Оптические явления в атмосфере
В древности миражи, полярные сияния, таинственные светящиеся огни и шаровые молнии пугали суеверных людей. Сегодня ученым удалось раскрыть тайны этих загадочных явлений, понять природу их возникновения.
Явления, связанные с отражением солнечного света
Все много раз видели, как после дождя или недалеко от бурного водного потока на небе появляется цветной мост — радуга. Радуга обязана своими красками солнечным лучам и капелькам влаги, взвешенным в воздухе. Когда свет попадает на каплю воды, он как бы распадается на различные цвета. В большинстве случаев капля отражает свет только один раз, но иногда свет отражается от капли дважды. Тогда па небе вспыхивают две радуги.
Многие путешественники в пустынях становились свидетелями другого атмосферного явления миража. Посреди пустыни появлялся оазис с пальмами, караван или корабль, движущиеся по небу. Это происходит, когда раскалённый над поверхностью воздух поднимается вверх. Его плотность с высотой начинает возрастать. Тогда изображение дальнего объекта может быть видно выше его реального положения.
В морозную погоду вокруг Солнца и Лупы появляются ярко выраженные кольца гало. Они образуются, когда свет отражается в кристаллах льда, находящихся довольно высоко в атмосфере, например в перистых облаках. С внутренней стороны гало может иметь яркую окраску и красноватый оттенок. Кристаллы льда иногда столь причудливо отражают солнечный свет, что на небе появляются другие иллюзии: два солнца, вертикальные столбы света или солнечные дуги. Вокруг Солнца и Луны иногда образуются ореолы — венцы. Венцы выглядят как несколько вложенных друг в друга колец. Они возникают в высококучевых и высокослоистых облаках. Цветной венец может появиться вокруг тени, отбрасываемой, например, самолётом на нижележащие облака.
Явления связанные с электричеством
В верхние слои атмосферы Земли часто попадают мельчайшие частички из космоса. Из-за их столкновения с частичками атмосферных газов и пыли возникает полярное сияние — свечение неба со всполохами в полярных широтах Северного и Южного полушарий. Формы и цвета полярного сияния разнообразны. Продолжительность его может составлять от десятков минут до нескольких суток.
Перемещающиеся в кучево-дождевых облаках капли и ледяные кристаллы накапливают электрические заряды. От этого между облаками или между облаком и землёй возникает гигантская искра — молния, которая сопровождается громом. Скопление электричества в атмосфере иногда образует светящийся шар диаметром в десятки сантиметров это шаровая молния. Она перемещается вместе с движением воздуха и может взорваться при соприкосновении с отдельными предметами, особенно металлическими. Проникнув в дом, шаровая молния быстро движется по помещению, оставляя после себя выжженные места. Шаровая молния может вызвать серьёзные ожоги и гибель людей. Точного объяснения природы этого явления пока не существует.
Другое явление, связанное с электрическим свечением атмосферы, — огни святого Эльма. Ото свечение может наблюдаться в грозовую погоду на высоких шпилях башен, а также вокруг корабельных мачт. Оно пугало суеверных моряков, которые считали его дурным знаком.
Оптические явления в атмосфере. 6-й класс 
Назад Вперёд
Загрузить презентацию (982 кБ)
Цель урока: сформировать представление об оптических явлениях в атмосфере..
Планируемый результат: учащиеся должны знать / понимать и объяснять как возникают атмосферные явления, связанные с отражением солнечного света; явления, связанные с электричеством.
Основные термины и понятия: оптические явления в атмосфере, радуга, мираж, гало, полярное сияние, молния, “Огни Святого Эльма”.
Ресурсы:
– учебник – стр. 106–109;
– электронное приложение к учебнику;
– презентация к уроку.
Оборудование:
– Проектор;
– Экран;
– Компьютер у учителя;
– Ноутбуки на каждой парте;
– Сосуд в восточном стиле;
– Костюм для Старика Хоттабыча.
–Есть ли, дети, одеяло,
Чтоб всю Землю укрывало?
Чтоб его на всех хватало,
Да при том не видно было?
Не сложить, не развернуть,
Не пощупать, не взглянуть?
Пропускало б дождь и свет,
Есть, а вроде бы и нет?
– Что это за одеяло? (Атмосфера-воздушная оболочка Земли.)
И мы продолжаем с вами изучать тему “Атмосфера”. Вначале я вам задам несколько вопросов:
1. Из чего состоит атмосфера Земли? (Смесь газов, мельчайших капель воды и кристалликов льда, пыль, сажа, органические вещества.)
2. В каком виде влага содержится в воздухе? (Вод. пар, капельки воды и кристаллики льда.)
3. Атмосфера не однородна, в ней выделяется несколько слоев? (Тропо-страто-мезо-термо-экзо-ионосфера.)
4. В каких слоях возникает полярное сияние? (Ионосфера.)
– Полярное сияние, молнии, миражи пугали в древности людей. Сегодня ученым удалось раскрыть тайны этих загадочных явлений. И тема нашего урока “Оптические явления в атмосфере”.
А что это за загадочный сосуд стоит у меня на столе? Вы не знаете? Давайте посмотрим?
(Открывает сосуд, из него валит дым, появляется старик Хоттабыч.)
– Апчхи! Приветствую тебя, о мудрый мой повелитель! (Далее слова Хоттабыча, которого играет один из учащихся , выделены подчеркнутым шрифтом.)
– Вы откуда? Вы из театра?
– О, нет, мой повелитель! Я вот из этого сосуда!
– Так Вы.
– Да, Я – могучий и прославленный во всех четырех странах света джинн Гассан Абдурахман ибн Хоттаб, то есть сын Хоттаба!
– Хоттабыч?!
– А кто эти прекрасные отроки?
– А это ученики 6 «А» класса , и у нас сейчас урок географии.
– Урок географии! Знайте же, о прекраснейшие из прекрасных, что вам неслыханно повезло, ибо я богат знаниями по географии. Я научу вас, и вы прославитесь среди учеников своей школы и среди учеников всех школ вашего края!
– Мы очень рады этому , уважаемый Хоттабыч.
– А что это за волшебные черные коробочки, которые лежат перед вами?
– Это компьютеры, с помощью которых современные дети изучают географию. Я приглашаю Вас, уважаемый Хоттабыч, сегодня поработать с нами. А ребят я попрошу открыть экран урока «Оптические явления в Атмосфере. Как вы думаете, что же такое оптические явления? (световые, зрительные).
Сегодня мы познакомимся с некоторыми оптическими явлениями, заполним таблицу, которая лежит перед вами. Ну а наш уважаемый Хоттабыч расскажет нам, как древние ученые представляли то или иное явление.
Явления, связанные с отражением солнечного света.
Радуга – Прошел летний дождь, и вновь засияло солнце. И как по волшебству в небе появилась радуга-дуга.
Я знаю, радугу создал Бог древнего Вавилона в знак того, что он решил прекратить всемирный потоп.
А что по этому поводу думают современные ученые?
(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)
Солнечный свет кажется нам белым , но в действительности он состоит из световых волн 7 цветов: красного, оранжевого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Проходя сквозь капли воды, солнечный луч преломляется и распадается на разные цвета. Вот отчего после дождя или около водопадов можно наблюдать радугу. (делают запись в таблице).
– Многие путешественники по пустыням становятся свидетелями другого атмосферного явления – Миража.
Древние египтяне верили, что мираж– это призрак страны, которой больше нет на свете.
(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию)
Почему же возникают миражи? Это происходит, когда раскаленный над поверхностью воздух поднимается вверх. Его плотность начинает возрастать. Воздух при различной температуре обладает различной плотностью, и луч света, переходя из слоя в слой, будет изгибаться, зрительно приближая объект. М. возникают над раскаленной(пустыня, асфальт), либо, напротив , над охлажденной поверхностью (водой).-записи.
Гало. В морозную погоду вокруг Солнца и Луны появляются ярко выраженные кольца – Гало.
– Это значит, что в это время происходит шабаш ведьм.
(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)
Они возникают, когда свет отражается в кристаллах льда перисто-слоистых облаков. Венцы – несколько вложенных в друг друга колец.(Записи.)
Воздух не проводит электричество, но в некоторых случаях обнаруживается, что он просто переполнен электричеством.
Явления, связанные с электричеством.
Полярное сияние – Жители приполярных районов могут любоваться Полярным сиянием.
– Это самосветящийся воздух выходит через дырку в Земле.
(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)
Солнце посылает на Землю поток электрически заряженных частиц, которые сталкиваются с частичками воздуха и начинают светиться.(Записи.)
Молния –«Летит огневая стрела, никто ее не поймает-ни царь, ни царица, ни красна девица.
– Это Бог Перун поражает своим каменным оружием змея.
(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)
Видимый электрический разряд между облаками, или между облаком и землей . Молния – гром. Воздух может нагреться внутри молнии до 30.000 гр.(это в 5 раз больше, чем на поверхности Солнца.)
Виды молнии(линейная и шаровая), чем опасны?(Записи.)
Другое явление, связанное с электрическим свечением атмосферы
«Огни Святого Эльма».
– Моряки считают его дурным знаком.
(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)
Сегодня мы с вами познакомились с некоторыми необычными явлениями в природе.
– Благодаря Хоттабычу мы узнали о взглядах древних на оптические явления в атмосфере.
– Ну а я узнал, как ваши современные ученые объясняют многие загадочные явления.
(Если будет время: я предлагаю вам проверить себя с помощью теста.)
Сегодня вы поработали хорошо, тема эта очень сложная, и более глубоко вы ее будете изучать в курсе физики в 10–11 классе.
Д.З. : выполнить тест к этому уроку.
Для желающих: из дополнительных источников информации узнайте, какие необычные атм. явления когда-либо проходили в вашей местности. Как они описаны?
2. Оптические, электрические и акустические явления в атмосфере.
В прошлом году мы рассматривали важный вопрос, касающийся изучения солнечной радиации. Однако основное внимание было обращено тогда на радиацию как источник энергии. Вместе с тем солнечная радиация имеет еще одно важное значение. Проходя через атмосферу, она формирует различные световые явления, изучением которых занимается специальный раздел физики атмосферы – атмосферная оптика.
В зависимости от причин возникновения все оптические явления можно разделить на 3 группы:
- Связанные в основном с рассеиваниемсвета в атмосфере (голубой цвет неба; его освещенность и форма; сумерки; желто-красный цвет неба утром и вечером и др.)
- Связанные в основном с преломлениемсвета иизменением плотностивоздуха (рефракцией) (миражи, мерцание звезд, сужение и расширение горизонта и др.)
- Связанные с преломлениемсвета иналичиемв атмосферекапельводы и ледяныхкристаллов(радуга, гало, венцы и др.)
Мы с вами прошлый раз рассмотрели в основном явления первых двух групп. Сейчас очень коротко выясним как образуются явления 3 группы. Радуга. Она наблюдается на фоне облаков, из которых выпадает дождь, если эти облака освещены солнцем, т.е. расположены против него. Это разноцветная дуга с угловым радиусом 42 0 . По внешнему краю она красная, по внутреннему – фиолетовая. Между ними – остальные цвета. Радуга является частью окружности, центр которой лежит на прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя. Если солнце низко над горизонтом, то она представляет собой почти полуокружность. При высоте солнца 42 0 и более радуга не видна, т.к. опускается за горизонт (с самолета можно увидеть радугу в виде круга). Иногда кроме основной радуги видна дополнительная с радиусом 53 0 . Цветность в ней располагается противоположно. В природе может быть одновременно видна и третья и даже четвертая радуга. Их интенсивность, ширина и окраска зависят от размеров капель. Образование радуги связано с преломлением и отражениемлуча в капле. При входе в каплю луч преломляется, внутри отражается и при выходе еще раз преломляется. В результате угол поворота лучей (относительно входящего луча) оказывается равен ≈138◦. Вторая радуга объясняется тем, что внутри капли происходит 2-х кратное отражение луча. Гало. В ледяных облаках верхнего яруса, особенно в Cs, иногда появляются радужные круги радиусом 22 или 46 угловых радиусов, центры которых совпадают с центром солнечного или лунного дисков. Очередность окраски гало обратная по сравнению с радугой. Гало объясняется преломлением света в шестигранных ледяных призмах. Неокрашенные гало наблюдаются когда вместо преломления имеет место отражения луча от граней призмы. При гало радиусом 22 0 свет преломляется боковыми гранями при беспорядочной ориентации соей кристаллов в атмосфере. Гало 46 0 образуется, когда преломление не между гранями, а гранями и основаниями призм. Разнообразие форм гало и другие явления (столбы, горизонтальные круги, ложные солнца и т.д.) формируются в зависимости от ориентации осей кристаллов в пространстве и высоты Солнца. Венцы. В тонких обычно водяных облаках, например Ac, состоящих из мелких однородных капель и закрывающих диск солнца иногда наблюдаются окрашенные дифракционные кольца. В ярком свете солнца венцы можно наблюдать только через темное стекло или вокруг его отражения в спокойной воде. Поэтому чаще всего венцы наблюдают вокруг луны и звезд, а также вокруг искусственных источников (например, фонарь). Кольца венцов обычно разделены темными промежутками. Размеры венцов разные от 1 до 5 0 . Дифракция света образуется при прохождении его через очень малые промежутки между облачными элементами. 2.2. Атмосферное электричество2.2.1. Ионизация атмосферы Исследованиями установлено, что атмосфера электропроводна. Это связано с ее свойством ионизацией. Суть ее состоит в том, что под влиянием ряда факторов (и прежде всего радиоактивного и космического излучения) от нейтральных молекул отделяются электроны. Остающиеся части молекул превращаются в положительные ионы. Освободившиеся электроны присоединяются к нейтральным молекулам, образуя отрицательные ионы. Вокруг этих ионов группируются другие молекулы. Такие заряженные комплексы молекул называются легкими ионами. Когда к ним присоединяются частички примесей они становятся больше размерами и превращаются в так называемые тяжелые ионы. Электропроводность атмосферы определяется концентрацией ионов и их подвижностью и в свою очередь связана с метеорологическим состоянием атмосферы. Загрязнение атмосферы приводит к уменьшению электропроводности. В годовом ходе проводимость атмосферы выше в теплый период. Она выше и рано утром. С высотой ионизация быстро растет. Особенно велика ионизация на высотах от 50-80 км до 400-500 км. По этому этот слой атмосферы называется ионосферой. Электромагнитные волны испытывают определенное влияние ионосферы. Лишь ультракороткие волны пронизывают ионосферу. Радиоволны в ней искривляются, а более длинные волны полностью отражаются уже в нижней ионосфере. 2.2.2. Электрическое поле атмосферы и облаков. Электрические заряды, постоянно содержащиеся в атмосфере и на Земле, создают электрическое поле. В целом Земля заряжена отрицательно, а атмосфера положительно. Наибольшая напряженность электрического поля отмечается у Земли, а на высоте 10 км поле близко к нулю. В облаках постоянно происходят процессы электризации, образуются объемные электрические заряды и электрическое поле. Например, в грозовом облаке может скопиться заряд от 10 до 200Кл (для сравнения, заряд всей поверхности Земли равен -579000 Кл). Распределение зарядов внутри облака таково: обычно в верхней части облака скапливаются положительный заряд, в нижней – отрицательный. 2.2.3. Гроза, ее характеристики. Особенно большие объемные заряды электричества скапливаются при формировании мощных кучево-дождевых облаков. При критической разности потенциалов между двумя разноименными зарядами в облаке, облаками или между облаком и землей возникает разряд молнии. Чаще всего возникает линейная молния с разрядом, напоминающим ветвь дерева. Учитывая малую продолжительность молнии (десятки доли секунд), сила тока при разряде очень велика ≈ 20000А и более. Разряды чаще всего возникают между облаками, а не между Землей и облаком. Весьма редкой формой молнии является шаровая, которая до сих пор не изучена (неясно, например, почему она существует значительно дольше чем линейная). Таким образом, гроза – это процесс проявления кучево-дождевого облака (осадки, молния, гром, шквал). Ее продолжительность от нескольких минут до нескольких часов. Наибольшее число гроз в экваториальных и тропических районах на суше: 100-150 дней в году. К полюсам их количество уменьшается. 2.3. Атмосферная акустика. Этот раздел физики атмосферы изучает особенности распространения звуков (звуковых волн) в атмосфере. Звук – это колебания воздуха с частотами от 16-20 до 20000 Гц (т.е. от 20 до 20 тыс. колебаний в секунду), которые воспринимаются ухом. Звуковая волна – это изменения (колебания) плотности воздуха. Источниками звука могут быть: — устройства, вызывающие упругие звуковые колебания (музыкальные инструменты, голос человека, звонок и т.д.) — вихри, возникающие в воздушном потоке при обтекании твердых тел (вой ветра в трубах, гудении проводов и т.д.) — мгновенное уплотнение воздуха при взрывах, выстрелах, вулканизме и т.д. Атмосфера является акустически неоднородной средой, поэтому звуковые волны испытывают ослаблении, отражении, преломлении. Все это связано с физическим состоянием атмосферы. Поэтому изучение распространения звука является косвенным методом изучения свойств самой атмосферы. Скорость звука (С) в атмосфере можно рассчитать по формуле Лапласа. В сухом воздухе при нормальных условиях (Р0= 1013гПа,t= 0 0 С) С ≈ 332 м/с. В реальной атмосфере С = ,k=Cp/Cu,R– удельная газовая постоянная, Т – температура воздуха, т.е. скорость зависит от температуры воздуха. Увеличение температуры воздуха на 1 0 С приводит к увеличению скорости на 0,6 м/с. Влияние влажности на С очень мало (через k, хотя зависимость прямая). Отмечена также пропорциональная зависимость С от ветра ( при совпадении направлений звука и ветра). Скорость звука зависит и от вертикального градиента и температуры воздуха. При понижении tс высотой на некотором расстоянии от источника формируется «звуковая тень», т.к. траектории звуковых лучей поднимаются вверх. По этому, если в зоне «звуковой тени» подниматься вверх, то можно выйти из «тени». При обратном (инверсионном) распределении температуры с высотой «звуковая тень» не наблюдается, т.к. звуковые лучи опускаются вниз. В этом случае дальность слышимости увеличивается. В атмосфере звук не только преломляется (из-за разной плотности воздуха), но и отражается от более плотных зон «с туманами», с осадками, от облаков и особенно от твердых поверхностей. В природе существует также целый ряд звуковых явлений, происхождение которых связано с метеопроцессами. В первую очередь таким явлением является «гром». Его возникновение связано с внезапным расширением воздуха в канале молнии, что создает ударную волну. По промежутку времени между громом и молнией можно определить расстояние до грозового очага. Для этого время в секундах нужно умножить на 332 м/с (или каждые 3 секунды времени соответствуют 1 км до разряда). При обтекании ветром твердых предметов с них срываются вихри, поэтому нередко слышим звук (гудение проводов). Скрип снега при морозах объясняется разламыванием кристаллов и их перемешиванием. Голос моря» — это срывы с гребней волны ветровых вихрей, в результате чего возникают инфразвуки, которые не слышны для уха, но которые давят на перегородку уха и вызывают боль.
Атмосферные электрические явления
Электрические явления (от греч. слова электрон — янтарь) — атмосферные явления, связанные со световым и звуковым проявлением атмосферного электричества.
Виды [ править ]
К электрическим атмосферным явлениям относятся:
- Молния — мощные разряды атмосферного электричества (происходят между облаками и землёй), сопровождаемые вспышкой света (молнией) и звуковыми раскатами (громом), слышимыми на расстоянии до 15−20 км. Гроза связана с кучево-дождевыми облаками, и почти всегда сопровождается ливневым дождём, шквалами ветра, а также градом.
- Зарница — короткие вспышки света, освещающие небо. Связаны с дальними грозами, ночью зарницы можно увидеть на расстоянии на 75−100 км, днём — на расстоянии 15−20 км. Облачность при этом может быть низкой либо вообще отсутствовать.
- Полярное сияние — голубоватое или желтоватое свечение ночного неба в виде обширных причудливых пятен с изменяющимися очертаниями, возникающее в ионосфере при значительных колебаниях земного магнитного поля.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- В.В.БровкинАтмосферные явления — классификация и описание. Метеоцентр. Проверено 8 ноября 2012.