4.94. Как обнаружены инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, недоступные глазу?
В 1800 году английский астроном и оптик Уильям Гершель (1738–1822) выполнил очень простой, но интересный эксперимент, намереваясь проверить, действительно ли тепло, как принято было тогда считать, равномерно распределено по солнечному спектру. Передвигая термометр вдоль солнечного спектра, Гершель обнаружил, что показываемая им температура не только непрерывно повышалась при перемещении от ультрафиолетового конца спектра к красному, но ее максимум вообще достигался в области, лежащей за красной частью спектра, то есть там, где глаз никакого света не видит. Гершель объяснил это явление невидимым тепловым излучением, исходящим от Солнца и отклоняемым призмой слабее красного цвета, почему оно и получило название инфракрасного (ниже красного). В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) сделал другое открытие, «симметричное» открытию Гершеля и столь же важное. Он задался целью исследовать химическое действие различных участков светового спектра. Для этого он применял хлористое серебро, почернение которого под действием лучей обнаружил еще в 1727 году Иоганн Генрих Шульце (1687–1744). Риттер установил, что химическое действие излучения возрастает постепенно по спектру от красного конца к фиолетовому и достигает максимума за фиолетовой областью – там, где глаз уже не воспринимает никакого света. Так было найдено в спектре новое излучение, присутствующее в солнечном свете и преломляемое призмой сильнее, чем фиолетовое, в связи с чем его и назвали ультрафиолетовым (выше фиолетового). Практически одновременно с Риттером ультрафиолетовое излучение открыл английский ученый Уильям Хайд Волластон (1766–1828), проводивший аналогичные опыты с раствором гуммигута, который под действием света меняет свой цвет с желтого на зеленый.
4.95. При каких условиях возникает мираж?
Мираж – оптическое явление в атмосфере, состоящее в том, что вместе с отдаленным предметом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещенное относительно предмета. Если предмет находится под горизонтом, видно только мнимое изображение. Мираж может располагаться под предметом (нижний мираж), над предметом (верхний мираж) и сбоку от него (боковой мираж). Мираж объясняется искривлением лучей света, идущих от предмета, вследствие аномального распределения показателя преломления света в атмосфере, которое связано с распределением температуры (и следовательно, плотности) воздуха. Верхний мираж наблюдается над холодной земной поверхностью при инверсионном распределении температуры (росте ее с высотой), нижний мираж – при очень большом вертикальном градиенте температуры (то есть сильном падении ее с высотой) над перегретой ровной поверхностью (пустыня, дорога). Мнимое изображение неба создает при этом иллюзию воды на поверхности. Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой. Боковой мираж иногда наблюдается у сильно нагретых стен или скал.
4.96. Что такое фата-моргана?
Фата-морганой называют редко встречающуюся разновидность миража, когда на горизонте появляются сложные и быстро меняющиеся изображения предметов с разнообразными искажениями. Фата-моргана по своей сути представляет одновременное появление нескольких форм миража. Возникает она, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения и преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по нескольку искаженных изображений, частично налагающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создает причудливую картину фата-морганы. В некоторых средиземноморских странах фата-морганой называют обычный мираж в любой его форме.
4.97. Во сколько раз освещенность, создаваемая ночью полной Луной, больше освещенности, создаваемой безоблачным ночным небом (без Луны)?
Освещенность ночью при полной Луне в зените составляет 0,25 люкса, а освещенность, создаваемая безоблачным ночным небом (звездами) в безлунную ночь, равна 0,0003 люкса.
Таким образом, в безоблачную ночь Луна ярче звезд более чем в 800 раз.
4.98. Во сколько раз Солнце ярче освещает Землю летом, чем зимой?
Освещенность, создаваемая солнечным светом в средних широтах Земли летом, составляет величину порядка 100 тысяч люксов, зимой – величину порядка 10 тысяч люксов. Таким образом, освещенность, создаваемая солнечным светом летом, больше освещенности, создаваемой солнечным светом зимой, на порядок, то есть приблизительно в 10 раз.
4.99. Во сколько раз освещенность, создаваемая солнечным светом, больше освещенности при полной Луне ночью?
Освещенность, создаваемая солнечным светом, больше освещенности при полной Луне ночью на поверхности нашей планеты в 40—400 тысяч раз (в зависимости от времени года), а вне земной атмосферы – в 540 тысяч раз.
4.100. Кто лучше исполняет роль ночного светила: Луна в отношении Земли или Земля в отношении Луны?
Освещенность, создаваемая полной Луной в зените на поверхности Земли, составляет 0,25 люкса, а освещенность, обеспечиваемая Землей на Луне в полнолуние, равна 15 люксам. Таким образом, с ролью ночного светила Земля справляется в 60 раз лучше, чем Луна.
4.101. Что такое поляризованный свет?
Свет, излученный Солнцем или обыкновенной электрической лампой, состоит из электромагнитных волн, совершающих колебания во всех возможных направлениях вокруг светового луча. Из этих неупорядоченных колебаний можно «вырезать» волну с одним-единственным направлением колебаний в одной плоскости. Такой свет называется плоско-поляризованным. Поляризация происходит при прохождении света сквозь некоторые кристаллы (турмалин, исландский шпат) и тонкие пленки из синтетических материалов. Свет, прошедший через такой поляризатор, на взгляд ничем не отличается от обычного. Но если на пути поляризованного луча поместить второй кристалл или кусок пленки – анализатор, – обнаружатся его особые свойства. При повороте анализатора вокруг оси, совпадающей с направлением луча, проходящий свет периодически пропадает. Это происходит в тот момент, когда поляризаторы «скрещены» – пропускают колебания во взаимно перпендикулярных направлениях. Если же между скрещенными поляроидами поместить несколько листочков целлофана или полоску прозрачной пластмассы, станут видны разноцветные полосы, покрывающие всю поверхность. Явление поляризации света открыл в 1699 году датчанин Эразм Бартолин (1635–1698), экспериментировавший с кристаллом исландского шпата. Сам термин «поляризация света» ввел французский военный инженер Этьенн Малюс (1775–1812). В 1808 году он обнаружил, что свет, отраженный от поверхности воды или стекла, поляризуется так же, как при прохождении сквозь исландский шпат. В 1811 году Малюс открыл поляризацию света при преломлении. В 1815 году шотландский физик Дэвид Брюстер (1781–1868) открыл замечательный закон, названный его именем. Закон гласит, что свет полностью поляризуется, если падает на поверхность вещества под углом, тангенс которого равен показателю преломления вещества. При этом преломленный луч пойдет перпендикулярно отраженному и будет максимально (но не полностью) поляризован. Если же свет пропустить через стопку стеклянных пластин, степень поляризации будет возрастать пропорционально числу поверхностей. На практике бывает достаточно 7–8 пластинок, чтобы получить полностью поляризованный свет. Важно, что поляризация происходит только при отражении от диэлектрика, изолятора. Отражение от металла (например, покрывающего зеркала) происходит по другим законам и свет не поляризует.
4.102. Что представляет собой радуга?
Радугой мы называем оптическое явление в атмосфере, имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. Наблюдается радуга в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба. Центр дуги радуги находится в направлении прямой, проходящей через солнечный диск и глаз наблюдателя, то есть в точке, противоположной Солнцу. Дуга радуги представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки радиусом в 42 градуса. Последовательность цветов в радуге такая же, как в солнечном спектре, причем обычно по наружному краю располагается красный цвет, по внутреннему – фиолетовый. Со стороны внутреннего края иногда бывают видны вторичные цветовые дуги, примыкающие к главной радуге. Видимая часть дуги определяется положением Солнца: когда оно на горизонте, радуга имеет вид полукруга, с повышением Солнца видимая часть дуги уменьшается, и при высоте Солнца в 42 градуса радуга исчезает. Явление, подобное радуге, можно наблюдать в брызгах фонтанов, водопадов. Возможно появление лунной радуги и радуги от искусственных источников света. Нередко наблюдается вторая радуга с угловым радиусом около 52 градусов и обратным расположением цветов. Радуга с древнейших времен привлекала пристальное внимание человека. В Библии она фигурирует в качестве знамения, данного Богом в знак прощения и примирения с людьми. Английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон (около 1214–1292) тщательно рассмотрел явление радуги в главном своем сочинении «Большой труд». Он полагал, что цвета радуги представляют собой субъективное явление, вызванное влажностью глаза. Первую теорию радуги дал в 1637 году французский философ и математик Рене Декарт (1596–1650). Более точную теорию разработал в 1836 году английский астроном Джордж Эри (1801–1892). Его теория основана на расчете явлений дифракции и интерференции, сопровождающих встречу солнечных лучей с решеткой, образуемой дождевыми каплями.
