Оптические эффекты от солнечного света

И днем и ночью на небе разыгрываются великолепные представления, в которых Солнцу обычно отведена главная роль. Удивительные оптические  эффекты обусловлены игрой солнечного света в атмосфере Земли.

Множество людей собралось 11 августа 1999 г. в разных местах вдоль полосы, протянувшейся  от Атлантического океана до Бенгальского залива в Индии в ожидании полного солнечного затмения. Но на небе можно увидеть и другие удивительные явления с участием солнечных лучей и магнитных полей.

Солнечный ветер

Светящийся слой Солнца – фотосфера – нагрет примерно до 6000°С и состоит преимущественно из атомов водорода. Над фотосферой и лежащей еще выше хромосферой простирается солнечная корона, раскаленная до 2 000 000°С. При такой огромной температуре покинувшие фотосферу атомы теряют свои электроны, и образуется плазма – ионизированный газ. Часть плазмы вырывается из пут магнитного поля Солнца и устремляется в космос, в том числе в направлении Земли. Это явление называют солнечным ветром. Скорость солнечного ветра в окрестностях Земли около 400 км/с. Некоторые из образующих его частиц – протонов и электронов — достигают наружных слоев земной атмосферы. Сочетание солнечного ветра и магнитного поля Земли приводит к появлению в небе потрясающей картины – светящихся широких лент, напоминающих огромные занавесы или полотнища. Это полярное сияние.

Полярное сияние

Полярное сияние можно одновременно наблюдать в северных и южных приполярных районах, недалеко от магнитных полюсов Земли. При вторжении в земную атмосферу протоны и электроны солнечного ветра сталкиваются с молекулами кислорода и азота в областях, расположенных над Северным и Южным полюсами. При этом молекулы превращаются в ионы, теряя электрон, или получают дополнительную энергию и переходят в возбужденное состояние. Возбужденные молекулы вновь обретают стабильность, испуская свет с определенной длиной волны.

На высоте около 400 км кислорода в воздухе достаточно, чтобы возникающий под действием солнечного ветра свет был преимущественно зеленым. На высоте 90 км преобладает доля азота. Некоторые электроны солнечного ветра с энергией в 1000 раз больше энергии электронов, ответственных за зеленое сияние, могут приводить здесь в возбуждение атомы азота. При возвращении в стабильное состояние эти атомы испускают красный свет.

Оптические обманы

Иногда вокруг Солнца или Луны можно увидеть необычные круги и светящиеся пятна — гало. Этот эффект связан с обычным оптическим явлением – дифракцией света, которая может происходить высоко в небе на капельках воды или кристалликах льда. Из-за дифракции мы видим вокруг Солнца или Луны радужное святящееся кольцо, синеватое внутри и красноватое снаружи. Вокруг первого кольца порой образуется еще одно или даже несколько колец с тем же набором цветов в той же последовательности. Их размер зависит от величины капелек воды, взвешенных высоко в атмосфере.

Чаще всего гало вокруг Солнца видно в холодных и приполярных районах. Кроме колец, при этом временами наблюдаются паргелии, или ложные солнца, — яркие пятна света по сторонам от истинного Солнца. Наблюдать за такими явлениями следует очень осторожно. Прямой солнечный свет опасен для глаз.

Во время полета на самолете вам, возможно, приходилось видеть окруженную ярким радужным кольцом тень, которую он отбрасывает на облака. Это явление называют глорией (от лат. gloria — «сияние», «ореол»). Оно наблюдается всегда в направлении, противоположном Солнцу, и так же, как гало, вызывается дифракцией солнечного света при прохождении сквозь капельки воды. Подобную картину можно наблюдать во время горных походов, если, стоя спиной к солнцу, смотреть на лежащие внизу облака. Тень наблюдателя, падающая на пелену облаков, оказывается окружена кольцом, которое именуют Брокенским призраком — по названию горы, где проводились первые специальные наблюдения за этим явлением и было составлено его научное описание.

Разноцветный мир

физики установили, что свет представляет собой электромагнитные волны, колеблющиеся с определенной частотой и имеющие поэтому определенную длину волны. В пределах радуги частота световых волн возрастает от красного края к фиолетовому. Но цвета радуги составляют лишь небольшую часть спектра — видимую. Волны, существующие за его пределами, рецепторы наших глаз не воспринимают.

Длиннее красных волн – инфракрасные, а короче фиолетовых — ультрафиолетовые. Радиотелескопы регистрируют радиоволны, которые еще длиннее инфракрасных. Очень немногие объекты излучают свет. Большинство мы видим, потому что они его отражают. Все вещества поглощают часть света, исходящего от Солнца, ламп и других источников, часть могут пропускать, а часть (световые волны определенной длины) отражают обратно. Поэтому наш мир и окрашен в разные цвета. Видимый цвет – это цвет отраженной части спектра. Если подойти к экрану телевизора, на котором показывают снег, станет видно, что поверхность экрана состоит из групп, каждая из которых образована тремя светящимися элементами – красным, зеленым и синим.

Когда все три цвета в пучках одинаково яркие, на расстоянии мы воспринимаем их как один белый участок экрана. Эти три цвета являются основными, когда речь идет об объектах, излучающих свой свет, как, например, Солнце, монитор компьютера или экран телевизора, а не видимых благодаря отраженному свету, как, скажем, картина или банановая кожура.

Смешение двух основных цветов в равных пропорциях дает вторичные цвета: красный с зеленым — желтый, зеленый с синим – голубой, красный с синим — пурпурный. Меняя пропорции красного, зеленого и синего, можно создавать разные оттенки. При смешении вторичных цветов можно снова получить основные: пурпурный с голубым дают синий, желтый с пурпурным – красный, голубой с желтым – зеленый. Все цветные иллюстрации воспроизводятся с помощью комбинаций трех вторичных цветов и черного.

Банановая кожура выглядит желтой потому, что вещества, составляющие его кожуру, поглощают синие лучи, а красные и зеленые отражают. Вода в лагуне кажется голубой потому, что поглощает красную составляющую дневного света и отражает синюю и зеленую. Если тело поглощает все компоненты видимого света, мы воспринимаем его как черное, а белый предмет, наоборот, отражает все цвета, то есть все световые волны.

Из голубого цвета в красный

Если поместить ложку в стакан с водой, из-за преломления света она кажется надломленной на границе между водой и воздухом. Свет, идущий от Солнца сквозь межпланетное пространство, движется в пустоте, поэтому прямолинейно. Входя в атмосферу Земли, он преломляется и рассеивается в воздухе, а также в капельках воды и кристалликах льда. Преломляя солнечные лучи, атмосфера действует как призма, разделяя белый свет на составляющие с разной длиной волны. Но при этом небо не окрашивается всеми цветами радуги. Когда солнце находится высоко над горизонтом, молекулы воздуха рассеивают главным образом голубую составляющую света. Поэтому днем мы и видим голубое небо.

Вечером между заходящим солнцем и нами оказывается более толстый слой атмосферы. Рассеивание света на пути к поверхности земли приводит к тому, что голубые лучи не доходят до нас вовсе, а нашего поля зрения достигают преимущественно красные. Это же явление можно наблюдать при восходе солнца, а также при восходе и закате луны.

Зеленый луч

Прежде чем исчезнуть за горизонтом, солнце готовит еще один сюрприз. Оно выглядит на закате как красный полукруг, на который можно без вреда для себя смотреть невооруженным глазом. Солнечный диск постепенно уходит за горизонт, и в поле зрения остается лишь крошечная узкая полоска. За десятые доли секунды до того, как она окончательно скроется из глаз, можно увидеть явственную зеленую вспышку – так называемый зеленый луч.

В этот момент достигающий нас солнечный свет исходит из одной точки и атмосфера играет роль призмы. Последний солнечный луч, преломляясь, разбивается на все цвета спектра. При этом наблюдатель, находящийся на уровне моря, видит зеленую его составляющую, а тот, кто поднялся высоко в горы, — синюю и фиолетовую.

Радуга — союз воды и света

Радуга появляется после дождя из-за преломления солнечных лучей в дождевых каплях. Чтобы увидеть ее, надо встать спиной к солнцу. Взвешенные в воздухе капли действуют как маленькие призмы. Проходя из воздушной среды в водную и обратно, солнечный свет разделяется на световые волны 7 цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового.

Отразившись от внутренней стенки дождевой капли, свет выходит наружу под углом примерно 42° к своему первоначальному направлению и, достигая глаз наблюдателя, создает видимость разноцветной дуги, расположенной перед завесой дождя и всегда перпендикулярно углу зрения. Поскольку угол преломления для красного цвета меньше, чем для фиолетового, то у большой и яркой первичной радуги внешний край всегда красный, а внутренний – фиолетовый.

Совместное действие света и воды может проявлять себя и более сложным образом в случае двукратного отражения света от внутренней поверхности капли. При этом свет выходит из капли под углом около 52° по отношению к углу падения и образует менее яркую вторичную радугу, которая охватывает первичную. Дважды отражаясь от внутренней поверхности капли, лучи переворачиваются, и теперь уже внешний край радуги оказывается фиолетовым, а внутренний — красным. Область между первичной и вторичной радугами называют темной александровой полосой.

В выгодном свете

Чем ниже солнце стоит над горизонтом, тем выше и ярче радуга, а чем крупнее дождевые капли, тем шире ее полоса. Размер капель зависит от многих факторов, в частности от температуры и давления в тучах, а также от их высоты и величины. Капли диаметром около миллиметра дают большие и яркие радуги, а микроскопические капли тумана — маленькие и бледные. Не только Солнце, но и другие источники света могут вызывать радугу. Она бывает даже от Луны, хотя и едва заметная.