Читать книгу "Новый физический фейерверк - Джирл Уокер"

ОТВЕТ • Когда метеор проходит через атмосферу на высоте примерно 90 км, он разогревает воздух на своем пути. На разогретых участках образуется окись азота, которая затем, взаимодействуя с кислородом, образует двуокись азота. При этой реакции происходит испускание света в диапазоне длин волн, соответствующих зеленому, желтому и красному цветам. Привыкшие к темноте глаза чувствительны к такому свету. То есть поток метеоров может придать небу дополнительное свечение.

6.149. Зодиакальный свет, противосияние и другие ночные огни

Темной безлунной ночью вдали от городских огней на небе можно увидеть два необычных светлых пятна. Зодиакальный свет — это треугольник молочного цвета. Его можно видеть на западе в течение нескольких часов после захода солнца или на востоке до рассвета. Вечером такой свет лучше всего виден во время весеннего равноденствия, а утром — во время осеннего равноденствия. Вытянутый треугольник зодиакального света в плоскости обращения Земли вокруг Солнца почти сравним по яркости с Млечным Путем.

Противосияние — слабый свет, который некоторые люди могут разглядеть на небе вблизи точки солнечного противостояния (точки, расположенной строго напротив солнца). Этот свет настолько слабый, что заметить его можно, только если очень темно и глаза адаптировались к почти полной темноте. Но, возможно, и тогда увидеть его можно будет только боковым зрением, не глядя на него прямо, а поводя глазами по небу из стороны в сторону. В Северном полушарии наблюдать противосияние, вероятно, лучше всего в октябре, когда звезды не такие яркие.

Бывает, что в ночном небе можно увидеть большие движущиеся светящиеся области, никак не связанные с зарей. Почему же появляются эти ночные огни?

ОТВЕТ • Зодиакальный свет и противосияние — результат рассеяния света на межпланетной пыли, источником которой, по всей видимости, являются кометы. Свет наиболее яркий при рассеянии вперед, менее яркий при рассеянии назад, а при других углах яркость света еще меньше. Пыль, ответственная за появление зодиакального света, находится внутри орбиты Земли. Рассеянный межпланетной пылью свет можно видеть, когда он все еще попадает в поле вашего зрения сразу после заката или до рассвета. В обоих случаях вы в основном видите свет, рассеянный вперед.

В середине ночи вам, может быть, удастся увидеть солнечный свет, рассеянный назад частицами пыли вне орбиты Земли. Это и есть противосияние. Считается, что движущиеся светящиеся узоры — это свечение атмосферы, вероятно, связанное с проходящими через эти области неба волнами плотности, давления и температуры. При этом происходит возбуждение гидроксильных радикалов OH и их свечение.

6.150. Отражения на линии морского горизонта

Стоя на берегу моря при сравнительно сильном волнении, обратите внимание на отражения от поверхности моря непосредственно под линией горизонта. Если бы море было спокойным, оно отражало бы небо как большое горизонтальное зеркало. Однако поскольку поверхности волн наклонные, они отражают разные участки неба. Относительно горизонтали угол наклона участка неба, отраженного каждой из волн, равен удвоенному наклону поверхности волны.

Довольно странно, но отражения, которые видны вблизи горизонта, обычно соответствуют участку неба, находящемуся под углом 30° над горизонтом. Это означает, что в среднем наклон поверхности волн составляет около 15°. Однако измерения показывают, что часто волны бывают круче. Почему же обычно отражается именно этот участок неба?

ОТВЕТ • Рассмотрим волны на поверхности моря очень близко к горизонту. Небольшие, не слишком крутые волны отражают участок неба вблизи горизонта. И хотя таких волн огромное количество, их вклад в отражение, которое видит наблюдатель, мал, поскольку каждая из этих волн имеет небольшую площадь поверхности (они напоминают маленькие зеркала). Средние волны с промежуточным наклоном поверхности отражают более высокие участки неба. Хотя таких волн меньше, чем небольших волн, их вклад в отражение, которое видит наблюдатель, больше, поскольку площадь поверхности каждой из таких волн больше. Совсем больших волн так мало, что, хотя площадь отражающей поверхности у них большая, они практически не влияют на отражение, которое мы видим. Окончательный результат таков: максимальный вклад в отражение, которое видит наблюдатель, дают волны с промежуточным наклоном поверхности, равным 15°, а значит, отражается участок неба, расположенный под углом 30° над горизонтом.

6.151. Как использовать сплошной металлический шар для фокусировки света

В 1818 году Огюстен Жан Френель представил на рассмотрение Французской академии свою волновую теорию света. Симеон Дени Пуассон, резко выступивший против этой теории, попытался доказать ее несостоятельность с помощью следующего мысленного эксперимента. Предположим, что на непрозрачный предмет с круговым поперечным сечением (таким как монета или шар) падает луч света. Согласно теории Френеля, в центре области тени на экране позади этого предмета должно появиться яркое пятно.

Несмотря на абсурдность подобного предположения, другой член академии Доминик Франсуа Жан Араго решил поставить эксперимент. Ко всеобщему удивлению, яркое пятно в центре тени он обнаружил. По странной прихоти истории это пятно называют пятном Пуассона (реже Араго — Пуассона), хотя ни Араго, ни Пуассон в его существование не верили.

Со времен этого открытия некоторые ученые использовали непрозрачные предметы, такие как маленькие шарики из подшипников, в качестве линз для создания изображений. Так же как с помощью фотоаппарата, они позволяют получить изображение на фотопленке. Как образуется пятно Араго — Пуассона и как непрозрачный шарик способен фокусировать свет для создания изображения?

ОТВЕТ • Предположим, что с помощью непрозрачного шарика надо создать изображение расположенного на расстоянии от него яркого точечного источника света. Достигнув шара, световые волны дифрагируют у его краев, расходясь по радиусам как вовне, так и внутрь области тени шарика. Если за шариком на достаточно большом расстоянии от него поместить экран, образуется небольшая дифракционная картина, состоящая из ярких и темных концентрических колец с яркой точкой в центре. Это связано с тем, что волны, пришедшие сюда с одной стороны шарика, проходят точно такое же расстояние до центра тени, как и волны, пришедшие с противоположной стороны. Следовательно, такие волны имеют одинаковую фазу и происходит их конструктивная интерференция.

Первое темное кольцо — результат деструктивной интерференции. Рассмотрим верхнюю точку кольца. Волны, распространяющиеся от нижней точки шарика, проходят более длинный путь, чем волны, идущие от его верхней точки. Лишнее расстояние равно половине длины волны, и поэтому интерференция таких волн на экране деструктивная.

Остальная дифракционная картина — тоже результат конструктивной или деструктивной интерференции волн. В некоторых местах экрана волны, идущие от противоположных сторон шарика, проходят путь, длина которого пропорциональна целому числу длин волн. Такие волны доходят до экрана в фазе, и их интерференция конструктивная. В других местах разница пройденных расстояний равна нечетному числу половин длины волны. Такие волны доходят до экрана в противофазе, и их интерференция деструктивная.