ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Оптические явления в природе

Мы видим окружающий мир таким прекрасным благодаря тому, что природа наградила нас зрением, способным воспринимать много оттенков цветов и будто бы задерживать изображение, возникающее на сетчатке глаза. Природные явления становятся перед нами во всей своей красе, и иногда… обманывают нас.

Поговорим о некоторых из явлений, связанных с распространением света и его восприятием человеческим глазом.

Конечно, не все оптические эффекты, которые мы наблюдаем, будут здесь рассмотрены. Коснемся, вероятно, самых красивых и интересных из них.

Миражи

В жаркие солнечные дни на асфальтированных шоссе водители автомашин часто наблюдают такую картину: некоторые участки асфальта, находящиеся перед автомашинами на расстоянии около 80—100 м, кажутся покрытыми лужами. Когда водитель подъезжает ближе к этому месту, лужи исчезают и снова появляются перед ним, примерно на том же расстоянии.

Природа никогда не обманывает нас, это мы сами постоянно обманываемся.

Ж. Ж. Руссо

А вот еще одна картина. Представьте себе раскаленную пустыню: вокруг, куда ни глянь – раскаленный горячий песок. И вдруг впереди, где-то на линии горизонта, возникает озеро. Его видно совсем реально. Кажется, что нужно преодолеть всего лишь один-два километра, и можно будет освежиться. В воображении возникает даже плеск воды. Но вот вы проходите и один, и второй, и третий километр, а озеро все так же где-то впереди, а вокруг, по-прежнему, одни пески.

Оба эти случая являются миражами – оптическими явлениями, которые заключаются в том, что, кроме предметов в их реальном виде, можно видеть их мнимые изображения.


i 227

Мираж



Чаще всего такие явления наблюдают в пустыне, потому что именно там слой воздуха вблизи раскаленной песчаной поверхности очень нагревается. При этом плотность этого слоя относительно верхних слоев меньше, а показатель преломления (о нем уже шла речь ранее) тоже снижен. Поэтому световые лучи, идущие от предметов, будут изгибаться.

Например, если в ясный день наблюдатель стоит где-то поблизости песчаного бархана, то световой луч от определенного участка неба попадет ему в глаза, испытав искривление. Это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок неба не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним будет изображение голубого неба.

Если у линии горизонта находятся пальмы, холмы или что-то другое, то благодаря искривлению лучей наблюдатель увидит их перевернутыми. Он будет воспринимать это как отражение соответствующих объектов в несуществующей воде! Так возникает оптическая иллюзия, которую называют нижний, или «озерный» мираж.

Иллюзия так же нужна для нашего счастья, как и действительность.

К. Бови

Случается, что воздух у самой поверхности земли может быть не нагретым, а наоборот, заметно холоднее по сравнению с более высокими слоями. В таком случае световые лучи тоже будут изгибаться, но выпуклость их траектории будет направлена вверх. Поэтому наблюдатель сможет увидеть те объекты, которые скрыты от него линией горизонта. Причем эти объекты будут словно висеть над горизонтом в воздухе. Такие миражи так и называют – верхними.

Когда плотность воздуха и его оптические свойства меняются с высотой неравномерно, возникают двойные и тройные миражи. В этих случаях можно наблюдать несколько изображений объектов.

Под воздействием ветра и вертикальных воздушных потоков слой холодного воздуха может изменяться по толщине, перемещаться вверх-вниз. Поэтому и верхнее, и нижнее изображение со временем будут меняться, создавая различные, будто живые картины. Так возникает знаменитая «Фата-Моргана» – мираж, когда одна картина неуловимо сменяется другой, запутывая путешественников, пытающихся достичь замечательных мест, которые им привиделись.

Гораздо меньше изучены так называемые сверхдальние миражи, когда наблюдаются изображения объектов, находящихся на расстояниях сотен километров. Считают, что это становится возможным, когда световые лучи попадают в слой холодного воздуха, будто зажатого слоями горячего воздуха. Световые лучи распространяются в этом слое, как в световоде. Однако на это явление влияют еще и другие факторы. Возможно, в атмосфере при определенных условиях создаются своеобразные воздушные линзы, что приводит к появлению вторичных миражей (миражи от миражей). Кроме того, вероятно, определенную роль играет ионосфера – слой в атмосфере Земли, который находится на высоте 70—100 км, – способная отражать световые лучи.

Источник поэтического вдохновения – радуга

Чудесное явление – радуга – издавна поражало воображение людей. О радуге слагали легенды, ей приписывали удивительные свойства. У древних греков богиня радуги Ирида выступала посредником между богами и людьми. Глядя на радугу, греки верили, что она соединяет небо и землю.

С радугой почти всегда связывали чувство радости и облегчения. Например, по библейской легенде бог Яхве после Всемирного потопа повесил на небо радугу в знак того, что он больше не будет так жестоко наказывать людей.

О радуге часто вспоминали поэты, например великий английский поэт Дж. Г. Байрон, немецкий философ и поэт И. Гете, немецкий романтик Ф. Шиллер.


i 228

Радуга



Байрон написал:

Все ободрились: радугу они

Считали добрым предзнаменованьем;

И римляне, и греки искони

Подобным доверяли указаньям.

В стихах Ф. И. Тютчева находим:

Как неожиданно и ярко

На влажной неба синеве

Воздушная воздвиглась арка

В своем минутном торжестве!

Один конец в леса вонзила,

Вторым за облака ушла —

Она полнеба обхватила

И в высоте изнемогла.

О, в этом радужном виденье

Какая нега для очей!

Оно дано нам на мгновенье,

Лови его – лови скорей!

Когда-то английские поэты XVII в. упрекали Ньютона в том, что он, объяснив происхождение радуги, замахнулся на ее красоту. Но давайте не будем упрекать ученых – знания о природных явлениях не превратят нас в бездушных роботов, и мы всегда сможем ощутить прелесть Лермонтовских строк:

Там разноцветною дугой,

Развеселясь, нередко дивы

На тучах строят мост красивый,

Чтоб от одной скалы к другой

Пройти воздушною тропой.

Наблюдая радугу, люди, естественно, пытались понять ее происхождение. Сначала стало ясно, что это явление связано с наличием в атмосфере капелек воды. Одна из первых научных работ по этому поводу была напечатана еще в 1571 г. Автором ее был Флетчер, который считал, что появление радуги связано с двукратным преломлением света в одной капле воды и последующим отражением от второй капли.

Позже сначала итальянец Антонио Доминико, а затем француз Рене Декарт правильно объясняли появление радуги преломлением света именно в одной капле. В своем трактате Декарт объяснял также, почему радуга появляется именно тогда, когда высота Солнца над горизонтом составляет сорок два градуса. Однако ни Доминико, ни Декарт не смогли правильно объяснить появление цветов радуги. Это сделал Ньютон!

На основании своих похожих на чудо опытов с призмами Ньютон обнаружил, что «свет состоит из лучей всех цветов не только после выхода из призмы, но и тогда, когда он еще не дошел до призмы, до преломления». Напомним, что открытое Ньютоном явление называют дисперсией света.

Сейчас мы не будем приводить полное объяснение явления радуги, так как для понимания этого вам нужны большие знания математики и физики (надеемся, позже вы их получите в школе!). Однако скажем, что в этом явлении главным считается преломление солнечного света в капельках воды, причем размер этих капелек тоже влияет на то, что именно наблюдается.

Гало

Если радугу видел каждый из нас, то явление гало, пожалуй, нет. Это оптическое явление бывает довольно редко, однако о нем можно услышать или прочитать в исторических романах, описаниях и т. д.


i 229

Гало



Это явление заключается в том, что на небе наблюдают, кроме истинного светила – Солнца или Луны, – так называемые ложные. В давние времена появление светящихся колец, крестов или нескольких солнц или лун люди воспринимали исключительно как зловещее знамение.

В рассказе Джека Лондона «Тропой ложных солнц» можно прочитать: «С двух сторон солнца стоят ложные солнца, так что в небе их сразу три. В воздухе от мороза алмазная пыль».

Вообще гало могут выглядеть по-разному – светящиеся кольца, столбы, кресты, «ложные светила». Кстати, и само слово «гало» происходит от греческого halos – «круг».

Причиной появления гало является преломление света в ледяных кристалликах и отражения от их граней. Преломление приводит к появлению слегка окрашенных элементов гало; отражение дает белые элементы гало: их цвет совпадает с цветом светила (Солнца или Луны).

Своей чрезвычайной симметрией гало обязано правильной форме ледяных кристалликов. При этом значительную роль играет упорядоченная ориентация этих кристалликов в пространстве.

Северное сияние

Веками люди восхищались величественной картиной северного сияния, и, конечно же, человека интересовало его происхождение.

Одно из древнейших упоминаний этого природного явления встречается у Аристотеля. Он писал: «Иногда в ясные ночи наблюдается на небе множество явлений – сияния, провалы, кроваво-красная окраска. Кажется, будто полыхает пламя».

Там, где жил Аристотель, северное сияние бывает очень редко, но все же бывает. В таких случаях оно отличается особым богатством красок с преобладанием именно красных тонов.

А вот описание северного сияния, сделанное еще в I в. н. э. римским философом Сенекою: «Некоторые из них выглядят как пустота, когда под светящейся короной свечение отсутствует и образуется как бы овальный вход в пещеру, другие – как бочки, когда видно большое закругленное пламя, перемещающееся с места на место…»

Северное сияние у одних людей вызывало страх, у других, наоборот, – веру в то, что их ждет поддержка в великих делах. Так, во время битвы на Чудском озере Александра Невского с немцами (1242) на небе вдруг появились вспышки (так на Руси называли северное сияние). Согласно легенде, русские воины увидели в этом добрый знак и с удвоенной силой пошли на врага.

Тайна северного сияния оставалась нераскрытой на протяжении многих веков. Относительно их происхождения была выдвинута масса гипотез, порой очень наивных. Так, некоторые считали, что такое сиянио является отблеском солнца, опустившегося за горизонт. Другие предполагали, что это свет, который излучают полярные льды при особенно сильных морозах.

М. В. Ломоносов тоже интересовался природой северного сияния. Он даже в поэтической форме сформулировал вопросы, которые при этом возникают:

Что зыблет ясной ночью луч?

Что тонкий пламень в твердь разит?

Как молния без грозных туч

Стремится от земли в зенит?

Как может быть, чтоб мерзлый пар

Среди зимы рождал пожар?

В опытах по электричеству, которые проводил Ломоносов, он увидел нечто общее со свечением в атмосфере. Ученый считал, что свечение газового электрического разряда и северное сияние близки по своей природе. Подобные выводы сделали Б. Франклин и Ж. Кантон.


i 230

Северное сияние


i 231

Северное сияние



По-настоящему разобраться в том, как возникает это очень красивое природное явление, ученые смогли только в наши дни. Но и сейчас некоторые вопросы остались еще не выясненными.

Чаще всего встречаются четыре формы сияния: однородная дуга, лучи (лучевая полоса), ленты, размытые пятна (их называют диффузными пятнами).

Различные формы северного сияния могут возникать одновременно и накладываться друг на друга. Лучи, ленты и пятна перемещаются, при этом интенсивность их свечения со временем меняется. Обнаружено, что скорость движения лучей и лент достигает десятков километров в секунду!

В течение ночи можно наблюдать постепенное превращение одной формы сияния в другие. Например, однородная дуга разбивается на лучи или превращается в сложные ленты, а затем распадается на облакоподобные пятна.

Если посмотреть на нашу Землю из космоса, то сияние, о котором мы говорим, будет наблюдаться в определенных зонах, окружающих овалом полюса планеты. Такие овалы смещены в ночную сторону земного шара.

На дневной стороне земного шара (стороне, обращенной к Солнцу) овальная зона простирается от широты 75° до широты 85°, а на ночной – примерно от 60° до 70°. Интересно, что положение овала зоны является фиксированным относительно Солнца. В течение суток Земля совершает оборот под этим овалом.

Когда солнечная активность повышается, размеры зоны сияния значительно увеличиваются. После особо крупных волнений эта зона может так расшириться, что достигнет средних и даже низких широт. При этом заметно возрастает интенсивность свечения сияния. Как же объяснить это явление?

От нашей звезды Солнца во всех направлениях непрерывно распространяются электромагнитное излучение и потоки заряженных частиц (эти потоки называют солнечным ветром). Когда заряженные частицы попадают в земную атмосферу, на них действует магнитное поле Земли – наиболее сильное именно у полюсов. Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферы, частицы вызывают так называемую люминесценцию – свечение в атмосфере, что и представляет собой северное сияние.

Таким образом, северное сияние – это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия заряженных частиц (электронов и протонов) с атомами и молекулами земной атмосферы.

Свечение моря

Существует много описаний свечения моря, основанных на собственных наблюдениях этого впечатляющего природного явления. Большинство описаний принадлежит, естественно, мореплавателям. Они пишут о светящихся волнах, расходящихся от корабля, о световой дорожке за кормой, о полыхающих глубинах. Иногда свечение занимает огромные пространства; вокруг, сколько охватишь взглядом, увидишь светящиеся гребни, длинные светящиеся полосы, которые могут быть настолько яркими, что на низких облаках возникают блики. Особенное впечатление производят изменчивые световые «фигуры», состоящие из ярких пятен, полос, кругов, завихрений.

Как великий художник, природа умеет и малыми средствами достичь больших эффектов.

Г. Гейне

Очень яркое свечение бывает во время цунами – огромных волн, падающих на побережье, когда под морским дном или в прибрежной полосе происходит землетрясение. Приближаясь к берегу, такие волны сначала вызывают сильный отлив – море вдруг отступает, иногда на километры. И вслед за этим вода возвращается в виде волны, высота которой может достигать десятков метров. Ее удар сметает все на своем пути; волна разрушает дома, выбрасывает на берег суда, вырывает с корнем и ломает толстые деревья. Перед тем как вот-вот должна прийти волна цунами, наблюдается особенно сильное свечение моря. Морское дно, оголившееся при кратковременном отливе, полыхает ярким светом.

Отметим две особенности свечения моря. Во-первых, оно возникает не «само по себе», а в ответ на воздействия возбуждающего характера. Возбуждающими факторами могут быть всевозможные волнения морской поверхности, прибой, прохождение судна и особенно землетрясение и образование волн цунами. Даже за обычной лодкой может возникать светящийся след, при этом с весел падают «огненные» капли, от их ударов по воде расходятся светящиеся круги.

Во-вторых, свечение моря характеризуется исключительной изменчивостью. Оно может вспыхнуть ярко в одном месте, внезапно исчезнуть в другом; интенсивность его может быстро изменяться во времени.

Море светится, как правило, зеленоватым и голубым светом. Реже наблюдается желто-зеленое и желтое свечения. Очень редко можно видеть свечение других цветов – фиолетового, оранжевого, красного.

Светящиеся организмы

Свечение моря – это всегда свечение живых организмов. Очень распространенные в прошлом представления о том, что свечение моря вызывают растворенные в морской воде соли или окисляющийся фосфор оказались неверными. Есть все основания называть свет, рождающийся в море, «живым светом».

Сегодня известно более 800 видов светящихся морских организмов – от светящихся бактерий и одноклеточных жгутиконосцев до светящихся рачков и рыб. Среди «сухопутных» организмов светятся только некоторые виды насекомых (жуки из семейства светляков, личинки отдельных видов комаров), а также некоторые виды грибов. Именно грибы вызывают хорошо известное свечение трухлявого дерева в лесу.

Светящиеся бактерии разделяют на две группы. К первой относятся бактерии, которые могут свободно жить в морской воде. В одном литре морской воды содержится в среднем 103—104 таких бактерий. Они часто поселяются на мертвой рыбе, в результате чего рыба загнивает, начинает светиться.

Вторую группу светящихся бактерий составляют бактерии, являющиеся сожителями рыб и головоногих моллюсков. Светящиеся органы некоторых рыб представляют собой специальные культиваторы для таких светящихся бактерий. Кровеносная система рыбы обеспечивает бактерии питательными веществами, доставляет им кислород, выводит продукты обмена. Когда кровеносные сосуды рыбы сжимаются, прилив крови уменьшается, а вместе с тем уменьшается и доступ кислорода к бактериям, вследствие чего свечение бактерий ослабевает или даже прекращается.

Расширение сосудов вызывает, наоборот, вспышку свечения.


i 232

Ночной призрак морского дна – способный светиться червь-трубкожил



Было бы, однако, неправильно думать, что свечение любых организмов связано со свечением бактерий, живущих в них. Многие организмы излучают свет сами, они имеют для этого специальные органы (фотофоры), нередко весьма сложные.

В прибрежных зонах морей распространены светящиеся одноклеточные жгутиконосцы – так называемые ночесветки. Отдыхающие на берегу Черного моря могут любоваться создаваемым ночесветками свечением воды, искрящимся у берега. Сама ночесветка красного цвета, ее свечение имеет голубоватый цвет. Большие ночесветки могут быть диаметром 1–2 мм; их хорошо видно невооруженным глазом. Внешне они напоминают мелкозернистую красную икру.

И. А. Гончаров в романе «Фрегат «Паллада» так описывает встречу со скоплениями ночесветок у берегов Японии: «Множество красной икры, будто толченый кирпич, пятнами покрывает в разных местах море. Икра эта сияет по ночам нестерпимым фосфорическим блеском. Вчера свет был так силен, что из-под судна как будто вырывалось пламя; даже на парусах отражалось зарево; за кормой стелется широкая огненная улица…»

Светятся также многие виды медуз. Среди них часто встречается в морях и океанах оранжевая медуза – пелагия. Ее купол имеет диаметр до 25 см, а длина щупалец достигает двух метров. Когда медузу раздражают, на поверхности ее купола и щупалец возникают светящиеся зеленые полосы.

Довольно эффектен и светящийся рачок эуфаузида. Он достигает в длину 3–5 см и дает очень сильный свет. Распределенные по телу рачка светящиеся органы имеют сложное строение. Они могут поворачиваться, способны изменять интенсивность излучения.

Очень интересен светящийся мелководный кальмар ватасения, живущий в Японском море. Он тоже имеет многочисленные светящиеся органы (фотофоры). Особенно ярко светятся фотофоры на концах щупалец.

Свечение рыб бывает трех видов: внеклеточное (раздраженная рыба выбрасывает облако светящейся слизи), внутриклеточное (создаваемое специальными светящимися органами, содержащими излучающие клетки), бактериальное (создаваемое светящимися бактериями, живущими в определенных местах на теле рыбы).


i 233

Кальмар



Фотофоры рыб с внутриклеточным свечением разнообразны, часто имеют сложное строение. У них есть отражатели, линзы, диафрагмы, светофильтры. Фотофоры могут покрывать рядами тело рыбы снаружи, как, например, у некоторых видов акул, но могут находиться и внутри тела рыбы, как, например, у рыбы рабдамии. У этой рыбы скрытые внутри тела светящиеся органы представляют собой специальные наросты кишечника. Излучение, исходящее от светящихся органов рабдамии, выходит наружу через две полупрозрачные линзы с брюшной стороны тела рыбы.


i 234

Глубоководная креветка защищается от рыбы световой завесой



Интересно, что свечение организмов возникает лишь при наличии определенного внешнего раздражителя и является своеобразной реакцией на него. Характер раздражения может быть различным. Высокоорганизованные организмы можно раздражать светом, они отвечают световым откликом на световые сигналы организмов того же вида.

Также раздражители могут быть химическими, механическими, тепловыми, электрическими. Например, ночесветки и мелкие рачки отзываются световыми импульсами на любое механическое раздражение – малейшее волнение водной массы, ее незначительные перемещения и т. п. Существуют организмы, которые не реагируют ни на механические, ни на электрические раздражители, но загораются при добавлении к морской воде пресной воды.

Даже у самых простых светящихся организмов (бактерий, жгутиконосцев) свечение является довольно сложным процессом – оно связано с выработкой специального фермента – люциферазы. Еще более сложным является этот процесс у высокоорганизованных существ – рачков, моллюсков, рыб и т. п.; они имеют специальные светящиеся органы. Все это указывает на то, что способность излучать свет имеет для них жизненно важное значение.

Природа не имеет органов речи, но создает языки и сердца, при посредстве которых говорит и чувствует.

И. Гете

Дело в том, что в темноте моря свечение организмов позволяет им ориентироваться, охотиться, узнавать друг друга. Световые сигналы могут служить для отпугивания или обмана хищников. Например, рачок, вспыхнув, быстро отскакивает в другую сторону, а хищник бросается на вспышку и… не попадает в цель!

Таким образом, свечение живых организмов является, прежде всего, сигнализацией. Однако значительное большинство живых организмов, вызывающих свечение моря, составляют одноклеточные организмы. Но объяснить свечение одноклеточных организмов так же, как и для высокоразвитых организмов, не удается, потому что они не имеют пола, среди них нет хищников и жертв. Сегодня вопрос о биологическом смысле свечения моря все еще остается до конца не решенным.

Для того чтобы разгадать эту загадку природы, нужно провести серьезные исследования по изучению поведения светящихся обитателей морских глубин.



Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru