22. Оптические явления в атмосфере Земли
При распространении света в атмосфере Земли наблюдаются: рефракция света, мерцание звезд, миражи, радуга, гало и другие явления.
3.1Рефракция света
Преломление сета происходит в одной среде, но оптически неоднородной.
Рефракцией называют отклонение лучей света от прямолинейного распространения в оптически неоднородной среде.
Например, при распространении света в атмосфере Земли абсолютный показатель преломления и диэлектрическая проницаемость зависят от плотности атмосферы и монотонно убывают по мере удаления от поверхности Земли.
Следовательно, луч света от Солнца или какой-либо другой звезды, проходя через всю атмосферу, искривляется так, что его выпуклость обращена в сторону нормали к поверхности Земли в точке наблюдения. Поэтому астрономическая рефракция приводит к увеличению продолжительности дня. При восходе и заходе Солнца его диск виден полностью даже тогда, когда верхний край диска находится ниже горизонта. В полярных широтах (вблизи полюсов) астрономическая рефракция вызывает сокращение полярной ночи на несколько суток.
3.2Мерцание звезд
В нижних слоях атмосферы Земли непрерывно перемещаются потоки воздуха, которые вызывают нерегулярные изменения условий рефракции света, идущего от звезд. Наблюдается мерцание звезд, т.е. происходит изменение их яркости и окраски, особенно у звезд, находящихся у горизонта, из-за турбулентных процессов, происходящих в атмосфере Земли.
3.3Миражи
В жаркие безветренные дни в степях и пустынях наблюдается нижний мираж, при котором кажется, что вдали от наблюдателя поверхность Земли подобна поверхности воды, отражает небо и далекие предметы. Такое же явление можно наблюдать и на асфальтированной или бетонированной дороге. Нижний мираж объясняется аномальными изменениями плотности воздуха и абсолютного показателя преломления атмосферы в слое воздуха, прилегающем к сильно нагретой поверхности Земли в зависимости от высоты. Поэтому лучи света от удаленных предметов падают на этот слой воздуха под малыми углами к его плоскости, испытывают полное внутреннее отражение (рис. 4, а).
Если температура быстро возрастает по мере удаления от поверхности, то возникает полное внутреннее отражение в верхних частях этого слоя, что приводит к возникновению верхнего миража. Он наблюдается над морем и представляет собой перевернутое (мнимое) изображение удаленных кораблей, расположенное под ними (рис. 4, б).
23. Гравитационные линзы
Известно, что силы тяготения особенно сильно проявляются при взаимодействии массивных космических тел: планет, галактик и других объектов Вселенной. Гравитации подвержены и элементарные частицы: электроны, протоны, в том числе и фотоны – частицы (кванты) света.
Следовательно,
световой луч, проходя вблизи массивного
небесного тела, изменяет свое
первоначальное направление, отклоняясь
на некоторый угол g–
угол преломления световых лучей в
гравитационном поле звезды (рис. 6), где
rg
=
– гравитационный радиус – это
минимальный радиус сжатой гравитационными
силами звезды, когда свет не может
покинуть ее; с – скорость света в
вакууме;
– гравитационная постоянная; М – масса звезды; р – наименьшее расстояние от невозмущенного светового луча до центра притяжения.
Рис. 6
В основе эффекта гравитационной линзы лежит преломление световых лучей в неоднородном поле тяготения, например, звезды, квазара. Сильнее всего в гравитационном поле звезды преломляются те лучи, которые проходят непосредственно у края ее диска.
Для этих лучей
где R – радиус звезды.