнце в зените, то есть вертикально над головой, то его лучи проходят в атмосфере путь АО. По мере опускания Солнца к горизонту путь его лучей будет увеличиваться и достигнет максимальной длины (ЕО), когда Солнце окажется на горизонте.

Длина пути, проходимого солнечными лучами в атмосфере, при разной высоте Солнца над горизонтом

На более длинном пути потери коротковолновых, то есть фиолетовых и синих лучей становятся более заметными, и в прямом свете Солнца до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи: красные, оранжевые, жёлтые. Поэтому цвет Солнца по мере его опускания к горизонту становится сначала жёлтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба –– это два следствия одного и того же процесса рассеяния.

В период активности на Солнце наблюдаются вспышки. Вспышка представляет собой нечто подобное взрыву, в результате которого образуется направленный поток очень быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и др.). Потоки заряженных частиц, несущихся с огромной скоростью, изменяют магнитное поле Земли, то есть приводят к появлению магнитных бурь на нашей планете.

Захваченные магнитным полем Земли заряженные частицы движутся
по спирали вдоль линий индукции магнитного поля и наиболее близко
к поверхности Земли проникают в области магнитных полюсов Земли.
В результате столкновений заряженных частиц с молекулами воздуха возникает электромагнитное излучение – полярное сияние.

Цвет полярного сияния определяется химическим составом атмосферы. На высотах от 300 до 500 км от поверхности Земли, где воздух разрежен, преобладает кислород. Цвет сияния здесь может быть зелёным или красноватым. Ниже уже преобладает азот, дающий сияния ярко-красного и фиолетового цвета. Одним из первых исследовал полярное сияние
М.В. Ломоносов в середине XVIII в.

Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы правильно понимаем природу полярного сияния, является его повторение
в лаборатории. Такой эксперимент, получивший название «Аракс», был проведён в 1985 г. совместно советскими и французскими исследователями.

Для эксперимента были выбраны две точки на поверхности Земли, лежащие на одной и той же линии индукции магнитного поля. Этими точками служили: в Южном полушарии – французский остров Кергелен
в Индийском океане и в Северном полушарии – посёлок Согра
в Архангельской области.

С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определённой высоте создал поток электронов. Двигаясь по спирали вдоль линии индукции магнитного поля, эти электроны проникли в Северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой.

Все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Чтобы экспериментально исследовать при неизменной температуре зависимость интенсивности излучения от длины волны, необходимо:

1)  разложить излучение в спектр;

2)  измерить распределение энергии в спектре.

Для получения и исследования спектров служат спектральные аппараты – спектрографы. Схема призменного спектрографа представлена на рисунке. Исследуемое излучение поступает сначала в трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом – собирающая линза L₁. Щель находится в фокусе линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из неё параллельным пучком
и падает на призму Р.

Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные световые пучки разного цвета, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу L₂. На фокусном расстоянии от этой линзы располагается экран, матовое стекло или фотопластинка. Линза L₂ фокусирует параллельные пучки лучей на экране,
и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (точнее, узкому спектральному интервалу) соответствует своё изображение в виде цветной полоски. Все эти изображения вместе
и образуют спектр.

Энергия излучения вызывает нагревание тела, поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощённой
в единицу времени энергии. В качестве чувствительного элемента можно взять тонкую металлическую пластину, покрытую тонким слоем сажи, и по нагреванию пластины судить об энергии излучения в данной части спектра.

Некоторые вещества при освещении электромагнитным излучением сами начинают светиться. Такое свечение, или люминесценция, отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет. Например, если пучок фиолетового света направить на колбочку с раствором красителя флуоресцеина, то освещённая жидкость начинает ярко люминесцировать зелёно-жёлтым светом.

Некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время после того, как освещение их прекратилось. Такое послесвечение может иметь различную длительность: от долей секунды до многих часов. Принято называть свечение, прекращающееся с освещением, флуоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность, –– фосфоресценцией.

Ткани человека содержат большое количество разнообразных природных флуорофоров, которые имеют различные спектральные области флуоресценции. На рисунке представлены спектры свечения основных флуорофоров биологических тканей и шкала электромагнитных волн.

Фосфоресцирующие кристаллические порошки используются для покрытия специальных экранов, сохраняющих своё свечение две-три минуты после освещения. Такие экраны светятся и под действием рентгеновских лучей.

Очень важное применение нашли фосфоресцирующие порошки при изготовлении ламп дневного света. В газоразрядных лампах, наполненных парами ртути, при прохождении электрического тока возникает ультрафиолетовое излучение. Советский физик С.И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность таких ламп специально изготовленным фосфоресцирующим составом, дающим при облучении ультрафиолетом видимый свет. Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно получить спектральный состав излучаемого света, максимально приближенный к спектральному составу дневного света.

Явление люминесценции характеризуется крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда 10 ^–– 10 г светящегося вещества, например, в растворе, чтобы обнаружить это вещество по характерному свечению. Это свойство лежит в основе люминесцентного анализа, который позволяет обнаружить ничтожно малые примеси и судить о загрязнениях или процессах, приводящих к изменению исходного вещества.