2.2 Сумерки

Сумерки - це проміжок часу між заходом Сонця і настанням ночі (вечірні присмерки), і між кінцем ночі і сходом Сонця (ранкові сумерки)

При опусканні Сонця за горизонт атмосфера освітлюється все менше і згодом настає момент, коли вона зовсім не освітлюється, тобто настає ніч. Протягом цього інтервалу часу небо освітлюється розсіяним світлом Сонця, яке знаходиться під горизонтом. Розсіювання світла обумовлено частинками газів повітря у високих шарах атмосфери.

Якщо б не було атмосфери, то абсолютна темнота замінила б яскраве світіння абсолютно білого дня і навпаки.

Білі ночі - це злиття вечірніх і ранкових астрономічних присмерків.

Астрономічні присмерки - це інтервали часу між заходом Сонця і появою на небосхилі зірок і між кінцем ночі і сходом Сонця.

2.4. Веселка

Навряд чи знайдеться людина, яка б не милувалася веселкою. З'явившись на небосхилі, вона мимоволі привертає увагу. Про веселку складали легенди, приписували їй дивовижні властивості. У древніх греків богиня веселки Іріда виступала як посередниця між людьми і богами, вона ніби передавала людям волю богів. Дивлячись на веселку, древні греки вірили, що вона сполучає небо і землю.

Спробуємо пояснити це явище з точки зору фізики. Звичайна спостережувана веселка - це є кольорова дуга з кутовим радіусом 42°, видима на фоні завіси зливи. Веселку видно в стороні небосхилу, протилежній Сонцю, яке не закрите хмарами. Різнокольорова дуга знаходиться на відстані 1-2 км від спостерігача, іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на фоні водяних крапель, які утворені розпилювачами води та фонтанами. Зовнішня дуга веселки червона, за нею йде помаранчева, жовта, зелена і т.д. закінчуючи внутрішньою -фіолетовою. Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що сполучає сонце і око спостерігача. Ця точка знаходиться під горизонтом. А лінія ця називається протисонячною, вона ніби вісь, на яку веселка надіта подібно колесу (мал. 4).

П ромені, які ідуть від веселки до ока спостерігача утворюють конічну поверхню; кожен з цих променів іде під кутом 42° до осі (це половина кута при вершині конуса). Чим нижче опускається Сонце, тим вище піднімається протисонячна точка, а значить сама веселка все більшою дугою піднімається надгоризонтом, поки при заході Сонця вона не стане напівкруглою. А якщо Сонце піднімається вище над горизонтом, то ця протисонячна точка опускається під горизонт і розміри веселки зменшуються.

Якщо висота Сонця над горизонтом більша 42° веселка зникає під горизонтом. Для спостерігача на літаку веселка буде представлена у вигляді повного кола із тінню спостерігача в центрі.

Дуже часто можна спостерігати зразу дві веселки. Причому друга веселка концентрична з першою і також має в центрі протисонячну точку, але її промені утворюють з віссю, яка проходить через Сонце і око, кут 51-53°. Вона розташовується над першою веселкою. Друга веселка більш широка, менш яскрава і розміщення кольорів у ній зворотне першій веселці: зовнішня дуга у неї фіолетова, а внутрішня - червона. Першу веселку називають основною, а другу - доповнюючою. При висоті Сонця 42° основна або головна веселка зникає під горизонтом і над горизонтом залишається лише частина доповнюючої веселки, а при висоті Сонця більше 53° і доповнююча веселка зникає. Тому в середніх і екваторіальних широтах опівдні веселку побачити не можна. Веселка виникає внаслідок заломлення сонячних променів в краплинах дощу. При цьому відбувається розкладання світла в спектр, внаслідок чого і виникають кольори веселки. Якщо у краплині відбувається два заломлення і одне відбивання сонячного променя, то виникає перша веселка, а якщо відбувається два заломлення і два відбивання, то виникає друга веселка більшого діаметра, але менш інтенсивна (Рис. 5).

У випадку першої веселки сонячний промінь L, падаючи на дощову краплину V, зазнав у ній два заломлення і одне відбивання. Виходячи з краплини в напрямку L₁він попадає в око спостерігача і дає зображення спектра витягнуте зверху вниз. В око спостерігача попадуть промені від всіх тих краплин дощу, які лежать на колі, центр якого С знаходяться на продовженні лінії, яке іде від Сонця через око спостерігача до простору, в якому іде дощ. Кут у між променями, які падають на краплину і виходять з неї, для червоних « 42,5°, а для фіолетових він становить «40,5°. Таким чином, зовнішній край є червоним, а нижній край буде фіолетовим. Між ними розташовуються всі інші області спектра.

Р озглянемо в детальності веселку (рис. 6).

Пряма ОО₁ називається протисонячною лінією;

О - спостерігач, який розташований спиною до Сонця;

ОСD- площина земної поверхні;

AOO₁=ψ- кутова висота Сонця над горизонтом;

Щоб знайти tgψпотрібно розділити ріст спостерігача на довжину його тіні;

Точка О₁ називається протисонячною точкою;

СД - лінія горизонту.

З малюнка видно, що веселка являє собою конус, вісь якого 001, γ-кут між віссю конуса і його твірною. Спостерігач бачить лише ту частину, яка знаходиться над горизонтом (частина СВД).

AOB= Ф - це кут, під яким спостерігач бачить вершину веселки, а АОД= α- це кут, під яким він бачить основу веселки. Звичайно, що Ф+ψ=γ(1).

Таким чином, положення веселки по відношенню до ландшафту залежить від положення спостерігача по відношенню до Сонця, а кутові розміри веселки визначаються висотою Сонця над горизонтом. Спостерігач є вершиною конуса, вісь якого направлена по лінії, яка сполучає спостерігача із Сонцем, веселка є частина кола основи конуса. При переміщенні спостерігача вказаний конус також переміщується. Тому марно намагатись пройти під веселку. Із формули (1) маємо, що Ф=γ-ψ. Для основної веселки γ=42° (для жовтої частини веселки), а для доповнюючої веселки кут γ=53°.

Перша спроба пояснити веселку як природне явище була зроблена в 1611 році архієпископом АнтоніоДомініко. За це він поплатився життям, бо його вчення і пояснення веселки не узгоджувались із вченням церкви. А вже пізніше в 1637 році РенеДекарт, розвиваючи і спираючись на вчення і ідеї Домініко, пояснив веселку на основі законів заломлення і відбивання світла в краплинах дощу. Але він, а згодом і багато інших вчених того часу, не змогли пояснити виникнення кольорів у веселці. Висувались найрізноманітніші гіпотези і припущення. І тільки в 1672 році І.Ньютон відкрив явище дисперсії і зміг пояснити як саме виникають кольори у веселці.

Дисперсією світла називається явище, зумовлене залежністю швидкості поширення світла від довжини хвилі або його частоти. Величина. Яка виражає залежність показника заломлення від довжини світлової хвилі і дорівнює похідній цього показника за довжиною хвилі λ,називається дисперсією показника заломлення речовини. Тобто І.Ньютон за допомогою призми світловий промінь розклав у кольоровий спектр.

І.Ньютон, спрямувавши сонячний промінь на одну із граней скляної призми, експериментально встановив, що показник заломлення залежить від кольору (довжини хвилі) падаючого світла (рис.7).

Після заломлення на першій та другій гранях промінь розкладається на кольори. При цьому найбільше відхиляється світло фіолетового кольору і найменше - червоного. Оскільки кут падіння і на першу грань у променів однаковий, а кути заломлення різні, то із закону заломлення випливає, що для світла фіолетового кольору показник заломлення найбільший, а для червоного - найменший.

Неодноразово робилися спроби отримати теоретичну залежність n=f(λ). Але пізніше О.Котті(1789-1857) вивів все ж формулу, яка виражає залежність n від λ:

Де λ₀- довжина хвилі у вакуумі;А, В, С - константи, значення яких для кожної речовини визначається дослідним шляхом. Тому і маємо, що зовнішній край веселки є червоним, а внутрішній - фіолетовий.

У веселки, як і у спектра, розрізняють сім основних кольорів, які поступово переходять один в інший, і лише око самочинно згуртовує їх в групи.

Розглянемо хід променів у краплині. Нехай паралельний пучок сонячних променів падає на краплину. Оскільки поверхня краплини крива, тому у різних променів будуть різні кути падіння. Вони будуть змінюватись від 0° до 90°. Промінь, який падає на поверхню краплини в точці А заломлюється всередині неї по закону заломлення: n₁ sini= n₂sinr, де n₁=1,n₂=1,33 (вода), i - кут падіння; r- кут заломлення. Всередині краплини промінь іде по прямій АВ. В точці В відбувається часткове заломлення світла. Чим менший кут падіння в точці В, а значить і в точці А, тим менша інтенсивність відбитого променя і тим більша інтенсивність заломленого променя. Промінь АВ після відбивання в точці В проходить під кутом r= rі попадає в точку С, де також відбувається часткове відбивання і часткове заломлення світла. Заломлений промінь виходить із краплини у₁, а відбитий промінь може пройти далі, в точку Д і т.д.

Таким чином промінь світла в краплині може випробувати будь-яке число (k) відбиттів і заломлень. При кожному відбиванні деяка частина променів виходить з краплини і інтенсивність їх всередині краплини зменшується. Найбільш інтенсивним з променів, які вийшли з краплини є промінь, який вийшов в точці В. Але спостерігати його важко, так як він губиться на фоні яскравих прямих сонячних променів. А ті промені, які заломились в точці С утворюють першу веселку, а ті, які заломились в точці Д - другу веселку, яка є менш інтенсивною.

Можна підрахувати кут повороту променя після відбивання всередині краплини. З малюнку видно, що

,

Де k - число внутрішніх відбивань. Для випадку першої веселки (k = 1) підраховано, що Q= 138°, φ₁=42° де φ₁- кут під яким ми спостерігаємо веселку:

Для випадку другої веселки k = 2 маємо: Q= 232°-233°, φ₂=-32°-(-53°). Звідси видно, що в розглянутому випадку веселка другого порядку із землі невидима. Для того, щоб її побачити світло повинно входити в краплину знизу.

Підраховано також, що мінімальне відхилення крайніх кольорових променів спектра буде наступним: Q_ч=137°30', Q_ф =139°20'. Решта кольорівзаймуть проміжні між ними положення, причому φ_чер=180°-137°30' = 42°30';.φ_фіол= 40°40'.Тобто фіолетові промені заломлюються більше ніж червоні(згідно теорії дисперсії).

Зображення основної веселки формується променями, які вийшли під найбільшим кутом порівняно з початковим напрямком променя (φ₁= 42°). А додаткова веселка формується променями з найменшим кутом.

Яскравість деяких кольорів веселки, ширина дуг, положення доповнюючих дуг залежить в значній мірі від розмірів краплин дощу. По самому вигляду веселки можна оцінити розміри краплин.

Якщо діаметр крапель 1-2 мм: дуже яскраві фіолетовий і зелений кольори, є червона дуга, голуба майже непомітна. Багато виникає доповнюючих дуг (до 5 дуг), фіолетово-рожеві разом із зеленими безпосередньо приєднуються до першої веселки.

Якщо діаметр 0,5 мм: червоний колір значно слабший. Кілька фіолетово-рожевих і зелених доповнюючих дуг міняють одна одну.

Якщо діаметр 02-03 мм: червоного кольору вже не існує; дуга широка. Доповнюючі дуги стають все більш широкі і жовті.

Якщо діаметр 0,08-0,10 мм: веселка ширша і блідіша. Самим яскравим кольором є фіолетовий.

Якщо діаметр 0,06 мм: основна веселка ще більш широка і містить білі смуги.

Якщо діаметр 0,05 мм і менше: веселка стає білою. Вона приблизно у два рази ширша звичайної веселки і має вигляд блискучої білої смуги.

Веселку також можна спостерігати і вночі, але вона буде слабкою. Побачити її можна після нічного дощу, коли місяць не закритий хмарами. У місячних веселках відсутній червоний колір. В природі також зустрічаються білі веселки. Вони з'являються при освітленні сонячними променями слабкого туману, який складається з краплин діаметром 0,05 мм або менше. Такі веселки називаються туманними.

Якщо веселка виникає ввечері, перед заходом Сонця, то спостерігають червону веселку. В останні 5-10 хвилин перед заходом Сонця всі кольори, крім червоного зникають і веселка стає дуже яскравою протягом 10 хвилин після заходу.