Оптические явления в атмосфере (ЕГЭ-ОГЭ)

Опти́ческие явле́ния в атмосфе́ре (цвет не́ба, рефра́кция, ра́дуга, мира́ж) — оптические явления в атмосфере Земли, вызванные взаимодействием электромагнитного излучения (обычно видимого диапазона) и атмосферой земли или происходящими в ней процессами.

Электромагнитное излучение, в частности, видимого диапазона, рассеивается в атмосфере Земли. Механизмы рассеяния разные, визуально наблюдение результатов рассеяния зависит от многих факторов — влажности, толщины атмосферы или оптического пути, проходимого излучением, наличия в атмосфере пыли, турбулентных вихрей, температуры поверхности Земли и воздушных слоёв, воздушных потоков и их скоростей, структуры атмосферы и др.

Как правило, мы наблюдаем диффузное излучение неба — солнечное излучение, достигающее земной поверхности после того, как оно было рассеяно на молекулах или твёрдых частицах в атмосфере. Из всего излучения Солнца, рассеивающегося в атмосфере, около двух третей в конечном счёте достигает Земли как диффузное излучение (если Солнце находится высоко над горизонтом, рассеивается не менее 25 % падающего излучения).

Основные механизмы рассеяния света в атмосфере (рассеяние Рэлея, рассеяние Ми) являются упругими, то есть при этом происходит смена направления излучения без изменения длины волны.

Небо выглядит голубым по той причине, что воздух рассеивает свет с короткой длиной волны сильнее длинноволнового излучения света. Интенсивность рассеяния Рэлея, обусловленного флуктуациями количества молекул газов воздуха в объёмах, соизмеримых с длинами волн света, обратно пропорционально четвёртой степени длины волны:

${\displaystyle I_{\text{Рэлея}}={\frac {1}{\lambda ^{4}}},}$

где ${\displaystyle \lambda }$ — длина волны, то есть фиолетовый участок видимого спектра рассеивается приблизительно в 16 раз интенсивнее красного. Так как излучение синего цвета имеет более короткую длину волны, в конце видимого спектра, он больше рассеивается в атмосфере, чем красный. Благодаря этому участок неба вне направления на Солнце имеет голубой цвет (но не фиолетовый, так как интенсивность излучения в солнечном спектре неравномерна и интенсивность в фиолетовом участке спектра в нём меньше, а также вследствие меньшей чувствительности глаза к фиолетовому цвету и большей к синему, который раздражает не только чувствительные к синему цвету колбочки в сетчатке, но и колбочки, чувствительные к красным и зелёным лучам).

Во время заката и рассвета прямой солнечный свет проходит по касательной к земной поверхности, так что путь, проходимый светом в атмосфере, становится намного больше, чем днём. Из-за этого бо́льшая часть синего и даже зелёного света рассеивается в стороны из прямого солнечного света, поэтому прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небо вблизи горизонта, окрашиваются в красные тона.

При другом составе атмосферы, например, на других планетах, цвет неба, в том числе и при закате светила, может быть другим. Например, цвет неба на Марсе красновато-розовый.

Рассеяние и поглощение — главные причины ослабления интенсивности света в атмосфере. Рассеяние меняется как функция от отношения диаметра рассеивающей частицы к длине волны света. Когда это отношение меньше 1/10, возникает рэлеевское рассеяние, при котором коэффициент рассеяния пропорционален . При бо́льших отношениях размера рассеивающих частиц к длине волны закон рассеяния изменяется согласно уравнению Гюстава Ми; когда же это отношение больше 10, с достаточной для практики точностью применимы законы геометрической оптики.

Рефракция света. Многократным преломлением (отчасти и отражением) в мелких прозрачных элементах структуры (снежинках, волокнах бумаги, пузырьках) объясняются свойства матовых (не зеркальных) отражающих поверхностей, таких как белый снег, бумага, белая пена.

Рефракцией в атмосфере Земли объясняются многие зрительные эффекты. Например, при определённых метеорологических условиях Земля (с небольшой высоты) представляется наблюдателю как вогнутая чаша (а не часть выпуклого шара). Из-за рефракции кажется, что звёзды «мерцают». Также, преломление света в атмосфере приводит к тому, что мы наблюдаем восход солнца (и вообще любого небесного светила) несколько раньше, а закат несколько позже, чем это имело бы место при отсутствии атмосферы. По той же причине на горизонте диск Солнца выглядит немного сплющенным вдоль горизонтали.

Ра́дуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света (в природе Солнцем или Луной — см. лунная радуга) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра видимого излучения (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге, но 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, в антисолнечной точке; при этом солнце всегда находится за спиной наблюдателя. Угловой радиус окружности — 42 градуса. Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга окружности, чем ниже солнце над горизонтом, тем ближе дуга к половине окружности, а высота верхушки радуги над землёй — к 42 градусам. Чем выше точка наблюдения, тем дуга полнее (с самолёта можно увидеть и полную окружность). Когда солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, окружность возможного появления радуги оказывается ниже уровня земли, и наблюдатель, находящийся на её поверхности, увидеть радугу не может. Приблизиться к радуге, как и к горизонту, нельзя. При наблюдении с высокой точки возможно наблюдать круговую радугу.

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления 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 свет разлагается в спектр. Наблюдатель, стоящий спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).

Мираж — оптическое явление в атмосфере, при котором лучи света изгибаются так, что происходит перемещение изображения предмета.

В отличие от галлюцинаций, мираж является реальным оптическим явлением, которое может быть снято на камеру, так как лучи света на самом деле преломляются и формируют ложное изображение, которое наблюдается при мираже. Разновидностью миража является фата-моргана, состоящая из нескольких форм миражей, когда отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями.

Мираж выглядит как перевёрнутый объект. Это оптическое явление происходит из-за того, что лучи света сильно изгибаются, когда проходят через слои воздуха с быстро меняющейся по высоте температурой в температурной инверсии, которые формируют атмосферный волновод. В безветренную погоду слой значительно более тёплого воздуха, лежащий над слоем холодного плотного воздуха (температурная инверсия), образует атмосферный канал, который действует как преломляющая линза и создаёт перевёрнутое изображение.

Фата-моргана является очень сложной формой миража, которая видна в узкой полосе прямо над горизонтом. Название произошло от Феи Морганы, одной из действующих лиц цикла легенд о короле Артуре. По легенде, этот мираж создаёт колдунья. Он демонстрирует сказочные замки в воздухе или несуществующие земли, предназначенные для того, чтобы заманить моряков на смерть.

Фата-моргану можно увидеть на суше или на море, в полярных регионах или в пустынях. Этот тип миража может включать практически любой вид удалённого объекта, в том числе такие как корабли, острова и побережья.

Зелёный луч — оптическое явление, которое происходит вскоре после заката или перед восходом солнца и выглядит как вспышка зелёного света, длящаяся несколько секунд. Зелёный луч можно наблюдать и с Луны, и на ярких планетах на горизонте, в том числе на Венере и Юпитере.