Миражи. Радуга. Ветер

Сегодня на уроке мы с вами поговорим о, казалось бы, привычных вещах, которые мы видим каждый день. О том, как мы видим мир вокруг нас, и о тех удивительных атмосферных явлениях, которые это зрение нам иногда преподносит.

Наш глаз — это сложный оптический прибор, который фиксирует изображение окружающего мира на сетчатке. Мы привыкли думать, что световой луч всегда летит по прямой. Но так бывает только в идеально однородной среде, а наша атмосфера такой не является. Она постоянно в движении: слои воздуха разной температуры и плотности смешиваются, в ней плавают облака из капелек воды и кристалликов льда. Иногда эти природные оптические системы создают удивительные эффекты, искажая реальные предметы или показывая их там, где их на самом деле нет. Такие явления мы называем миражами.

Каждый из вас наверняка видел мираж, даже не подозревая об этом. В жаркий летний день на раскалённом асфальте перед машиной вдруг появляются лужи, которых нет. Разве это не мираж? А кто не видел, как Солнце на закате становится сплюснутым сверху и снизу? А ведь оно не сплюснуто, а только таким нам кажется.

Причина этих иллюзий — искривление световых лучей в атмосфере, которое называется атмосферной рефракцией. Она возникает из-за того, что атмосфера неоднородна: её плотность, а значит, и показатель преломления, убывают с высотой.

Мы знаем, что атмосфера Земли подобна своеобразному слоёному пирогу, в котором каждый слой имеет свой показатель преломления. При движении светового луча в такой системе он, в соответствии с законом преломления, будет «прижиматься» к перпендикуляру к границе слоя.

Конечно, в земной атмосфере границы между слоями размыты, и коэффициент преломления меняется не скачком, а плавно. Это вызывает постепенное искривление траектории света и изменение его направления на угол α при прохождении атмосферных слоёв. Благодаря этому Луна, Солнце и звёзды кажутся нам расположенными чуть выше своего реального положения.

Наибольший угол рефракции достигает 35', что больше углового размера солнечного диска (около 32'). Таким образом, наблюдая касание нижнего края Солнца горизонта, мы фактически видим объект, уже находящийся ниже линии горизонта. Как видно из рисунка, из-за рефракции нижний край Солнца приподнимается для наблюдателя сильнее, чем верхний. Эта разница составляет около 6'. Это и объясняет сплюснутость солнечного диска в вертикальном направлении.

А теперь давайте поговорим о другом красивом явлении — о радуге. Это разноцветная дуга, которая никого не оставляет равнодушным. Радуга присутствует в сказках, пословицах и приметах почти у всех народов. Например, есть такая забавная примета, что там, где начинается радуга, зарыт клад. Если ей верить, то получается, что кладов обязательно два, причём они зарыты симметрично относительно наблюдателя.

Запомнили фразу «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан»? Так вот, она как раз описывает последовательность цветов в радуге: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. И эту последовательность вы никогда не увидите нарушенной.

Что же представляет собой радуга? Радуга — это оптическое явление. Она возникает, когда яркий источник света (такой как Солнце или Луна) освещает водяные капли, во множестве висящие в воздухе, например, в результате дождя или тумана.

Физическая причина радуги — отражение и преломление солнечного света каплями воды, находящимися в атмосфере. Теперь понятно, почему чаще всего её можно увидеть после дождя.

В каждой капле луч света преломляется, отражается от её задней стенки и снова преломляется, выходя наружу. При этом белый солнечный свет раскладывается в спектр, потому что капля по-разному отклоняет лучи разного цвета.

Это явление называется дисперсией. Например, красный свет, у которого длина волны больше, преломляется слабее и отклоняется на угол 137°30'. А фиолетовый, с самой короткой длиной волны, отклоняется сильнее всего — на 139°20'.

Если понаблюдать за радугой, можно сделать несколько выводов. Мы всегда её видим, стоя спиной к Солнцу, и одновременно увидеть и Солнце, и радугу невозможно. Центр радуги лежит на воображаемой прямой, соединяющей Солнце, нашу голову и центр дуги. Угловой радиус этой дуги составляет около 42°. Чем ниже стоит Солнце над горизонтом, тем больше дуга радуги.

Самую большую радугу — полусферу — можно увидеть на закате. А вот если подняться высоко в горы или в самолёте, можно увидеть и полную окружность! Но если Солнце поднимется выше 42°, радугу вы уже не увидите, так как её круг уйдёт ниже горизонта.

Обычно мы наблюдаем радугу, в которой красный свет находится снаружи, фиолетовый — внутри дуги. Такая радуга называется первичной. Но иногда рядом с основной, более яркой радугой, можно увидеть вторую, бледную.

Это вторичная радуга, в которой лучи отражаются в капле два раза. И что удивительно, порядок цветов в ней обратный: снаружи не красный, а фиолетовый. А угловой радиус у неё уже около 53°. Цвет области неба между двумя радугами кажется более тёмным.

Теперь давайте разберёмся, откуда берётся ветер. Шутка про то, что «деревья качаются и гоняют воздух», — это всего лишь шутка. На самом деле ветер — это движение воздушных масс из области высокого давления в область низкого. Представьте себе комнату с обогревателем. Над ним воздух нагревается, поднимается вверх, у потолка остывает и опускается вниз у дальней стены. Получается круговорот. Примерно то же самое происходит в масштабах всей планеты.

Главный «обогреватель» Земли — это экватор. Здесь солнечные лучи падают почти вертикально, сильно нагревая воздух. Он поднимается на высоту до 15—17 км, а затем начинает растекаться на север и на юг. Остывая, воздух опускается в районе средних широт и течёт обратно к экватору. Это глобальный процесс, который и является основной причиной ветров.

Однако наша Земля вращается, и это вносит свои коррективы. Возникает сила Кориолиса, которая отклоняет движущиеся потоки. Вблизи экватора это отклонение почти равно нулю, но с увеличением широты оно становится заметным. На определённой широте происходит поворот потоков воздуха на 90°. В результате в верхних слоях атмосферы ветры дуют с запада на восток, а у поверхности — с востока на запад в обоих полушариях. В результате на высоте около 9—10 км формируются мощные потоки воздуха, которые огибают планету за восемь — десять дней. Их называют циркумполярными вихрями.

Положение циркумполярных вихрей часто меняется, они образуют случайные изгибы, которые и являются одной из основных причин изменений погоды. Кроме этого, циркумполярные вихри ответственны за распределение в атмосфере зон повышенного и пониженного давления. Первые располагаются по обе стороны экватора на широтах около 35° и в областях полюсов на широтах выше 65°; вторые — вдоль экватора и в субполярных широтах.

Неоднородность давления приводит к появлению устойчивых потоков воздуха. На исходные направления этих потоков действует сила Кориолиса. Она отклоняет потоки воздуха по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки — в Южном. Возникающие в результате северо-восточные ветры Северного полушария и юго-восточные ветры Южного полушария называются пассатами. При приближении к экватору пассаты дуют практически параллельно ему. Такая тропическая атмосферная ячейка циркуляции называется ячейкой Хэдли.

Поскольку часть воздуха под циркумполярными вихрями уходит не только к экватору, формируя пассаты, но и от экватора, возникает ещё одна ячейка атмосферной циркуляции — ячейка Феррела. Эта циркуляция возникает в средних широтах. Причём направление движения воздуха в ней противоположно тому, которое имеет место в ячейке тропической циркуляции. В итоге в средних широтах преобладают западные ветры.

Ближе к Северному и Южному полюсам направление циркуляции опять меняется. Воздух поднимается в областях низкого давления, а опускается у полюсов. Благодаря силе Кориолиса в полярных областях преобладают восточные ветры. Так возникают полярные ячейки атмосферной циркуляции.

Помимо постоянно дующих ветров существуют сезонные. Возникновение сезонных ветров — муссонов — вызвано неравномерным нагреванием суши и океана и неодинаковым давлением над ними.

Муссон — это устойчивый сезонный ветер, дважды в год меняющий направление на противоположное.

Летний муссон дует с прохладного океана с высоким давлением на прогретый материк с низким давлением. С приходом летнего муссона связано выпадение обильных осадков.

Зимний муссон дует с охлаждённого материка с высоким давлением на прохладный океан с низким давлением. Поскольку зимний муссон формируется на суше, осадков он не приносит. Особенно ярко муссонная циркуляция выражена на юге и востоке Азии.

Постоянные и сезонные ветры тропосферы создают систему воздушных потоков планетарного масштаба — общую циркуляцию атмосферы.

На ограниченных территориях под влиянием местных причин (наличие водоёмов, горных преград и так далее) возникают местные ветры. Природа и механизм их возникновения местных весьма различны.

Во-первых, местные ветры могут быть следствием местных циркуляций воздуха, независимых от общей циркуляции атмосферы. Это, например, бризы — ветры, дующие по берегам морей и больших озёр. Физическая причина возникновения бризов — неравномерность в нагревании берега и воды днём и ночью. Как следствие, днём ветер дует с прохладного моря на более нагретую сушу, а ночью, наоборот, с охлаждённой суши на ещё сохраняющее дневное тепло море.

Во-вторых, местные ветры возникают вследствие характерного рельефа местности. Это — горно-долинные ветры, дующие с суточной периодичностью и потому похожие на бризы. В течение дня долинный ветер переносит воздух из нижней части долины вверх, а также снизу вверх по горным склонам. А ночью горный ветер, наоборот, направлен вниз по склонам и по долине. Пример горно-долинного ветра — фён. Это тёплый ветер, который дует со склонов гор вниз, в долины, когда воздушный поток общей циркуляции «переваливает» через горный хребет.

В результате в самых высоких точках гор образуются характерные линзообразные облака. Особенностью таких облаков является то, что они не двигаются и фактически «прикреплены» к вершине горы, каким бы сильным ни был ветер.

Рельеф местности влияет и на образование ветра, называемого бора или борей. Северный холодный ветер, переваливая через горы, смещается вниз и усиливается, иногда достаточно сильно. Такие ветра встречаются, например, в Геленджикской и Новороссийской бухтах.

Наконец, в-третьих, местными ветрами являются течения общей циркуляции, из-за местных особенностей приобретающие особенную специфику. Например, сирокко на Средиземном море приносит сухость и пыль, а в некоторых районах Европы, наоборот, является тёплым и влажным.

Часто возникает ситуация, когда над некоторыми местами на поверхности Земли возникает область очень низкого давления. Туда со всех сторон устремляется воздух. из областей с более высоким давлением. Такое явление называется циклоном.

В центре циклона воздух поднимается вверх, охлаждается и образует облака. На своём пути поверхностные ветры закручиваются силой Кориолиса. Давление воздуха в верней части циклона, наоборот, выше среднего давления на данной высоте. За счёт этого направление движения воздуха там направлено от центра циклона. Антициклон, наоборот, создаётся областью высокого давления у поверхности Земли. В этом случае из тропосферы будет опускаться, закручиваясь силой Кориолиса, сухой воздух.

В области антициклона облака не образуются и наблюдается ясное небо. Живут такие системы около недели и могут достигать в поперечнике 3000 км.

Как видите, ветер — это очень сложное и интересное явление. На него влияет множество причин: от глобального нагрева планеты до местных особенностей, вроде небольшого озера или горного хребта. И в этом его прелесть. Если бы ветер был абсолютно предсказуем, в нём не было бы ни загадки, ни того ощущения жизни, которое он нам дарит.

Надеемся, теперь, глядя на закатное Солнце, радугу или чувствуя порыв ветра, вы будете знать, какие удивительные физические процессы стоят за этими привычными явлениями.