5.5.4. Оптичні, електричні та акустичні явища у хмарах

Електричні явища під час грози. На зрілій стадії свого розвитку грозові хмари породжують блискавки – електричні розряди в атмосфері. Довгий час природа блискавки була невідома людині. І лише в 1752 році Бенджамін Франклін експериментально довів, що блискавка – це сильний електричний розряд. Саме він винайшов громовідвід. Одночасно з Франкліном вивченням природи цього атмосферного явища займалися французький вчений Далібар та знамениті російські дослідники М.В. Ломоносов і Г.В. Ріхман. Під час проведення одного з дослідів Ріхман загинув. Це сталося 26 липня 1752 року. У фізичній лабораторії Петербурзької академії наук Г.В. Ріхман зі своїм другом проводив дослідження з вимірювання атмосферного електричного поля. Саме у цей час у металевий стрижень на даху будинку, де знаходилася лабораторія, влучив електричний розряд, який спричинила появу кульової блискавки, яка відділилася від . Оскільки громовідвід був з’єднаний із вимірювальним приладом, то блискавка, яка мала форму кулі величиною з кулак, вдарила Ріхмана прямо по лобі. Учений миттєво помер. Зразу ж на місце події прибув М.В. Ломоносов, який й описав цю трагічну подію.

Блискавка – це електричний розряд, який виникає в результаті сильної електризації хмар.

Виникнення блискавок можливе завдяки електричним зарядам, які можуть накопичуватися практично в усіх видах хмар. Навіть у чистій безхмарній атмосфері є вільні електричні заряди. Ступінь електризації хмари збільшується зі збільшенням її геометричних розмірів. Для виникнення блискавок необхідні заряди 10–100 Кл, які перебувають на відстані від 1 до 10 км один від одного. Верхня частина хмари заряджається позитивно, а нижня – негативно. Вважають, що це пов’язано з розбризкуванням у повітрі падаючих дощових крапель. Кожна крапля під впливом електричного поля, створюваного гігантським конденсатором, обкладками якого є Земля (негативний заряд) та іоносфера (позитивний заряд), поляризується так, що верхня її частина заряджається негативно, а нижня – позитивно. На шляху падаючої краплі трапляються інші краплі. Оскільки передня частина краплі заряджена позитивно, то краплі, які зустрінуться їй на шляху і будуть мати позитивний заряд, відштовхуватимуться в сторону, а ті, які матимуть негативний заряд, будуть притягуватись до краплі. Крапля швидко падає, а іони малорухливі, тому до тилової частини краплі, яка має негативний заряд, інші заряди не встигають приєднатися. В результаті падіння крапля все більше набуватиме негативного заряду. Тому верхня частина хмари виявляється зарядженою позитивно, а нижня – негативно. Різниця потенціалів зумовлює потік іонів від нижньої межі іоносфери до Землі.

Види блискавок:

• лінійна – зумовлена виникненням розрядів між хмарою і земною поверхнею, або між хмарами, або навіть між різними частинами однієї хмари. Довжина блискавки може становити декілька кілометрів.

• стрічкоподібні – виникають, коли декілька лінійних блискавок спалахують одночасно, з невеликим зміщенням одна відносно одної. Досить незвичайний вид блискавок.

• кульова – представляє собою вогняну кулю або еліпсоїд. Може мати білий, синій або голубий колір. Яскравість її світла може відповідати світлу 100-ватної лампочки. Діаметр від декількох сантиметрів до декількох метрів. Найчастіше зустрічаються блискавки діаметром до 15–30 см. Існує від 10 с до 1 хв.

• ракетоподібна – нагадує ракету, випущену у повітря.

• чоткова – нагадує собою нитку бусинок, чоток. На фоні хмар виглядає як пунктирна лінія. Такий вид блискавок спостерігають дуже рідко.

Дуже рідко під час грози можна зустріти таке атмосферне явище як вогні святого Ельма, які мають вигляд світло-голубих або фіолетових китиць довжиною від 30 см до 1 м і більше. Зазвичай їх можна спостерігати або на верхівках веж, або на кінцях рей кораблів, які у цей час знаходяться у морі. Іноді здається, що усе судно покрито фосфором і світиться в темноті. Вогні святого Ельма іноді можуть виникати також на гірських вершинах, а також на шпилях і гострих кутах високих будинків. Природа цього явища пов’язана із китицеподібними електричними розрядами на кінцях електропровідників, коли в атмосфері навколо них сильно зростає напруженість електричного поля, в результаті накопичення зарядів.

Грім виникає в результаті вибухоподібного розширення повітря при різкому підвищенні температури у каналі блискавки. Розкати грому утворюються унаслідок різної віддаленості від спостерігача окремих частин розгалуженого каналу блискавки, а також унаслідок багатократного відбивання звукової хвилі хмарами та земною поверхнею. За затримкою грому після спалаху блискавки, яка його породила, можна оцінити відстань, на якій вирує гроза. Для цього час затримки громового удару потрібно помножити на середню швидкість поширення звуку у тропосфері, яка становить близько 330 м/с. Грім від дуже далеких блискавок (понад 15–20 км) спостерігачем здебільшого не фіксується, оскільки звукова енергія розсіюється і поглинається атмосферою на своєму шляху. Такі блискавки називаються блискавицями або зірницями.

Райдуга. Це велика арка, яка складається із різнокольорових смуг, які можна спостерігати коли Сонце освітлює лише частину небосхилу, а повітря ще насичене краплинами води, наприклад, під час дощу.

Колір виникає в результаті проходження сонячних променів через краплі води, де вони відбиваються від краплі, заломлюються і виходять знову. При цьому подвійному заломленні світла різні кольорові промені змінюють свій напрям не однаково. Білий промінь світла розкладається у спектр. Таким чином у дощовій краплі відбувається відразу три явища: заломлення світла, його відображення і розкладання на складові кольори. З краплі, на яку впав білий сонячний промінь, вийдуть різнокольорові промені спектра. Але в очі спостерігача може потрапити від кожної краплі лише будь-який один кольоровий промінь, наприклад блакитний. Усі інші промені, заломившись у цій краплі, впадуть в іншому місці, вони пройдуть вище або нижче ока спостерігача. Від іншої краплі побачимо промінь іншого кольору, третя крапля пошле нам в очі третій кольоровий промінь. У райдузі ми бачимо сонячні промені розкладені на свої спектральні кольори. Тобто положення райдуги на небі повинно залежати від положення сонця. Помічено, що яскравість райдуги змінюється в залежності від того, яка кількість дощових крапель знаходиться у повітрі, і від величини цих крапель. Райдуга тим яскравіша, чим крупніші краплі дощу. Коли в повітрі знаходиться більш великі дощові краплі, яскраво виділяються зелена і фіолетова смуги. Добре видна також червона смуга. Більш дрібні краплі дають райдугу, в якій виділяється жовте світло. Однак кольори ніколи не бувають чистими і чіткими, оскільки смуги перекриваються.

Дуже часто над основою райдуги можна спостерігати ще одну додаткову райдугу, яка ширша і розмита.

Кольори у додатковій райдузі чергуються у зворотному напрямку: від фіолетового (зовнішній край) до червоного (внутрішній край). Між червоними краями основної і додаткової райдуги знаходиться темна смуга. Її називають Олександровою смугою – на честь грецького філософа Олександра, який жив у ІІ ст. і помітив цю особливість. Основну райдугу ми спостерігаємо під найбільшими кутами відхилення для кожного кольору, а додаткову – під найменшими.

Для спостерігача, який знаходиться на відносно рівній земній поверхні, райдуга з’явиться за умови, що висота Сонця над горизонтом не перевищуватиме 42° (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема заломлення сонячного світла під час утворення основної райдуги

Чим нижче сонце, тим більшою буде кутова висота вершини райдуги і тим, більшою буде частина райдуги, яку можна спостерігати. Додаткову райдугу можна побачити, якщо висота Сонця над горизонтом не перевищує 53° (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схема заломлення сонячного світла під час утворення додаткової райдуги

Спостерігачу здається ніби райдуга розміщена в одній площині. Але це не так, це – ілюзія. Насправді райдуга має велику глибину. Її можна уявити у вигляді порожнистого конуса, на вершині якого знаходиться спостерігач.

Гало. Гало – це білі або райдужні дуги навколо Сонця або Місяця. Вони можуть мати досить своєрідний вигляд: яскраві кільця, хрести, стовпи, несправжні світила (рис. 5.11). "Гало" походить від грецького halos – "круг". Гало – це завжди виключно рідкісне явище і спостерігається на фоні перисто-шарових або інших хмар, які складаються із дрібних льодяних кристаликів. Причиною виникнення гало є заломлення світла і відбивання від льодяних кристалів. В результаті заломлення світлових променів гало може забарвлюватись в райдужні кольори. Для виникнення гало необхідно, щоб більшість кристалів мали правильну форму, а саме форму шестигранних призм. Спостерігач бачить гало під найменшим кутом відхилення променів і стояти він повинен обличчям до сонця. Грані кристала відбивають промені світла під кутом 22°, утворюючи червонувате з внутрішнього боку гало. Але воно може мати також всі кольори спектру. Його називають "мале гало". Рідше можна зустріти гало з кутовим радіусом 46°, яке розміщується концентричним колом навкруги малого гало. Його внутрішній бік також може мати червонуватий відтінок. Це "велике гало". Дуже рідко можна зустріти 90-градусне гало, яке являє собою кільце, що має спільний центр із великим і малим гало. Воно може бути безбарвним або мати червонуватий колір на зовнішній стороні кільця.

Рис. 5.11. Основні форми гало

Іноді можна спостерігати біле кільце з центром в точці зеніту, яке проходить через Сонце паралельно горизонту. Це паргелічне коло або несправжнє сонце. Причиною його виникнення є відбиття сонячного проміння від поверхні граней кристаликів льоду. Якщо кристали достатньо рівномірно розміщені у повітрі, то стає видно повний круг. Паргелії або несправжні сонця – це яскраві плями, які за своїм зовнішнім виглядом нагадують Сонце і утворюються в точках перетину паргелічного кола із малим та великим гало. Найчастіше утворюється найяскравіший паргелій у точці перетину із малим гало., який забарвлений практично у всі кольори райдуги. Несправжні сонця в місці перетину із великим гало утворюються дуже рідко. Іноді виникають паргелії в місці перетину паргелічного кола із 90-градусним гало, тоді їх називають парантеліями. Дуже цікавий і рідкісний вид гало – дуги Ловіца. Вони виникають як продовження паргеліїв, які ще перетинаються із малим гало, проходять із його внутрішньої сторони і трохи ввігнуті в сторону Сонця. Стовпи білуватого кольору, різні хрести, які видно на світанку або ввечері, особливо у полярних районах, виникають саме у цих місцях.

Вінця, або корона – невеликі ледь забарвлені концентричні кільця, які виникають навколо Сонця, Місяця або інших яскравих об’єктів, світло яких просвічує через тонкі хмари Cs, Cc або As, Ac, Sc. Вони утворюються унаслідок дифракції світла при проходженні через дуже малі проміжки між хмарними елементами (крапельками або кристаликами). У цьому випадку хмара відіграє роль дифракційних ґраток з рівномірно розподіленими в усі сторони елементами.

Цілком розвинута корона має такий вигляд: безпосередньо поблизу світила видно блакитне або білясто-блакитне кільце, яке через жовтуватий тон переходить у зовнішнє червонувате кільце, – це так званий ореол або вінець першого порядку. Ореол може бути оточеним зовні концентричними кольоровими кільцями з таким же розташуванням кольорів, але менш яскравими – це вінця другого, третього порядку й т. д. Вінця вищого порядку звичайно розділені темними проміжками.

Розміри вінців бувають різними: кутовий радіус червоного краю ореола має від 1 до 5°, радіус червоного краю вінця другого порядку приблизно удвічі більший, у вінця третього порядку – утричі більший.

Радіус вінця тим менший, чим крупніші хмарні елементи, і навпаки. Для появи чітких дифракційних кілець необхідно, щоб розміри хмарних елементів були близькими. Тому в хмарах, які складаються з крапель різних розмірів (Sc, As), явище зводиться тільки до виникнення ореолу або навіть частини його. Розмитість вінця при цьому настільки значна, що часто залишається тільки бліде сяйво навколо світила. У хмарах з однаковими краплями (деякі Ac) бувають добре виражені кільця, хоча ореол розвинутий менше.

Вінця у льодяних хмарах (Cs, Cc) характеризуються чистішими кольорами і більшою чіткістю. Ореол вужчий, але майже завжди супроводжується вінцями вищого порядку. Особливо гарні й добре розвинені вінця у хмарах, які складаються з льодяних кристалів, близьких за розміром (Cc).

Крім вінців, в атмосфері спостерігаються ще й такі дифракційні явища, як глорії та іризація хмар.

Глорія представляє собою одне або декілька яскравих кольорових кілець навколо тіні літака, що відкидається ним на хмари.

Аналогічними до глорії є німби та брокенські привиди.

Німби виникають, коли Сонце знаходиться за спиною спостерігача, а його тінь проектується на близько розташовані хмари або туман. При виконанні цієї умови при певному стані атмосфери над головою людини можна побачити кольоровий німб, який світиться. Зазвичай такий німб можна спостерігати унаслідок відбивання світла крапельками роси на траві.

Брокенські привиди. У гірських місцевостях при низькому Сонці тінь спостерігача, який перебуває на певному підвищенні, може падати на розташовані нижче шаруваті хмари або стіну туману. Тоді виникає незвичайне явище: верхня частина величезної тіні спостерігача облямовується розмитим райдужним кільцем. Традиційна назва явища – "брокенський привид" – пов'язана з низкою німецьких народних повір’їв, зокрема про шабаш відьом у Вальпургієву ніч на горі Брокен (висота 1 142 м), яка розташована у Гарці.

Іризація хмар. Коли Сонце або Місяць просвічують через тонкі шарувато-купчасті, висококупчасті або перисто-купчасті хмари, то вони на кутових відстанях до 30, а інколи й більше градусів починають переливатися райдужними кольорами, з переважанням червоного і зеленого. Найінтенсивніша іризація спостерігається поблизу країв хмар.

Причиною іризації також є дифракція світла, яке проходить через хмару. Вінця навколо Сонця і Місяця також можуть спричиняти іризацію хмар, коли верхні краї хмар забарвлюються в яскраві райдужні кольори.