Experimentele lui Ptolemeu asupra refracției luminii. Refracția astronomică Experimentele lui Thomson și descoperirea electronului
Astronomul grec Claudius Ptolemeu (c. 130 d.Hr.) este autorul unei cărți remarcabile care a servit drept manual principal de astronomie timp de aproape 15 secole. Cu toate acestea, pe lângă manualul de astronomie, Ptolemeu a scris și cartea „Optică”, în care a conturat teoria viziunii, teoria oglinzilor plate și sferice și studiul fenomenului refracției luminii. Ptolemeu a întâlnit fenomenul refracției luminii în timp ce observa stelele. El a observat că o rază de lumină, care trece de la un mediu la altul, „se rupe”. Prin urmare, o rază de stea, care trece prin atmosfera pământului, ajunge la suprafața pământului nu în linie dreaptă, ci de-a lungul unei linii curbe, adică are loc refracția. Curbura fasciculului apare datorită faptului că densitatea aerului se modifică odată cu altitudinea.
Pentru a studia legea refracției, Ptolemeu a efectuat următorul experiment. A luat un cerc și a fixat riglele l1 și l2 pe axă, astfel încât să se poată roti liber în jurul lui (vezi figura). Ptolemeu a scufundat acest cerc în apă până la diametrul AB și, întorcând rigla inferioară, s-a asigurat că riglele stau pe aceeași linie dreaptă pentru ochi (dacă privești de-a lungul riglei superioare). După aceea, a scos cercul din apă și a comparat unghiurile de incidență α și de refracție β. A măsurat unghiuri cu o precizie de 0,5°. Numerele obținute de Ptolemeu sunt prezentate în tabel.
Ptolemeu nu a găsit o „formulă” pentru relația dintre aceste două serii de numere. Totuși, dacă determinăm sinusurile acestor unghiuri, se dovedește că raportul sinusurilor este exprimat practic prin același număr, chiar și cu o măsurare atât de grosieră a unghiurilor, la care a recurs Ptolemeu.
Datorită refracției luminii într-o atmosferă calmă, poziția aparentă a stelelor pe cer în raport cu orizont
1) mai mare decât poziţia reală
2) sub poziția actuală
3) deplasat într-o parte sau alta vertical în raport cu poziția actuală
4) se potrivește cu poziția actuală
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Într-o atmosferă calmă, se observă poziția stelelor care nu sunt perpendiculare pe suprafața Pământului în punctul în care se află observatorul. Care este poziția aparentă a stelelor - deasupra sau sub poziția lor reală față de orizont? Explicați-vă răspunsul.
Sfârșitul formularului
Începutul formei
În text, refracția se referă la fenomen
1) modificări ale direcției de propagare a unui fascicul de lumină datorită reflexiei la limita atmosferei
2) modificări ale direcției de propagare a unui fascicul de lumină datorită refracției în atmosfera Pământului
3) absorbția luminii pe măsură ce aceasta se propagă prin atmosfera Pământului
4) îndoirea fasciculului de lumină în jurul obstacolelor și, prin urmare, abaterea de la propagarea rectilinie
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Care dintre următoarele concluzii contrazice Experimentele lui Ptolemeu?
1) unghiul de refracție este mai mic decât unghiul de incidență atunci când fasciculul trece din aer în apă
2) Pe măsură ce unghiul de incidență crește, unghiul de refracție crește liniar
3) raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție nu se modifică
4) sinusul unghiului de refracție depinde liniar de sinusul unghiului de incidență
Sfârșitul formularului
Sfârșitul formularului
Sfârșitul formularului
Fotoluminiscență
Unele substanțe în sine încep să strălucească atunci când sunt iluminate de radiații electromagnetice. Această strălucire, sau luminiscență, are o caracteristică importantă: lumina luminiscentă are o compoziție spectrală diferită de lumina care a provocat strălucirea. Observațiile arată că lumina de luminescență are o lungime de undă mai mare decât lumina excitantă. De exemplu, dacă un fascicul de lumină violetă este îndreptat către un con care conține o soluție de fluoresceină, lichidul iluminat începe să luminesce puternic cu lumină verde-gălbuie.
Unele corpuri își păstrează capacitatea de a străluci pentru un timp după ce iluminarea lor a încetat. Această strălucire ulterioară poate avea durate diferite: de la o fracțiune de secundă la multe ore. Se obișnuiește să se numească o strălucire care se oprește cu fluorescența iluminării, iar o strălucire care are o durată notabilă este fosforescența.
Pulberile cristaline fosforescente sunt folosite pentru a acoperi ecranele speciale care își păstrează strălucirea timp de două până la trei minute după iluminare. Astfel de ecrane strălucesc și atunci când sunt expuse la raze X.
Pulberile fosforescente au găsit o utilizare foarte importantă în fabricarea lămpilor fluorescente. În lămpile cu descărcare în gaz umplute cu vapori de mercur, radiația ultravioletă apare atunci când trece un curent electric. Fizicianul sovietic S.I. Vavilov a propus acoperirea suprafeței interioare a unor astfel de lămpi cu o compoziție fosforescentă special pregătită, care produce lumină vizibilă atunci când este iradiată cu lumină ultravioletă. Prin selectarea compoziției substanței fosforescente, se poate obține compoziția spectrală a luminii emise cât mai aproape de compoziția spectrală a luminii de zi.
Fenomenul de luminescență se caracterizează printr-o sensibilitate extrem de ridicată: uneori 10 – 10 g dintr-o substanță luminoasă, de exemplu într-o soluție, sunt suficiente pentru a detecta această substanță prin strălucirea sa caracteristică. Această proprietate stă la baza analizei luminiscente, care face posibilă detectarea impurităților neglijabile și evaluarea contaminanților sau proceselor care duc la modificări ale substanței originale.
Țesuturile umane conțin un număr mare de fluorofori naturali diferiți, care au regiuni spectrale de fluorescență diferite. Figura prezintă spectrele de emisie ale principalelor fluorofore ale țesuturilor biologice și scara undelor electromagnetice.
Conform datelor prezentate, piroxidina strălucește
1) lumina rosie
2) lumina galbena
3) lumina verde
4) lumină violetă
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Două cristale identice, care au proprietatea de fosforescent în partea galbenă a spectrului, au fost iluminate preliminar: primul cu raze roșii, al doilea cu raze albastre. Pentru care dintre cristale poate fi observată strălucirea? Explicați-vă răspunsul.
Sfârșitul formularului
Începutul formei
La examinarea produselor alimentare, metoda luminiscenței poate fi utilizată pentru a identifica deteriorarea și falsificarea produselor.
Tabelul prezintă indicatorii de luminescență ai grăsimilor.
Culoarea luminiscenței untului s-a schimbat de la galben-verde la albastru. Aceasta înseamnă că este posibil să fi fost adăugat untul
1) doar margarina cremoasa
2) doar margarină „Extra”.
3) numai untură de legume
4) oricare dintre următoarele grăsimi
Sfârșitul formularului
Albedo al Pământului
Temperatura de la suprafața Pământului depinde de reflectivitatea planetei - albedo. Albedo de suprafață este raportul dintre fluxul de energie al razelor solare reflectate și fluxul de energie al razelor solare incidente pe suprafață, exprimat ca procent sau fracțiune de unitate. Albedo-ul Pământului în partea vizibilă a spectrului este de aproximativ 40%. În lipsa norilor ar fi aproximativ 15%.
Albedo depinde de mulți factori: prezența și starea înnorării, modificările ghețarilor, perioada anului și, în consecință, precipitațiile.
În anii 90 ai secolului XX, rolul semnificativ al aerosolilor – „nori” de particule minuscule solide și lichide din atmosferă – a devenit evident. Când combustibilul este ars, sulf gazos și oxizi de azot sunt eliberați în aer; Combinându-se în atmosferă cu picăturile de apă, ele formează acizi sulfuric, azotic și amoniac, care apoi se transformă în aerosoli de sulfat și azotat. Aerosolii nu reflectă doar lumina soarelui, împiedicând-o să ajungă la suprafața Pământului. Particulele de aerosoli servesc ca nuclee de condensare pentru umiditatea atmosferică în timpul formării norilor și, prin urmare, contribuie la creșterea tulburării. Și aceasta, la rândul său, reduce fluxul de căldură solară către suprafața pământului.
Transparența la lumina soarelui în straturile inferioare ale atmosferei pământului depinde și de incendii. Din cauza incendiilor, în atmosferă se ridică praful și funinginea, care acoperă Pământul cu un ecran dens și măresc albedo-ul suprafeței.
Care afirmații sunt adevărate?
O. Aerosolii reflectă lumina soarelui și, prin urmare, ajută la reducerea albedo-ului Pământului.
B. Erupțiile vulcanice cresc albedoul Pământului.
1) doar A
2) doar B
3) atât A cât și B
4) nici A, nici B
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Tabelul prezintă câteva caracteristici pentru planetele sistemului solar - Venus și Marte. Se știe că albedo-ul lui Venus A 1= 0,76 și albedo-ul lui Marte A 2= 0,15. Care dintre caracteristici a influențat în principal diferența de albedo al planetelor?
1) O 2) B 3) ÎN 4) G
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Crește sau scade albedoul Pământului în timpul erupțiilor vulcanice? Explicați-vă răspunsul.
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Se referă albedo de suprafață
1) fluxul total de raze solare incidente pe suprafața Pământului
2) raportul dintre fluxul de energie de radiație reflectată și fluxul de radiație absorbit
3) raportul dintre fluxul de energie de radiație reflectată și fluxul de radiație incidentă
4) diferența dintre energia radiației incidente și reflectată
Sfârșitul formularului
Studiul spectrelor
Toate corpurile încălzite emit unde electromagnetice. Pentru a studia experimental dependența intensității radiației de lungimea de undă, este necesar:
1) descompune radiația într-un spectru;
2) măsurați distribuția energiei în spectru.
Dispozitivele spectrale – spectrografele – sunt folosite pentru obținerea și studierea spectrelor. Diagrama spectrografului cu prismă este prezentată în figură. Radiația studiată intră mai întâi într-un tub, la un capăt al căruia se află un ecran cu o fantă îngustă, iar la celălalt - o lentilă de colectare L 1. Fanta se află în punctul focal al lentilei. Prin urmare, un fascicul de lumină divergent incident pe lentilă din fantă iese din acesta ca un fascicul paralel și cade pe prismă R.
Deoarece frecvențe diferite corespund indicilor de refracție diferiți, din prismă ies fascicule paralele de diferite culori, dar nu coincid în direcție. Cad pe lentilă L 2. La distanța focală a acestui obiectiv se află un ecran, sticlă șlefuită sau placă fotografică. Obiectiv L 2 focalizează fascicule paralele de raze pe ecran și, în loc de o singură imagine a fantei, se obține o serie întreagă de imagini. Fiecare frecvență (mai precis, un interval spectral îngust) are propria imagine sub forma unei dungi colorate. Toate aceste imagini împreună
și formează un spectru.
Energia radiațiilor determină încălzirea corpului, așa că este suficient să măsurați temperatura corpului și să o folosiți pentru a evalua cantitatea de energie absorbită pe unitatea de timp. Ca element sensibil, puteți lua o placă metalică subțire acoperită cu un strat subțire de funingine și, prin încălzirea plăcii, puteți judeca energia radiației într-o anumită parte a spectrului.
Descompunerea luminii într-un spectru în aparatul prezentat în figură se bazează pe
1) fenomen de dispersie a luminii
2) fenomen de reflexie a luminii
3) fenomen de absorbție a luminii
4) proprietățile unei lentile subțiri
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Într-un dispozitiv spectrograf cu prismă, lentila L 2 (vezi figura) este folosit pentru
1) descompunerea luminii în spectru
2) focalizarea razelor de o anumită frecvență într-o bandă îngustă de pe ecran
3) determinarea intensității radiațiilor în diferite părți ale spectrului
4) transformând un fascicul de lumină divergent în raze paralele
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Este necesar să acoperiți placa metalică a unui termometru folosit într-un spectrograf cu un strat de funingine? Explicați-vă răspunsul.
Sfârșitul formularului
Începutul formei
Trecând prin atmosfera pământului, razele de lumină își schimbă direcția dreaptă. Datorită creșterii densității atmosferice, refracția razelor de lumină crește pe măsură ce se apropie de suprafața Pământului. Drept urmare, observatorul vede corpurile cerești ca și cum ar fi ridicate deasupra orizontului printr-un unghi numit refracție astronomică.
Refracția este una dintre principalele surse ale erorilor de observare, atât sistematice, cât și aleatorii. În 1906 Newcomb a scris că nu există nicio ramură a astronomiei practice despre care s-a scris atât de mult ca refracția și care ar fi într-o stare atât de nesatisfăcătoare. Până la mijlocul secolului al XX-lea, astronomii și-au redus observațiile folosind tabele de refracție compilate în secolul al XIX-lea. Principalul dezavantaj al tuturor teoriilor vechi a fost o înțelegere inexactă a structurii atmosferei pământului.
Să luăm suprafața Pământului AB ca o sferă cu raza OA=R și să ne imaginăm atmosfera Pământului sub forma unor straturi concentrice cu ea aw, un 1 în 1 și 2 în 2...cu densitățile crescând pe măsură ce straturile se apropie de suprafața pământului (Fig. 2.7). Atunci o rază SA dintr-un corp foarte îndepărtat, refractată în atmosferă, va ajunge în punctul A în direcția S¢A, deviând de la poziția sa inițială SA sau de la direcția S²A paralelă cu acesta cu un anumit unghi S¢AS²= r, numită refracție astronomică. Toate elementele razei curbe SA și direcția sa aparentă finală AS¢ se vor afla în același plan vertical ZAOS. În consecință, refracția astronomică nu face decât să mărească direcția reală către luminare în planul vertical care trece prin acesta.
Înălțimea unghiulară a unei stele deasupra orizontului în astronomie se numește înălțimea stelei. Unghiul S¢AH = h¢ va fi înălțimea aparentă a stelei și unghiul S²AH = h = h¢ - r este adevărata ei înălțime. Colţ z este adevărata distanță zenitală a luminii și z¢ este valoarea sa vizibilă.
Cantitatea de refracție depinde de mulți factori și se poate schimba în fiecare loc de pe Pământ, chiar și într-o zi. Pentru condiții medii, s-a obținut o formulă de refracție aproximativă:
Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)
Coeficientul 0,9666 corespunde densității atmosferei la o temperatură de +10°C și o presiune de 760 mm Hg. Dacă caracteristicile atmosferei sunt diferite, atunci corecția pentru refracție, calculată conform formulei (2.1), trebuie corectată prin corecții pentru temperatură și presiune.
Fig. 2.7 Refracția astronomică
Pentru a lua în considerare refracția astronomică în metodele zenitale de determinări astronomice, temperatura și presiunea aerului sunt măsurate în timpul observării distanțelor zenitale ale corpurilor de iluminat. În metodele precise de determinări astronomice, distanțele zenitale ale corpurilor de iluminat sunt măsurate în intervalul de la 10° la 60°. Limita superioară se datorează erorilor instrumentale, limita inferioară se datorează erorilor din tabelele de refracție.
Distanța zenitală a luminii, corectată prin corecția de refracție, se calculează prin formula:
Refracția medie (normală la o temperatură de +10°C și o presiune de 760 mm Hg.), calculată prin z¢;
Un coeficient care ia în considerare temperatura aerului, calculat din valoarea temperaturii;
B– coeficient luând în considerare presiunea aerului.
Mulți oameni de știință au studiat teoria refracției. Inițial, ipoteza inițială a fost că densitatea diferitelor straturi ale atmosferei scade odată cu creșterea înălțimii acestor straturi într-o progresie aritmetică (Bouguer). Dar această presupunere a fost curând recunoscută ca nesatisfăcătoare din toate punctele de vedere, deoarece a condus la o valoare prea mică a refracției și la o scădere prea rapidă a temperaturii cu înălțimea deasupra suprafeței Pământului.
Newton a emis ipoteza că densitatea atmosferei scade odată cu înălțimea conform legii progresiei geometrice. Și această ipoteză s-a dovedit a fi nesatisfăcătoare. Conform acestei ipoteze, s-a dovedit că temperatura din toate straturile atmosferei ar trebui să rămână constantă și egală cu temperatura de pe suprafața Pământului.
Cea mai ingenioasă a fost ipoteza lui Laplace, intermediară între cele două de mai sus. Tabelele de refracție care erau publicate anual în calendarul astronomic francez s-au bazat pe această ipoteză Laplace.
Atmosfera Pământului cu instabilitatea ei (turbulențe, variații de refracție) pune o limită pentru acuratețea observațiilor astronomice de pe Pământ.
Atunci când alegeți un loc pentru instalarea de instrumente astronomice mari, astroclimatul zonei este mai întâi studiat cuprinzător, care este înțeles ca un set de factori care distorsionează forma frontului de undă al radiației de la obiectele cerești care trec prin atmosferă. Dacă frontul de undă ajunge la dispozitiv nedistorsionat, atunci dispozitivul în acest caz poate funcționa cu eficiență maximă (cu o rezoluție apropiată de cea teoretică).
După cum sa dovedit, calitatea imaginii telescopice este redusă în principal din cauza interferențelor introduse de stratul de sol al atmosferei. Pământul, datorită propriei radiații termice pe timp de noapte, se răcește semnificativ și răcește stratul de aer adiacent. O modificare a temperaturii aerului cu 1°C își modifică indicele de refracție cu 10 -6. Pe vârfurile muntoase izolate, grosimea stratului de sol de aer cu o diferență semnificativă de temperatură (gradient) poate atinge câteva zeci de metri. În văi și în zonele plate pe timp de noapte, acest strat este mult mai gros și poate ajunge la sute de metri. Așa se explică alegerea locurilor pentru observatoare astronomice pe pintenii crestelor și pe vârfuri izolate, de unde aerul rece mai dens poate curge în văi. Înălțimea turnului telescopului este aleasă astfel încât instrumentul să fie situat deasupra regiunii principale a neomogenităților de temperatură.
Un factor important în astroclimat este vântul din stratul de suprafață al atmosferei. Amestecând straturi de aer rece și cald, provoacă apariția unor neomogenități de densitate în coloana de aer de deasupra dispozitivului. Neomogenitățile ale căror dimensiuni sunt mai mici decât diametrul telescopului duc la defocalizarea imaginii. Fluctuațiile mai mari ale densității (câțiva metri sau mai mari) nu provoacă distorsiuni ascuțite ale frontului de undă și duc în principal la deplasare mai degrabă decât la defocalizarea imaginii.
În straturile superioare ale atmosferei (la tropopauză) se observă și fluctuații ale densității și indicelui de refracție al aerului. Dar tulburările din tropopauză nu afectează în mod semnificativ calitatea imaginilor produse de instrumentele optice, deoarece gradienții de temperatură sunt mult mai mici decât în stratul de suprafață. Aceste straturi nu provoacă tremur, ci sclipirea stelelor.
În studiile astroclimatice se stabilește o legătură între numărul de zile senine înregistrate de serviciul meteo și numărul de nopți potrivite pentru observații astronomice. Cele mai avantajoase zone, conform analizei astroclimatice a teritoriului fostei URSS, sunt unele regiuni muntoase ale statelor din Asia Centrală.
Refracția terestră
Razele de la obiectele de la sol, dacă parcurg un drum suficient de lung în atmosferă, experimentează și refracția. Traiectoria razelor este îndoită sub influența refracției și le vedem în locuri greșite sau în direcția greșită unde se află de fapt. În anumite condiții, ca urmare a refracției terestre, apar miraje - imagini false ale obiectelor îndepărtate.
Unghiul de refracție terestră a este unghiul dintre direcția față de poziția aparentă și cea reală a obiectului observat (Fig. 2.8). Valoarea unghiului a depinde de distanța până la obiectul observat și de gradientul vertical de temperatură în stratul de suprafață al atmosferei, în care are loc propagarea razelor de la obiectele de la sol.
Fig.2.8. Manifestarea refracției terestre în timpul observării:
a) – de jos în sus, b) – de sus în jos, a – unghi de refracție terestră
Intervalul de vizibilitate geodezică (geometrică) este asociat cu refracția terestră (Fig. 2.9). Să presupunem că observatorul se află în punctul A la o anumită înălțime hH deasupra suprafeței pământului și observă orizontul în direcția punctului B. Planul NAN este un plan orizontal care trece prin punctul A perpendicular pe raza globului, numit planul orizontului matematic. Dacă razele de lumină s-ar propaga rectiliniu în atmosferă, atunci cel mai îndepărtat punct de pe Pământ pe care l-ar putea vedea un observator din punctul A ar fi punctul B. Distanța până la acest punct (tangenta AB la glob) este intervalul de vizibilitate geodezică (sau geometrică). D 0 . O linie circulară pe suprafața pământului exploziv este orizontul geodezic (sau geometric) al observatorului. Valoarea lui D 0 este determinată numai de parametrii geometrici: raza Pământului R și înălțimea h H a observatorului și este egală cu D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H, care rezultă din Fig. 2.9.
Fig.2.9. Refracția terestră: orizonturi matematice (NN) și geodezice (BB), interval de vizibilitate geodezică (AB=D 0)
Dacă un observator observă un obiect situat la o înălțime h deasupra suprafeței Pământului, atunci intervalul geodezic va fi distanța AC = 3,57(√ h H + √ h pr). Aceste afirmații ar fi adevărate dacă lumina ar călători în linie dreaptă prin atmosferă. Dar asta nu este adevărat. Cu o distribuție normală a temperaturii și a densității aerului în stratul de suprafață, linia curbă care ilustrează traiectoria fasciculului de lumină este orientată spre Pământ cu latura sa concavă. Prin urmare, cel mai îndepărtat punct pe care un observator din A îl va vedea nu va fi B, ci B¢. Intervalul de vizibilitate geodezică AB¢, ținând cont de refracție, va fi în medie cu 6-7% mai mare și în loc de coeficientul de 3,57 din formule va fi un coeficient de 3,82. Intervalul geodezic este calculat folosind formulele
, h - în m, D - în km, R - 6378 km
Unde h n și h pr – în metri, D –în kilometri.
Pentru o persoană de înălțime medie, distanța la orizont pe Pământ este de aproximativ 5 km. Pentru cosmonauții V.A Shatalov și A.S Eliseev, care au zburat pe nava spațială Soyuz-8, intervalul de orizont la perigeu (altitudine 205 km) a fost de 1730 km, iar la apogeu (altitudine 223 km) - 1800 km.
Pentru undele radio, refracția este aproape independentă de lungimea de undă, dar, pe lângă temperatură și presiune, depinde și de conținutul de vapori de apă din aer. În aceleași condiții de schimbări de temperatură și presiune, undele radio sunt refractate mai puternic decât cele luminoase, mai ales cu umiditate ridicată.
Prin urmare, în formulele pentru determinarea intervalului orizontului sau detectarea unui obiect printr-un fascicul radar în fața rădăcinii va exista un coeficient de 4,08. În consecință, orizontul sistemului radar este cu aproximativ 11% mai îndepărtat.
Undele radio sunt bine reflectate de pe suprafața pământului și de la limita inferioară a inversării sau a stratului de umiditate scăzută. Într-un astfel de ghid de undă unic format din suprafața pământului și baza inversării, undele radio se pot propaga pe distanțe foarte mari. Aceste caracteristici de propagare a undelor radio sunt utilizate cu succes în radar.
Temperatura aerului din stratul de sol, în special în partea inferioară, nu scade întotdeauna odată cu înălțimea. Poate scădea în ritmuri diferite, poate să nu se schimbe cu înălțimea (izotermie) și poate crește cu înălțimea (inversare). În funcție de mărimea și semnul gradientului de temperatură, refracția poate avea efecte diferite asupra intervalului orizontului vizibil.
Gradientul vertical de temperatură într-o atmosferă omogenă în care densitatea aerului nu se modifică odată cu înălțimea, g 0 = 3,42°C/100m. Să luăm în considerare care va fi traiectoria razelor AB la diferite gradiente de temperatură la suprafața Pământului.
Să , adică temperatura aerului scade cu altitudinea. În această condiție, indicele de refracție scade și el odată cu înălțimea. În acest caz, traiectoria fasciculului de lumină va fi îndreptată spre suprafața pământului cu latura sa concavă (în Fig. 2.9 traiectoria AB¢). Această refracție se numește pozitivă. Cel mai îndepărtat punct ÎN¢ observatorul va vedea în direcția ultimei tangente la calea razelor. Această tangentă, adică orizontul vizibil datorită refracţiei este egal cu orizontul matematic NAS unghiul D, mai mic decât unghiul d. Colţ d este unghiul dintre orizontul matematic și geometric fără refracție. Astfel, orizontul vizibil s-a ridicat cu un unghi ( d- D) și extins pentru că D > D0.
Acum să ne imaginăm asta g scade treptat, adică Temperatura scade din ce în ce mai încet odată cu înălțimea. Va veni un moment în care gradientul de temperatură devine zero (izotermă), iar apoi gradientul de temperatură devine negativ. Temperatura nu mai scade, ci crește odată cu altitudinea, adică. se observă inversarea temperaturii. Pe măsură ce gradientul de temperatură scade și trece prin zero, orizontul vizibil se va ridica din ce în ce mai sus și va veni un moment în care D devine egal cu zero. Orizontul geodezic vizibil se va ridica la cel matematic. Suprafața pământului părea să se îndrepte și să devină plată. Intervalul de vizibilitate geodezică este infinit de mare. Raza de curbură a fasciculului a devenit egală cu raza globului.
Cu o inversare a temperaturii și mai puternică, D devine negativ. Orizontul vizibil s-a ridicat deasupra celui matematic. Observatorului din punctul A i se va părea că se află la fundul unui bazin imens. Din cauza orizontului, obiectele situate mult dincolo de orizontul geodezic se ridică și devin vizibile (parcă ar pluti în aer) (Fig. 2.10).
Astfel de fenomene pot fi observate în țările polare. Deci, de pe coasta canadiană a Americii prin strâmtoarea Smith puteți vedea uneori coasta Groenlandei cu toate clădirile de pe ea. Distanța până la coasta Groenlandei este de aproximativ 70 km, în timp ce intervalul de vizibilitate geodezică nu depășește 20 km. Un alt exemplu. Din Hastings, pe partea engleză a strâmtorii Pas-de-Calais, am putut vedea coasta franceză, întinsă peste strâmtoare, la o distanță de aproximativ 75 km.
Fig.2.10. Fenomenul de refracție neobișnuită în țările polare
Acum să presupunem că g=g 0, prin urmare, densitatea aerului nu se modifică cu înălțimea (atmosferă omogenă), nu există refracție și D=D 0 .
La g > g 0 indicele de refracție și densitatea aerului cresc cu altitudinea. În acest caz, traiectoria razelor de lumină se confruntă cu suprafața pământului cu latura sa convexă. Această refracție se numește negativă. Ultimul punct de pe Pământ pe care un observator de la A îl va vedea va fi B². Orizontul vizibil AB² s-a îngustat și a scăzut la un unghi (D - d).
Din cele discutate, putem formula următoarea regulă: dacă de-a lungul propagării unui fascicul de lumină în atmosferă densitatea aerului (și, prin urmare, indicele de refracție) se modifică, atunci fasciculul de lumină se va îndoi astfel încât traiectoria lui să fie întotdeauna convex în direcția scăderii densității (și a indicelui de refracție) a aerului.
Refractie si miraje
Cuvântul miraj este de origine franceză și are două semnificații: „reflecție” și „viziune înșelătoare”. Ambele sensuri ale acestui cuvânt reflectă bine esența fenomenului. Un miraj este o imagine a unui obiect care există de fapt pe Pământ, adesea mărită și foarte distorsionată. Există mai multe tipuri de miraje în funcție de locul în care se află imaginea în raport cu obiectul: superior, inferior, lateral și complex. Cele mai frecvent observate sunt mirajele superioare și inferioare, care apar atunci când există o distribuție neobișnuită a densității (și, prin urmare, a indicelui de refracție) în înălțime, când la o anumită înălțime sau aproape de însăși suprafața Pământului există un strat relativ subțire. de aer foarte cald (cu un indice de refracție scăzut), în care Razele care provin de la obiectele de la sol experimentează o reflexie internă totală. Acest lucru se întâmplă atunci când razele cad pe acest strat la un unghi mai mare decât unghiul de reflexie internă totală. Acest strat mai cald de aer joacă rolul unei oglinzi de aer, reflectând razele care intră în el.
Mirajele superioare (Fig. 2.11) apar în prezența unor inversiuni puternice de temperatură, când densitatea aerului și indicele de refracție scad rapid odată cu înălțimea. În mirajele superioare, imaginea este situată deasupra obiectului.
Fig.2.11. Miraj superior
Traiectoriile razelor de lumină sunt prezentate în Figura (2.11). Să presupunem că suprafața pământului este plată și straturi de densitate egală sunt situate paralel cu aceasta. Deoarece densitatea scade odată cu înălțimea, atunci . Stratul cald, care acționează ca o oglindă, se află la înălțime. În acest strat, când unghiul de incidență al razelor devine egal cu indicele de refracție (), razele se întorc înapoi la suprafața pământului. Observatorul poate vedea simultan obiectul în sine (dacă nu se află dincolo de orizont) și una sau mai multe imagini deasupra acestuia - în poziție verticală și inversată.
Fig.2.12. Miraj superior complex
În fig. Figura 2.12 prezintă o diagramă a apariției unui miraj superior complex. Obiectul în sine este vizibil ab, deasupra lui există o imagine directă a lui a¢b¢, inversat în²b²și din nou direct a²¢b²¢. Un astfel de miraj poate apărea dacă densitatea aerului scade odată cu altitudinea, mai întâi încet, apoi rapid și din nou încet. Imaginea iese cu susul în jos dacă razele care vin din punctele extreme ale obiectului se intersectează. Dacă un obiect este departe (dincolo de orizont), atunci obiectul în sine poate să nu fie vizibil, dar imaginile sale, ridicate sus în aer, sunt vizibile de la distanțe mari.
Orașul Lomonosov este situat pe malul Golfului Finlandei, la 40 km de Sankt Petersburg. De obicei din Lomonosov Sankt Petersburg nu se vede deloc sau se vede foarte slab. Uneori, Sankt Petersburg este vizibil „dintr-o privire”. Acesta este un exemplu de miraje superioare.
Aparent, numărul mirajelor superioare ar trebui să includă cel puțin o parte din așa-numitele Țări fantomatice, care au fost căutate decenii în Arctic și nu au fost niciodată găsite. Au căutat Ținutul Sannikov pentru o perioadă deosebit de lungă.
Yakov Sannikov era vânător și era implicat în comerțul cu blănuri. În 1811 El a pornit cu câini peste gheață către grupul de insule New Siberian și din vârful nordic al insulei Kotelny a văzut o insulă necunoscută în ocean. Nu a putut să ajungă la el, dar a raportat guvernului descoperirea unei noi insule. În august 1886 E.V Tol, în timpul expediției sale în Insulele Noii Siberiei, a văzut și insula Sannikov și a scris în jurnalul său: „Orizontul este complet clar. În direcția nord-est, la 14-18 grade, se vedeau clar contururile a patru mese, care făceau legătura cu pământul de jos din est. Astfel, mesajul lui Sannikov a fost complet confirmat. Avem dreptul, prin urmare, să trasăm o linie punctată în locul potrivit de pe hartă și să scriem pe ea: „Țara Sannikov”.
Tol a dat 16 ani din viață căutării Țării Sannikov. A organizat și a condus trei expediții în zona Insulelor Noii Siberiei. În timpul ultimei expediții pe goeleta „Zarya” (1900-1902), expediția lui Tolya a murit fără a găsi Ținutul Sannikov. Nimeni nu l-a mai văzut pe Sannikov Land. Poate a fost un miraj care apare în același loc în anumite perioade ale anului. Atât Sannikov, cât și Tol au văzut un miraj al aceleiași insule situată în această direcție, doar mult mai departe în ocean. Poate a fost una dintre Insulele De Long. Poate că era un aisberg uriaș - o întreagă insulă de gheață. Astfel de munți de gheață, cu o suprafață de până la 100 km2, călătoresc peste ocean timp de câteva decenii.
Mirajul nu a înșelat întotdeauna oamenii. Exploratorul polar englez Robert Scott în 1902. în Antarctica am văzut munți de parcă atârnă în aer. Scott a sugerat că există un lanț muntos mai departe de orizont. Și, într-adevăr, lanțul muntos a fost descoperit mai târziu de exploratorul polar norvegian Raoul Amundsen exact acolo unde Scott se aștepta să fie situat.
Fig.2.13. Mirajul inferior
Mirajele inferioare (Fig. 2.13) apar cu o scădere foarte rapidă a temperaturii odată cu înălțimea, adică. la gradiente de temperatură foarte mari. Rolul unei oglinzi de aer este jucat de cel mai subțire strat de aer de la suprafață. Un miraj este numit un miraj inferior deoarece imaginea unui obiect este plasată sub obiect. În mirajele inferioare, se pare că există o suprafață de apă sub obiect și toate obiectele sunt reflectate în ea.
În apa calmă, toate obiectele care stau pe mal sunt reflectate clar. Reflectarea într-un strat subțire de aer încălzit de la suprafața pământului este complet similară cu reflexia în apă, doar rolul de oglindă este jucat de aerul însuși. Condiția aerului în care apar miraje inferioare este extrem de instabilă. La urma urmei, dedesubt, lângă pământ, se află aerul foarte încălzit și, prin urmare, mai ușor, iar deasupra se află un aer mai rece și mai greu. Jeturile de aer cald care se ridică din sol pătrund în straturi de aer rece. Din această cauză, mirajul se schimbă în fața ochilor noștri, suprafața „apei” pare să fie agitată. O rafală mică de vânt sau un șoc este suficient și va avea loc o prăbușire, de exemplu. răsturnarea straturilor de aer. Aerul greu se va repezi, distrugând oglinda de aer, iar mirajul va dispărea. Condițiile favorabile pentru apariția mirajelor inferioare sunt o suprafață omogenă, plană subiacentă a Pământului, care apare în stepe și deșerturi și vreme însorită, fără vânt.
Dacă un miraj este o imagine a unui obiect cu adevărat existent, atunci se pune întrebarea: ce fel de suprafață de apă văd călătorii în deșert? La urma urmei, nu există apă în deșert. Faptul este că suprafața aparentă a apei sau lacul vizibil într-un miraj este de fapt o imagine nu a suprafeței apei, ci a cerului. Părți ale cerului sunt reflectate în oglinda de aer și creează iluzia completă a unei suprafețe de apă strălucitoare. Un astfel de miraj poate fi văzut nu numai în deșert sau stepă. Apar chiar și în Sankt Petersburg și împrejurimile sale în zilele însorite pe drumuri asfaltate sau pe o plajă plată cu nisip.
Fig.2.14. Miraj lateral
Mirajele laterale apar în cazurile în care straturi de aer de aceeași densitate sunt situate în atmosferă nu orizontal, ca de obicei, ci oblic și chiar vertical (Fig. 2.14). Astfel de condiții se creează vara, dimineața la scurt timp după răsărit, pe malurile stâncoase ale mării sau ale lacului, când malul este deja luminat de Soare, iar suprafața apei și aerul de deasupra sunt încă reci. Mirajele laterale au fost observate în mod repetat pe Lacul Geneva. Un miraj lateral poate apărea lângă un zid de piatră al unei case încălzite de Soare, și chiar pe marginea unei sobe încălzite.
Tipuri complexe de miraje, sau Fata Morgana, apar atunci când există simultan condiții pentru apariția atât a unui miraj superior, cât și a celui inferior, de exemplu, în timpul unei inversări semnificative de temperatură la o anumită altitudine deasupra unei mări relativ calde. Densitatea aerului crește mai întâi odată cu înălțimea (temperatura aerului scade), apoi scade rapid (temperatura aerului crește). Cu o astfel de distribuție a densității aerului, starea atmosferei este foarte instabilă și supusă schimbărilor bruște. Prin urmare, aspectul mirajului se schimbă în fața ochilor noștri. Cele mai obișnuite stânci și case, datorită distorsiunilor și măririi repetate, se transformă în minunatele castele ale zânei Morgana sub ochii noștri. Fata Morgana este observată în largul coastelor Italiei și Siciliei. Dar poate apărea și la latitudini mari. Așa a descris celebrul explorator siberian F.P Wrangel Fata Morgana pe care a văzut-o la Nijnekolymsk: „Acțiunea refracției orizontale a produs un fel de Fata Morgana. Munții întinși spre sud ni s-au părut sub diverse forme distorsionate și atârnând în aer. Munții îndepărtați păreau să aibă vârfurile răsturnate. Râul s-a îngustat până în punctul în care malul opus părea să fie aproape de colibele noastre.”
În atmosferă există curenți de aer rece și cald. Acolo unde straturile calde sunt deasupra celor reci, se formează vârtejuri de aer, sub influența cărora se îndoaie razele de lumină, iar poziția stelei se schimbă.
Strălucirea unei stele se modifică deoarece razele care deviază incorect sunt concentrate neuniform pe suprafața planetei. În același timp, întregul peisaj se schimbă și se schimbă constant din cauza fenomenelor atmosferice, de exemplu, din cauza vântului. Observatorul stelelor se află fie într-o zonă mai iluminată, fie, dimpotrivă, într-una mai umbrită.
Dacă doriți să urmăriți sclipirea stelelor, rețineți că la zenit, într-o atmosferă calmă, acest fenomen poate fi detectat doar ocazional. Dacă vă îndreptați privirea către obiectele cerești mai aproape de orizont, veți constata că acestea sclipesc mult mai mult. Acest lucru se explică prin faptul că privești stelele printr-un strat mai dens de aer și, în consecință, pătrunzi cu privirea un număr mai mare de curenți de aer. Nu veți observa modificări ale culorii stelelor situate la o altitudine mai mare de 50°. Dar veți găsi schimbări frecvente de culoare la stelele sub 35°. Sirius pâlpâie foarte frumos, sclipind cu toate culorile spectrului, mai ales în lunile de iarnă, la joasă deasupra orizontului.
Sclipirea puternică a stelelor dovedește eterogenitatea atmosferei, care este asociată cu diverse fenomene meteorologice. Prin urmare, mulți oameni cred că pâlpâirea este legată de vreme. Adesea capătă putere la presiune atmosferică scăzută, temperatură mai scăzută, umiditate crescută etc. Dar starea atmosferei depinde de atât de mulți factori diferiți încât în prezent nu este posibil să se prezică vremea prin sclipirea stelelor.
Acest fenomen își păstrează misterele și ambiguitățile. Se presupune că se intensifică la amurg. Aceasta ar putea fi o iluzie optică sau o consecință a schimbărilor atmosferice neobișnuite care apar adesea în acest moment al zilei. Se crede că sclipirea stelelor este cauzată de aurora boreală. Dar acest lucru este foarte greu de explicat, având în vedere că aurora boreală se află la o altitudine de peste 100 km. În plus, rămâne un mister de ce stelele albe sclipesc mai puțin decât cele roșii.
Stelele sunt sori. Prima persoană care a descoperit acest adevăr a fost un om de știință de origine italiană. Fără nicio exagerare, numele său este cunoscut în întreaga lume modernă. Acesta este legendarul Giordano Bruno. El a susținut că printre stele sunt similare cu Soarele ca mărime, temperatura suprafeței lor și chiar culoarea, care depinde direct de temperatură. În plus, există stele care sunt semnificativ diferite de Soare - giganți și supergiganți.
Tabelul de ranguri
Diversitatea nenumăratelor stele de pe cer i-a forțat pe astronomi să stabilească o anumită ordine între ele. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au decis să împartă stelele în clase adecvate de luminozitate. De exemplu, stelele care emit lumină de câteva mii de ori mai mult decât Soarele sunt numite giganți. În schimb, stelele cu luminozitate minimă sunt pitici. Oamenii de știință au descoperit că Soarele, conform acestei caracteristici, este o stea medie.
lumineaza diferit?
Pentru o vreme, astronomii au crezut că stelele strălucesc diferit din cauza locațiilor lor diferite față de Pământ. Dar acest lucru nu este în întregime adevărat. Astronomii au descoperit că chiar și acele stele care sunt situate la aceeași distanță de Pământ pot avea o luminozitate aparentă complet diferită. Această luminozitate depinde nu numai de distanță, ci și de temperatura stelelor înseși. Pentru a compara stelele după luminozitatea lor aparentă, oamenii de știință folosesc o anumită unitate de măsură - magnitudinea absolută. Ne permite să calculăm radiația reală a unei stele. Folosind această metodă, oamenii de știință au calculat că există doar 20 dintre cele mai strălucitoare stele de pe cer.
De ce stelele au culori diferite?
S-a scris mai sus că astronomii disting stelele după mărimea și luminozitatea lor. Cu toate acestea, aceasta nu este întreaga lor clasificare. Odată cu dimensiunea și luminozitatea aparentă, toate stelele sunt, de asemenea, clasificate în funcție de propria lor culoare. Cert este că lumina care definește aceasta sau acea stea are radiații ondulatorii. Acestea sunt destul de scurte. În ciuda lungimii de undă minime a luminii, chiar și cea mai mică diferență de mărime a undelor luminoase schimbă dramatic culoarea stelei, care depinde direct de temperatura suprafeței sale. De exemplu, dacă încălziți o tigaie de fier, aceasta va dobândi culoarea corespunzătoare.
Spectrul de culori al unei stele este un fel de pașaport care determină trăsăturile sale cele mai caracteristice. De exemplu, Soarele și Capella (o stea asemănătoare Soarelui) au fost identificate de astronomi ca fiind unul și același. Ambele au o culoare galben pal și o temperatură a suprafeței de 6000°C. Mai mult, spectrul lor conține aceleași substanțe: linii, sodiu și fier.
Stele precum Betelgeuse sau Antares au în general o culoare roșie caracteristică. Temperatura lor la suprafață este de 3000°C și conțin oxid de titan. Stele precum Sirius și Vega sunt albe. Temperatura lor la suprafață este de 10000°C. Spectrele lor au linii de hidrogen. Există, de asemenea, o stea cu o temperatură la suprafață de 30.000 ° C - acesta este Orionis alb-albăstrui.
