6. klase skolā apgūst tēmu “Optiskās parādības atmosfērā”. Tomēr tas interesē ne tikai bērna zinātkāro prātu. Optiskās parādības atmosfērā, no vienas puses, apvieno varavīksni, debesu krāsas maiņu saullēktu un saulrietu laikā, ko katrs redz ne reizi vien. No otras puses, tie ietver noslēpumainas mirāžas, viltus Mēnešus un Saules, iespaidīgus oreolus, kas pagātnē biedēja cilvēkus. Dažu no tiem veidošanās mehānisms joprojām ir neskaidrs līdz galam, tomēr vispārējo principu, saskaņā ar kuru optiskās parādības "dzīvo" dabā, mūsdienu fizika ir labi izpētījusi.
Gaisa apvalks
Zemes atmosfēra ir apvalks, kas sastāv no gāzu maisījuma un stiepjas apmēram 100 km virs jūras līmeņa. Gaisa slāņa blīvums mainās līdz ar attālumu no Zemes: tā lielākā vērtība ir uz planētas virsmas, tā samazinās līdz ar augstumu. Atmosfēru nevar saukt par statisku veidojumu. Gāzveida apvalka slāņipastāvīgi pārvietojas un sajaucas. To raksturlielumi mainās: temperatūra, blīvums, kustības ātrums, caurspīdīgums. Visas šīs nianses ietekmē saules starus, kas steidzas uz planētas virsmu.
Optiskā sistēma
Atmosfērā notiekošie procesi, kā arī tās sastāvs veicina gaismas staru absorbciju, laušanu un atstarošanos. Daži no tiem sasniedz mērķi - zemes virsmu, otrs tiek izkaisīts vai novirzīts atpakaļ kosmosā. Gaismas izliekuma un atstarošanas rezultātā, daļai staru sabrūkot spektrā un tā tālāk, atmosfērā veidojas dažādas optiskas parādības.
Atmosfēras optika
Laikā, kad zinātne bija sākumstadijā, cilvēki skaidroja optiskās parādības, pamatojoties uz valdošajiem priekšstatiem par Visuma uzbūvi. Varavīksne savienoja cilvēku pasauli ar dievišķo, divu viltus Saules parādīšanās debesīs liecināja par tuvojošām katastrofām. Mūsdienās lielākā daļa parādību, kas biedēja mūsu tālos senčus, ir saņēmušas zinātnisku skaidrojumu. Atmosfēras optika nodarbojas ar šādu parādību izpēti. Šī zinātne apraksta optiskās parādības atmosfērā, pamatojoties uz fizikas likumiem. Viņa spēj izskaidrot, kāpēc dienas laikā debesis ir zilas, bet saulrieta un rītausmas laikā maina krāsu, kā veidojas varavīksne un no kurienes rodas mirāžas. Daudzi pētījumi un eksperimenti mūsdienās ļauj izprast tādas optiskas parādības dabā kā gaismas krustu parādīšanās, Fata Morgana, varavīksnes halos.
Zilas debesis
Debesu krāsatik pazīstams, ka mēs reti domājam par to, kāpēc tas tā ir. Tomēr fiziķi labi zina atbildi. Ņūtons pierādīja, ka noteiktos apstākļos gaismas staru var sadalīt spektrā. Izejot cauri atmosfērai, zilajai krāsai atbilstošā daļa izkliedējas labāk. Redzamā starojuma sarkanajai daļai ir raksturīgs garāks viļņa garums, un tas izkliedes pakāpes ziņā ir 16 reizes zemāks par violeto.
Tajā pašā laikā mēs redzam debesis nevis purpursarkanas, bet zilas. Iemesls tam ir tīklenes struktūras īpatnības un spektra daļu attiecība saules gaismā. Mūsu acis ir jutīgākas pret zilo krāsu, un saules spektra violetā daļa ir mazāk intensīva nekā zilā.
Scarlet saulriets
Kad cilvēki saprata, kas ir atmosfēra, optiskās parādības viņiem vairs nebija pierādījums vai briesmīgu notikumu zīme. Tomēr zinātniskā pieeja netraucē estētisku baudījumu no krāsainiem saulrietiem un maigiem saullēktiem. Spilgti sarkanie un oranžie, kā arī rozā un zilā krāsa pakāpeniski dod vietu nakts tumsai vai rīta gaismai. Nav iespējams novērot divus vienādus saullēktus vai saulrietus. Un iemesls tam ir vienāda atmosfēras slāņu mobilitāte un mainīgie laika apstākļi.
Saulrieta un saullēkta laikā saules stari virzās uz virsmu garāku ceļu nekā dienas laikā. Rezultātā izkliedētā violetā, zilā un zaļā krāsa iet uz sāniem, un tiešā gaisma kļūst sarkana un oranža. Mākoņi, putekļi vai ledus daļiņas veicina saulrieta un rītausmas attēlu,pakārts gaisā. Gaisma tiek lauzta, kad tā iet caur tām, un krāso debesis dažādos toņos. Apvāršņa pusē, kas atrodas pretī Saulei, bieži var novērot tā saukto Veneras jostu - rozā joslu, kas atdala tumšās nakts debesis un zilās dienas debesis. Skaistā optiskā parādība, kas nosaukta romiešu mīlestības dievietes vārdā, ir redzama pirms rītausmas un pēc saulrieta.
Varavīksnes tilts
Iespējams, neviena cita gaismas parādība atmosfērā neizraisa tik daudz mitoloģisku sižetu un pasaku tēlu kā tie, kas saistīti ar varavīksni. Loka vai aplis, kas sastāv no septiņām krāsām, ir zināms ikvienam kopš bērnības. Skaista atmosfēras parādība, kas rodas lietus laikā, saules stariem izejot cauri lāsēm, aizrauj pat tos, kuri rūpīgi izpētījuši tās dabu.
Un varavīksnes fizika šodien nevienam nav noslēpums. Saules gaisma, ko lauž lietus vai miglas pilieni, sadalās. Rezultātā novērotājs redz septiņas spektra krāsas no sarkanas līdz violetai. Nav iespējams noteikt robežas starp tām. Krāsas vienmērīgi sajaucas viena ar otru, izmantojot vairākus toņus.
Vērojot varavīksni, saule vienmēr atrodas aiz cilvēka. Iridas smaida centrs (kā senie grieķi sauca varavīksni) atrodas uz līnijas, kas iet caur novērotāju un dienas gaismu. Varavīksne parasti parādās kā pusloks. Tās izmērs un forma ir atkarīga no Saules stāvokļa un punkta, kurā atrodas novērotājs. Jo augstāks ir gaismeklis virs horizonta, jo zemāk nokrīt iespējamā izskata aplis.varavīksnes. Kad Saule šķērso 42º virs horizonta, novērotājs uz Zemes virsmas nevar redzēt varavīksni. Jo augstāk virs jūras līmeņa atrodas cilvēks, kurš vēlas apbrīnot Irīdas smaidu, jo lielāka iespēja, ka viņš ieraudzīs nevis loku, bet apli.
Dubulta, šaura un plata varavīksne
Bieži vien kopā ar galveno var redzēt tā saukto sekundāro varavīksni. Ja pirmais veidojas vienreizējas gaismas atstarošanas rezultātā, tad otrais ir dubultas atstarošanas rezultāts. Turklāt galvenā varavīksne izceļas ar noteiktu krāsu secību: sarkana atrodas ārpusē, bet violeta ir iekšpusē, kas ir tuvāk Zemes virsmai. Sānu "tilts" ir secīgi apgriezts spektrs: violeta ir augšpusē. Tas notiek tāpēc, ka lietus lāses stari tiek atstaroti no dubultā atstarošanas dažādos leņķos.
Varavīksnes atšķiras pēc krāsas intensitātes un platuma. Spilgtākie un diezgan šauri parādās pēc vasaras negaisa. Lieli pilieni, kas raksturīgi šādam lietum, rada labi redzamu varavīksni ar atšķirīgām krāsām. Mazie pilieni rada neskaidrāku un mazāk pamanāmu varavīksni.
Optiskās parādības atmosfērā: aurora borealis
Viena no skaistākajām atmosfēras optiskajām parādībām ir polārblāzma. Tas ir raksturīgs visām planētām ar magnetosfēru. Uz Zemes polārblāzmas tiek novērotas augstos platuma grādos abās puslodēs, apkārtējās zonāsplanētas magnētiskie poli. Visbiežāk var redzēt zaļganu vai zilganzaļu mirdzumu, ko dažkārt papildina sarkanas un rozā krāsas uzplaiksnījumi gar malām. Intensīvā polārblāzma ir veidota kā lentes vai auduma krokas, kas izbalējot pārvēršas par plankumiem. Vairāku simtu kilometru augstumā svītras labi izceļas gar apakšmalu pret tumšajām debesīm. Auroras augšējā robeža ir pazudusi debesīs.
Šīs skaistās optiskās parādības atmosfērā joprojām glabā savus noslēpumus no cilvēkiem: noteiktu luminiscences veidu rašanās mehānisms, kas ir krakšķēšanas cēlonis asu zibšņu laikā, nav pilnībā izpētīts. Tomēr vispārējais polārblāzmu veidošanās attēls šodien ir zināms. Debesis virs ziemeļu un dienvidu pola ir izgreznotas ar zaļgani rozā mirdzumu, jo saules vēja lādētās daļiņas saduras ar atomiem Zemes atmosfēras augšējos slāņos. Pēdējie mijiedarbības rezultātā saņem papildu enerģiju un izstaro to gaismas veidā.
Halo
Saule un mēness bieži parādās mūsu priekšā, un tos ieskauj svelme, kas atgādina oreolu. Šis halo ir labi redzams gredzens ap gaismas avotu. Atmosfērā tas visbiežāk veidojas, pateicoties mazākajām ledus daļiņām, kas veido spalvu mākoņus augstu virs Zemes. Atkarībā no kristālu formas un izmēra mainās parādības īpašības. Bieži vien oreols iegūst varavīksnes apļa formu gaismas stara sadalīšanās spektrā rezultātā.
Interesants fenomena variants tiek saukts par parhēliju. Gaismas laušanas rezultātā ledus kristālos ieslēdzasSaules līmenī veidojas divi spilgti plankumi, kas atgādina dienas gaismu. Vēstures hronikās var atrast šīs parādības aprakstus. Agrāk to bieži uzskatīja par briesmīgu notikumu priekšvēstnesi.
Mirage
Mirāžas ir arī optiskas parādības atmosfērā. Tie rodas gaismas laušanas rezultātā uz robežas starp gaisa slāņiem, kuru blīvums būtiski atšķiras. Literatūrā ir aprakstīti daudzi gadījumi, kad ceļotājs tuksnesī redzējis oāzes vai pat pilsētas un pilis, kas nevarēja būt tuvumā. Visbiežāk tās ir "zemākās" mirāžas. Tie rodas virs līdzenas virsmas (tuksnesis, asf alts) un atspoguļo atspīdētu debesu attēlu, kas novērotājam šķiet ūdenstilpe.
Tā sauktās augstākās mirāžas ir retāk sastopamas. Tie veidojas uz aukstām virsmām. Superior mirāžas ir taisnas un apgrieztas, dažreiz tās apvieno abas pozīcijas. Slavenākais šo optisko parādību pārstāvis ir Fata Morgana. Šī ir sarežģīta mirāža, kas vienlaikus apvieno vairākus atspulgu veidus. Reālās dzīves objekti parādās novērotāja priekšā, atkārtoti atspoguļoti un sajaukti.
Atmosfēras elektrība
Elektriskās un optiskās parādības atmosfērā bieži tiek minētas kopā, lai gan to rašanās cēloņi ir dažādi. Mākoņu polarizācija un zibens veidošanās ir saistīta ar procesiem, kas notiek troposfērā un jonosfērā. Milzu dzirksteļu izlādes parasti veidojas pērkona negaisa laikā. Zibens notiek mākoņos un var trāpīt zemē. Tie ir dzīvībai bīstamicilvēku, un tas ir viens no iemesliem zinātniskajai interesei par šādām parādībām. Dažas zibens īpašības pētniekiem joprojām ir noslēpums. Mūsdienās lodveida zibens cēlonis nav zināms. Tāpat kā dažos polārblāzmas un mirāžas teorijas aspektos, arī elektriskās parādības turpina intriģēt zinātniekus.
Rakstā īsi aprakstītās optiskās parādības atmosfērā fiziķiem ar katru dienu kļūst arvien saprotamākas. Tajā pašā laikā viņi, tāpat kā zibens, nebeidz pārsteigt cilvēkus ar savu skaistumu, noslēpumainību un dažreiz arī grandiozitāti.
