Все на­гре­тые тела из­лу­ча­ют элек­тро­маг­нит­ные волны. Чтобы экс­пе­ри­мен­таль­но ис­сле­до­вать за­ви­си­мость ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния от длины волны, не­об­хо­ди­мо:

1)  раз­ло­жить из­лу­че­ние в спектр;

2)  из­ме­рить рас­пре­де­ле­ние энер­гии в спек­тре.

Для по­лу­че­ния и ис­сле­до­ва­ния спек­тров слу­жат спек­траль­ные ап­па­ра­ты -спек­тро­гра­фы. Схема приз­мен­но­го спек­тро­гра­фа пред­став­ле­на на ри­сун­ке. Ис­сле­ду­е­мое из­лу­че­ние по­сту­па­ет сна­ча­ла в трубу, на одном конце ко­то­рой име­ет­ся ширма с узкой щелью, а на дру­гом - со­би­ра­ю­щая линза L₁. Щель на­хо­дит­ся в фо­ку­се линзы. По­это­му рас­хо­дя­щий­ся све­то­вой пучок, по­па­да­ю­щий на линзу из щели, вы­хо­дит из нее па­рал­лель­ным пуч­ком и па­да­ет на приз­му Р.

Так как раз­ным ча­сто­там со­от­вет­ству­ют раз­лич­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния, то из приз­мы вы­хо­дят па­рал­лель­ные пучки раз­но­го цвета, не сов­па­да­ю­щие по на­прав­ле­нию. Они па­да­ют на линзу L₂. На фо­кус­ном рас­сто­я­нии от этой линзы рас­по­ла­га­ет­ся экран, ма­то­вое стек­ло или фо­то­пла­стин­ка. Линза L₂ фо­ку­си­ру­ет па­рал­лель­ные пучки лучей на экра­не, и вме­сто од­но­го изоб­ра­же­ния щели по­лу­ча­ет­ся целый ряд изоб­ра­же­ний. Каж­дой ча­сто­те (точ­нее, уз­ко­му спек­траль­но­му ин­тер­ва­лу) со­от­вет­ству­ет свое изоб­ра­же­ние в виде цвет­ной по­лос­ки. Все эти изоб­ра­же­ния вме­сте и об­ра­зу­ют спектр. Энер­гия из­лу­че­ния вы­зы­ва­ет на­гре­ва­ние тела, по­это­му до­ста­точ­но из­ме­рить тем­пе­ра­ту­ру тела и по ней су­дить о ко­ли­че­стве по­гло­щен­ной в еди­ни­цу вре­ме­ни энер­гии. В ка­че­стве чув­стви­тель­но­го эле­мен­та можно взять тон­кую ме­тал­ли­че­скую пла­сти­ну, по­кры­тую тон­ким слоем сажи, и по на­гре­ва­нию пла­сти­ны су­дить об энер­гии из­лу­че­ния в дан­ной части спек­тра.

Гало  — оп­ти­че­ское яв­ле­ние, за­клю­ча­ю­ще­е­ся в об­ра­зо­ва­нии све­тя­ще­го­ся коль­ца во­круг ис­точ­ни­ка света. Тер­мин про­изо­шел от фр. halo и греч. halos -«све­то­вое коль­цо».

Гало обыч­но воз­ни­ка­ют во­круг Солн­ца или Луны, ино­гда  — во­круг дру­гих мощ­ных ис­точ­ни­ков света, таких как улич­ные огни. Они вы­зва­ны пре­иму­ще­ствен­но от­ра­же­ни­ем и пре­лом­ле­ни­ем света ле­дя­ны­ми кри­стал­ла­ми в пе­ри­стых об­ла­ках и ту­ма­нах. Для воз­ник­но­ве­ния не­ко­то­рых гало не­об­хо­ди­мо, чтобы ле­дя­ные кри­стал­лы, име­ю­щие форму ше­сти­гран­ных призм, были ори­ен­ти­ро­ва­ны по от­но­ше­нию к вер­ти­ка­ли оди­на­ко­вым или хотя бы пре­иму­ще­ствен­ным об­ра­зом.

От­ра­жен­ный и пре­лом­лен­ный ле­дя­ны­ми кри­стал­ла­ми свет не­ред­ко раз­ла­га­ет­ся в спектр, что де­ла­ет гало по­хо­жим на ра­ду­гу, од­на­ко гало в усло­ви­ях низ­кой осве­щен­но­сти имеет малую цвет­ность. Окра­шен­ные гало об­ра­зу­ют­ся при пре­лом­ле­нии света в ше­сти­гран­ных кри­стал­лах ле­дя­ных об­ла­ков; не­окра­шен­ные (бес­цвет­ные) формы  — при его от­ра­же­нии от гра­ней кри­стал­лов. Ино­гда в мо­роз­ную по­го­ду гало об­ра­зу­ет­ся очень близ­ко к зем­ной по­верх­но­сти. В этом слу­чае кри­стал­лы на­по­ми­на­ют си­я­ю­щие дра­го­цен­ные камни.

Вид на­блю­да­е­мо­го гало за­ви­сит от формы и рас­по­ло­же­ния кри­стал­лов. Наи­бо­лее обыч­ные формы гало: ра­дуж­ные круги во­круг диска Солн­ца или Луны; пар­ге­лии, или «лож­ные Солн­ца», - слег­ка окра­шен­ные свет­лые пятна на одном уров­не с Солн­цем спра­ва и слева от него; пар­ге­ли­че­ский круг  — белый го­ри­зон­таль­ный круг, про­хо­дя­щий через диск све­ти­ла; столб  — часть бе­ло­го вер­ти­каль­но­го круга, про­хо­дя­ще­го через диск све­ти­ла; он в со­че­та­нии с пар­ге­ли­че­ским кру­гом об­ра­зу­ет белый крест.

Гало сле­ду­ет от­ли­чать от вен­цов, ко­то­рые внеш­не схожи с ним, но имеют дру­гое про­ис­хож­де­ние. Венцы воз­ни­ка­ют в тон­ких во­дя­ных об­ла­ках, со­сто­я­щих из мел­ких од­но­род­ных ка­пель (обыч­но это вы­со­ко­ку­че­вые об­ла­ка) и за­кры­ва­ю­щих диск све­ти­ла, за счет ди­фрак­ции. Они могут по­явить­ся также в ту­ма­не около ис­кус­ствен­ных ис­точ­ни­ков света. Ос­нов­ная, а часто един­ствен­ная часть венца  — свет­лый круг не­боль­шо­го ра­ди­у­са, окру­жа­ю­щий вплот­ную диск све­ти­ла (или ис­кус­ствен­ный ис­точ­ник света). Круг в ос­нов­ном имеет го­лу­бо­ва­тый цвет и лишь по внеш­не­му краю  — крас­но­ва­тый. Его на­зы­ва­ют также орео­лом. Он может быть окру­жен одним или не­сколь­ки­ми до­пол­ни­тель­ны­ми коль­ца­ми такой же, но более свет­лой окрас­ки, не при­мы­ка­ю­щи­ми вплот­ную к кругу и друг к другу.

Кра­си­вое и не­без­опас­ное яв­ле­ние при­ро­ды — мол­ния — пред­став­ля­ет собой ис­кро­вой раз­ряд в ат­мо­сфе­ре.

Уже в се­ре­ди­не XVIII в. ис­сле­до­ва­те­ли об­ра­ти­ли вни­ма­ние на внеш­нее сход­ство мол­нии с элек­три­че­ской ис­крой. Вы­ска­зы­ва­лось пред­по­ло­же­ние, что гро­зо­вые об­ла­ка несут в себе боль­шие элек­три­че­ские за­ря­ды и мол­ния есть ги­гант­ская искра, ничем, кроме раз­ме­ров, не от­ли­ча­ю­ща­я­ся от искры между ша­ра­ми элек­тро­фор­ной ма­ши­ны. На это ука­зы­вал М. В. Ло­мо­но­сов, за­ни­мав­ший­ся изу­че­ни­ем ат­мо­сфер­но­го элек­три­че­ства.

Ло­мо­но­сов по­стро­ил «гро­мо­вую ма­ши­ну» — кон­ден­са­тор, на­хо­див­ший­ся в его ла­бо­ра­то­рии и за­ря­жав­ший­ся ат­мо­сфер­ным элек­три­че­ством по­сред­ством про­во­да, конец ко­то­ро­го был вы­ве­ден из по­ме­ще­ния и под­нят на вы­со­ком шесте. Во время грозы из кон­ден­са­то­ра можно было из­вле­кать искры. Таким об­ра­зом, было по­ка­за­но, что гро­зо­вые об­ла­ка дей­стви­тель­но несут на себе огром­ный элек­три­че­ский заряд.

Раз­ные части гро­зо­во­го об­ла­ка несут за­ря­ды раз­ных зна­ков. Чаще всего ниж­няя часть об­ла­ка (об­ра­щен­ная к Земле) бы­ва­ет за­ря­же­на от­ри­ца­тель­но, а верх­няя — по­ло­жи­тель­но. По­это­му если два об­ла­ка сбли­жа­ют­ся раз­но­имен­но за­ря­жен­ны­ми ча­стя­ми, то между ними про­ска­ки­ва­ет мол­ния.

Од­на­ко гро­зо­вой раз­ряд может про­изой­ти и иначе. Про­хо­дя над Зем­лей, гро­зо­вое об­ла­ко со­зда­ет на ее по­верх­но­сти боль­шой ин­ду­ци­ро­ван­ный заряд, и по­это­му об­ла­ко и по­верх­ность Земли об­ра­зу­ют две об­клад­ки боль­шо­го кон­ден­са­то­ра. На­пря­же­ние между об­ла­ком и Зем­лей до­сти­га­ет не­сколь­ких мил­ли­о­нов вольт, и в воз­ду­хе воз­ни­ка­ет силь­ное элек­три­че­ское поле. В ре­зуль­та­те может про­изой­ти про­бой, т. е. мол­ния, ко­то­рая уда­рит в землю. При этом мол­ния ино­гда по­ра­жа­ет людей, дома, де­ре­вья.

Гром, воз­ни­ка­ю­щий после мол­нии, имеет такое же про­ис­хож­де­ние, что и треск при про­ска­ки­ва­нии искры. Он по­яв­ля­ет­ся из-за того, что воз­дух внут­ри ка­на­ла мол­нии силь­но разо­гре­ва­ет­ся и рас­ши­ря­ет­ся, от­че­го и воз­ни­ка­ют зву­ко­вые волны. Эти волны, от­ра­жа­ясь от об­ла­ков, гор и дру­гих объ­ек­тов, со­зда­ют дли­тель­ное мно­го­крат­ное эхо, по­это­му и слыш­ны гро­мо­вые рас­ка­ты.

Окрас­ка раз­лич­ных пред­ме­тов, осве­щен­ных одним и тем же ис­точ­ни­ком света (на­при­мер, Солн­цем), бы­ва­ет весь­ма раз­но­об­раз­на. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что свет, па­да­ю­щий на пред­мет, ча­стич­но от­ра­жа­ет­ся (рас­се­и­ва­ет­ся), ча­стич­но про­пус­ка­ет­ся и ча­стич­но по­гло­ща­ет­ся им. Доля све­то­во­го по­то­ка, участ­ву­ю­ще­го в каж­дом из этих про­цес­сов, опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью со­от­вет­ству­ю­щих ко­эф­фи­ци­ен­тов: от­ра­же­ния, про­пус­ка­ния, по­гло­ще­ния.

Эти ко­эф­фи­ци­ен­ты могут за­ви­сеть от длины све­то­вой волны, по­это­му при осве­ще­нии тел на­блю­да­ют­ся раз­лич­ные све­то­вые эф­фек­ты. Тела, у ко­то­рых ко­эф­фи­ци­ент по­гло­ще­ния бли­зок к еди­ни­це, будут чер­ны­ми не­про­зрач­ны­ми те­ла­ми, а те тела, у ко­то­рых ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния бли­зок к еди­ни­це, будут бе­лы­ми не­про­зрач­ны­ми те­ла­ми.

Кроме обо­зна­че­ния цвета  — крас­ный, жел­тый, синий и т. д.  — мы не­ред­ко раз­ли­ча­ем цвет по на­сы­щен­но­сти, то есть по чи­сто­те от­тен­ка, от­сут­ствию бе­ле­со­ва­то­сти. При­ме­ром глу­бо­ких или на­сы­щен­ных цве­тов яв­ля­ют­ся спек­траль­ные цвета. В них пред­став­ле­на узкая об­ласть длин волн без при­ме­си дру­гих цве­тов. Цвета же тка­ней и кра­сок, по­кры­ва­ю­щих пред­ме­ты, обыч­но бы­ва­ют менее на­сы­щен­ны­ми и в боль­шей или мень­шей сте­пе­ни бе­ле­со­ва­ты­ми.

При­чи­на в том, что ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния боль­шин­ства кра­ся­щих ве­ществ не равен нулю ни для одной длины волны. Таким об­ра­зом, при осве­ще­нии окра­шен­ной в крас­ный цвет ткани белым све­том мы на­блю­да­ем в рас­се­ян­ном свете пре­иму­ще­ствен­но одну об­ласть цвета (крас­ную), но к ней при­ме­ши­ва­ет­ся за­мет­ное ко­ли­че­ство и дру­гих длин волн, да­ю­щих в со­во­куп­но­сти белый свет. Но если такой рас­се­ян­ный тка­нью свет с пре­об­ла­да­ни­ем од­но­го цвета (на­при­мер, крас­но­го) на­пра­вить не прямо в глаз, а за­ста­вить вто­рич­но от­ра­зить­ся от той же ткани, то доля пре­об­ла­да­ю­ще­го цвета уси­лит­ся по срав­не­нию с осталь­ны­ми, и бе­ле­со­ва­тость умень­шит­ся. Мно­го­крат­ное по­вто­ре­ние та­ко­го про­цес­са может при­ве­сти к по­лу­че­нию до­ста­точ­но на­сы­щен­но­го цвета.

По­верх­ност­ный слой любой крас­ки все­гда рас­се­и­ва­ет белый свет в ко­ли­че­стве не­сколь­ких про­цен­тов. Это об­сто­я­тель­ство пор­тит на­сы­щен­ность цве­тов кар­тин. По­это­му кар­ти­ны, на­пи­сан­ные мас­ля­ны­ми крас­ка­ми, обыч­но по­кры­ва­ют слоем лака. За­ли­вая все не­ров­но­сти крас­ки, лак со­зда­ет глад­кую зер­каль­ную по­верх­ность кар­ти­ны. Белый свет от этой по­верх­но­сти не рас­се­и­ва­ет­ся во все сто­ро­ны, а от­ра­жа­ет­ся в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии. Ко­неч­но, если смот­реть на кар­ти­ну из не­удач­но вы­бран­но­го по­ло­же­ния, то такой свет будет очень ме­шать (от­све­чи­вать). Но если рас­смат­ри­вать кар­ти­ну с дру­гих по­ло­же­ний, то бла­го­да­ря ла­ко­во­му по­кры­тию белый свет от по­верх­но­сти в этих на­прав­ле­ни­ях не рас­про­стра­ня­ет­ся, и цвета кар­ти­ны вы­иг­ры­ва­ют в на­сы­щен­но­сти.

Все на­гре­тые тела из­лу­ча­ют элек­тро­маг­нит­ные волны. Чтобы экс­пе­ри­мен­таль­но ис­сле­до­вать за­ви­си­мость ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния от длины волны, не­об­хо­ди­мо:

1)  раз­ло­жить из­лу­че­ние в спектр;

2)  из­ме­рить рас­пре­де­ле­ние энер­гии в спек­тре.

Для по­лу­че­ния и ис­сле­до­ва­ния спек­тров слу­жат спек­траль­ные ап­па­ра­ты -спек­тро­гра­фы. Схема приз­мен­но­го спек­тро­гра­фа пред­став­ле­на на ри­сун­ке. Ис­сле­ду­е­мое из­лу­че­ние по­сту­па­ет сна­ча­ла в трубу, на одном конце ко­то­рой име­ет­ся ширма с узкой щелью, а на дру­гом - со­би­ра­ю­щая линза L₁. Щель на­хо­дит­ся в фо­ку­се линзы. По­это­му рас­хо­дя­щий­ся све­то­вой пучок, по­па­да­ю­щий на линзу из щели, вы­хо­дит из нее па­рал­лель­ным пуч­ком и па­да­ет на приз­му Р.

Так как раз­ным ча­сто­там со­от­вет­ству­ют раз­лич­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния, то из приз­мы вы­хо­дят па­рал­лель­ные пучки раз­но­го цвета, не сов­па­да­ю­щие по на­прав­ле­нию. Они па­да­ют на линзу L₂. На фо­кус­ном рас­сто­я­нии от этой линзы рас­по­ла­га­ет­ся экран, ма­то­вое стек­ло или фо­то­пла­стин­ка. Линза L₂ фо­ку­си­ру­ет па­рал­лель­ные пучки лучей на экра­не, и вме­сто од­но­го изоб­ра­же­ния щели по­лу­ча­ет­ся целый ряд изоб­ра­же­ний. Каж­дой ча­сто­те (точ­нее, уз­ко­му спек­траль­но­му ин­тер­ва­лу) со­от­вет­ству­ет свое изоб­ра­же­ние в виде цвет­ной по­лос­ки. Все эти изоб­ра­же­ния вме­сте и об­ра­зу­ют спектр. Энер­гия из­лу­че­ния вы­зы­ва­ет на­гре­ва­ние тела, по­это­му до­ста­точ­но из­ме­рить тем­пе­ра­ту­ру тела и по ней су­дить о ко­ли­че­стве по­гло­щен­ной в еди­ни­цу вре­ме­ни энер­гии. В ка­че­стве чув­стви­тель­но­го эле­мен­та можно взять тон­кую ме­тал­ли­че­скую пла­сти­ну, по­кры­тую тон­ким слоем сажи, и по на­гре­ва­нию пла­сти­ны су­дить об энер­гии из­лу­че­ния в дан­ной части спек­тра.

Кра­си­вое и не­без­опас­ное яв­ле­ние при­ро­ды — мол­ния — пред­став­ля­ет собой ис­кро­вой раз­ряд в ат­мо­сфе­ре.

Уже в се­ре­ди­не XVIII в. ис­сле­до­ва­те­ли об­ра­ти­ли вни­ма­ние на внеш­нее сход­ство мол­нии с элек­три­че­ской ис­крой. Вы­ска­зы­ва­лось пред­по­ло­же­ние, что гро­зо­вые об­ла­ка несут в себе боль­шие элек­три­че­ские за­ря­ды и мол­ния есть ги­гант­ская искра, ничем, кроме раз­ме­ров, не от­ли­ча­ю­ща­я­ся от искры между ша­ра­ми элек­тро­фор­ной ма­ши­ны. На это ука­зы­вал М. В. Ло­мо­но­сов, за­ни­мав­ший­ся изу­че­ни­ем ат­мо­сфер­но­го элек­три­че­ства.

Ло­мо­но­сов по­стро­ил «гро­мо­вую ма­ши­ну» — кон­ден­са­тор, на­хо­див­ший­ся в его ла­бо­ра­то­рии и за­ря­жав­ший­ся ат­мо­сфер­ным элек­три­че­ством по­сред­ством про­во­да, конец ко­то­ро­го был вы­ве­ден из по­ме­ще­ния и под­нят на вы­со­ком шесте. Во время грозы из кон­ден­са­то­ра можно было из­вле­кать искры. Таким об­ра­зом, было по­ка­за­но, что гро­зо­вые об­ла­ка дей­стви­тель­но несут на себе огром­ный элек­три­че­ский заряд.

Раз­ные части гро­зо­во­го об­ла­ка несут за­ря­ды раз­ных зна­ков. Чаще всего ниж­няя часть об­ла­ка (об­ра­щен­ная к Земле) бы­ва­ет за­ря­же­на от­ри­ца­тель­но, а верх­няя — по­ло­жи­тель­но. По­это­му если два об­ла­ка сбли­жа­ют­ся раз­но­имен­но за­ря­жен­ны­ми ча­стя­ми, то между ними про­ска­ки­ва­ет мол­ния.

Од­на­ко гро­зо­вой раз­ряд может про­изой­ти и иначе. Про­хо­дя над Зем­лей, гро­зо­вое об­ла­ко со­зда­ет на ее по­верх­но­сти боль­шой ин­ду­ци­ро­ван­ный заряд, и по­это­му об­ла­ко и по­верх­ность Земли об­ра­зу­ют две об­клад­ки боль­шо­го кон­ден­са­то­ра. На­пря­же­ние между об­ла­ком и Зем­лей до­сти­га­ет не­сколь­ких мил­ли­о­нов вольт, и в воз­ду­хе воз­ни­ка­ет силь­ное элек­три­че­ское поле. В ре­зуль­та­те может про­изой­ти про­бой, т. е. мол­ния, ко­то­рая уда­рит в землю. При этом мол­ния ино­гда по­ра­жа­ет людей, дома, де­ре­вья.

Гром, воз­ни­ка­ю­щий после мол­нии, имеет такое же про­ис­хож­де­ние, что и треск при про­ска­ки­ва­нии искры. Он по­яв­ля­ет­ся из-за того, что воз­дух внут­ри ка­на­ла мол­нии силь­но разо­гре­ва­ет­ся и рас­ши­ря­ет­ся, от­че­го и воз­ни­ка­ют зву­ко­вые волны. Эти волны, от­ра­жа­ясь от об­ла­ков, гор и дру­гих объ­ек­тов, со­зда­ют дли­тель­ное мно­го­крат­ное эхо, по­это­му и слыш­ны гро­мо­вые рас­ка­ты.

Мираж яв­ля­ет­ся оп­ти­че­ским яв­ле­ни­ем в ат­мо­сфе­ре, ко­то­рое де­ла­ет ви­ди­мы­ми пред­ме­ты, ко­то­рые в дей­стви­тель­но­сти на­хо­дят­ся вдали от места на­блю­де­ния, отоб­ра­жа­ет их в ис­ка­жен­ном виде или со­зда­ет мни­мое изоб­ра­же­ние.

Ми­ра­жи бы­ва­ют не­сколь­ких видов: ниж­ние, верх­ние, бо­ко­вые ми­ра­жи и дру­гие. Об­ра­зо­ва­ние ми­ра­жей свя­за­но с ано­маль­ным из­ме­не­ни­ем плот­но­сти в ниж­них слоях ат­мо­сфе­ры (что, в свою оче­редь, свя­за­но с быст­ры­ми из­ме­не­ни­я­ми тем­пе­ра­ту­ры).

Ниж­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют пре­иму­ще­ствен­но в тех слу­ча­ях, когда слои воз­ду­ха у по­верх­но­сти Земли (на­при­мер, в пу­сты­не) очень силь­но разо­гре­ты и их плот­ность ста­но­вит­ся ано­маль­но низ­кой. Лучи света, ко­то­рые ис­хо­дят от пред­ме­тов, на­чи­на­ют пре­лом­лять­ся и силь­но ис­крив­лять­ся. Они опи­сы­ва­ют дугу у по­верх­но­сти и под­хо­дят к глазу снизу. В таком слу­чае можно уви­деть пред­ме­ты как будто зер­каль­но от­ра­жен­ны­ми в воде, а на самом деле это пе­ре­вер­ну­тые изоб­ра­же­ния от­да­лен­ных объ­ек­тов (рис. 1). А мни­мое изоб­ра­же­ние неба со­зда­ет при этом ил­лю­зию воды на по­верх­но­сти.

Рис. 1. Схема по­яв­ле­ния ниж­не­го ми­ра­жа

Верх­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют над силь­но охла­жден­ной по­верх­но­стью, когда над слоем хо­лод­но­го воз­ду­ха у по­верх­но­сти об­ра­зу­ет­ся более теп­лый верх­ний слой (рис. 2). Верх­ние ми­ра­жи яв­ля­ют­ся наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ны­ми в по­ляр­ных ре­ги­о­нах, осо­бен­но на боль­ших ров­ных льди­нах со ста­биль­ной низ­кой тем­пе­ра­ту­рой. Изоб­ра­же­ния пред­ме­тов, на­блю­да­е­мые прямо в воз­ду­хе, могут быть и пря­мы­ми, и пе­ре­вер­ну­ты­ми.

Рис. 2. Схема по­яв­ле­ния верх­не­го ми­ра­жа

По мере при­бли­же­ния к по­верх­но­сти Земли плот­ность ат­мо­сфе­ры рас­тет (рис. 3).

Рис. 3. Из­ме­не­ние плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той от­но­си­тель­но уров­ня моря

Рис. 1

Для объ­яс­не­ния мно­гих ин­те­рес­ных оп­ти­че­ских эф­фек­тов, на­блю­да­е­мых в ат­мо­сфе­ре, не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать такое яв­ле­ние, как ре­фрак­ция света. Под этим тер­ми­ном по­ни­ма­ют ис­крив­ле­ние све­то­вых лучей при про­хож­де­нии в ат­мо­сфе­ре, вы­зван­ное оп­ти­че­ской не­од­но­род­но­стью ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха. При­чи­на этого кро­ет­ся в из­ме­не­ни­ях плот­но­сти воз­ду­ха (а зна­чит, и по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния) в за­ви­си­мо­сти от вы­со­ты или при на­гре­ва­нии или охла­жде­нии. По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния среды опре­де­ля­ет­ся фор­му­лой где c  — ско­рость света в ва­ку­у­ме, а v  — ско­рость света в дан­ной среде. Ско­рость света v в среде все­гда мень­ше ско­ро­сти c и за­ви­сит, в част­но­сти, от плот­но­сти среды. Чем плот­нее воз­дух, тем мень­ше v и, зна­чит, тем боль­ше по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха. Плот­ность воз­ду­ха по­ни­жа­ет­ся при пе­ре­хо­де от ниж­них слоев ат­мо­сфе­ры к верх­ним. Умень­ша­ет­ся она также при ло­каль­ном на­гре­ва­нии и даже за­ви­сит от ветра.

При ре­фрак­ции света в ат­мо­сфе­ре на­блю­да­тель видит объ­ект не в том на­прав­ле­нии, какое со­от­вет­ству­ет дей­стви­тель­но­сти; объ­ект может пред­став­лять­ся ис­ка­жен­ным, на­при­мер, диск за­хо­дя­ще­го солн­ца, на­хо­дя­ще­го­ся у самой линии го­ри­зон­та, ка­жет­ся сплюс­ну­тым по вер­ти­ка­ли. Осо­бен­но впе­чат­ля­ют яв­ле­ния, по­лу­чив­шие на­зва­ние ми­ра­жей. Раз­ли­ча­ют верх­ние и ниж­ние («озер­ные») ми­ра­жи.

Ниж­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют над силь­но на­гре­той по­верх­но­стью, на­при­мер, в зной­ной пу­сты­не или над ас­фаль­то­вой до­ро­гой в жар­кий день. В пу­сты­не не­по­сред­ствен­но над го­ря­чим пес­ком воз­дух так силь­но на­грет, что его плот­ность и, со­от­вет­ствен­но, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния мень­ше, чем в более вы­со­ких воз­душ­ных слоях. На ри­сун­ке 1 по­ка­за­но из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния воз­ду­ха n c вы­со­той h для пу­сты­ни в днев­ное время суток.

Бла­го­да­ря не­од­но­род­но­сти по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния воз­ду­ха c луч света ис­крив­ля­ет­ся так, как по­ка­за­но на ри­сун­ке 2. По­это­му, когда луч по­па­да­ет в глаз на­блю­да­те­ля, то ему ка­жет­ся, что он ис­хо­дит из точки A', а не из точки A.

Рис. 2

Таким об­ра­зом, если на го­ри­зон­те на­хо­дят­ся паль­мы или дру­гие объ­ек­ты, то на­блю­да­тель видит их пе­ре­вер­ну­ты­ми и вос­при­ни­ма­ет как от­ра­же­ния в не­су­ще­ству­ю­щих озе­рах. Вода в этих «озе­рах»  — от­ра­же­ние го­лу­бо­го не­бо­сво­да. На­блю­да­те­лю ка­жет­ся, что оазис с паль­ма­ми на­хо­дит­ся на рас­сто­я­нии один-два ки­ло­мет­ра. Но по мере про­дви­же­ния впе­ред «озеро» все так же на­хо­дит­ся где-то впе­ре­ди, а во­круг по-преж­не­му одни пески. На­блю­дать ниж­ний мираж можно не толь­ко в пу­сты­нях, но и в наших ши­ро­тах. На­при­мер, при по­езд­ке на ав­то­мо­би­ле в жар­кий лет­ний день на ас­фаль­то­вой до­ро­ге, когда она силь­но на­гре­та солн­цем, можно уви­деть лужи воды впе­ре­ди ав­то­мо­би­ля, хотя до­ро­га сухая. По мере того как ав­то­мо­биль дви­жет­ся по до­ро­ге впе­ред, «лужи» от­сту­па­ют все даль­ше и даль­ше, оста­ва­ясь не­до­ся­га­е­мы­ми.

Рис. 1

Когда мы го­во­рим о чем-то не­ре­аль­ном, не­уло­ви­мом, мы ис­поль­зу­ем слово «мираж». Он воз­ни­ка­ет перед на­блю­да­те­лем чу­дес­ным ви­де­ни­ем, но при по­пыт­ке при­бли­зить­ся к нему ис­че­за­ет. Ми­ра­жи можно на­блю­дать не толь­ко в пу­сты­нях, но и в сте­пях, и даже в более хо­лод­ных ши­ро­тах. Хо­ро­шо из­вест­на ле­ген­да из Сред­них веков о так на­зы­ва­е­мом «Ле­ту­чем

гол­ланд­це»  — ко­раб­ле-при­зра­ке, вы­зы­вав­шем суе­вер­ный страх у мат­ро­сов.

Раз­ли­ча­ют не­сколь­ко видов ми­ра­жей. Ос­нов­ны­ми яв­ля­ют­ся ниж­ние, так на­зы­ва­е­мые озер­ные, ми­ра­жи и верх­ние ми­ра­жи. «Озер­ные» ми­ра­жи воз­ни­ка­ют над силь­но на­гре­той по­верх­но­стью, на­при­мер, днем в пу­сты­не. Верх­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют, на­о­бо­рот, над силь­но охла­жден­ной по­верх­но­стью, на­при­мер, над хо­лод­ной водой.

Одной из ос­нов­ных при­чин воз­ник­но­ве­ния ми­ра­жей яв­ля­ет­ся ре­фрак­ция света в ат­мо­сфе­ре, то есть ис­крив­ле­ние све­то­вых лучей при про­хож­де­нии в ат­мо­сфе­ре, вы­зван­ное оп­ти­че­ской не­од­но­род­но­стью ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха. Уче­ные уста­но­ви­ли, что по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха  — это не­по­сто­ян­ная ве­ли­чи­на, она за­ви­сит от ряда фак­то­ров, одним из ос­нов­ных яв­ля­ет­ся плот­ность воз­ду­ха. Плот­ность же воз­ду­ха в ат­мо­сфе­ре из­ме­ня­ет­ся как с вы­со­той, так и в за­ви­си­мо­сти от сте­пе­ни ло­каль­но­го на­гре­ва или охла­жде­ния. При уве­ли­че­нии плот­но­сти воз­ду­ха по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Из­вест­но, что плот­ность воз­ду­ха по­ни­жа­ет­ся при пе­ре­хо­де от ниж­них слоев ат­мо­сфе­ры к верх­ним. Кроме того, она умень­ша­ет­ся также при ло­каль­ном на­гре­ва­нии и даже за­ви­сит от ветра. Рас­смот­рим, на­при­мер, как об­ра­зу­ет­ся про­стой верх­ний мираж. На ри­сун­ке 1 по­ка­за­но из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния воз­ду­ха n c вы­со­той h для слу­чая, когда воз­дух у самой по­верх­но­сти земли ло­каль­но силь­но охла­жден. Как видно из гра­фи­ка, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха n у самой по­верх­но­сти земли боль­ше, чем в более вы­со­ких воз­душ­ных слоях. На не­ко­то­рой вы­со­те на­блю­да­ет­ся плав­ный ска­чок, и далее с ро­стом вы­со­ты по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния n умень­ша­ет­ся уже более мед­лен­но.

Све­то­вые лучи, иду­щие от ка­ко­го-либо объ­ек­та, на­хо­дя­ще­го­ся на такой силь­но охла­жден­ной по­верх­но­сти, будут из­ги­бать­ся так, что их тра­ек­то­рия будет об­ра­ще­на вы­пук­ло­стью вверх (см. рис. 2). По­это­му на­блю­да­тель может даже ви­деть объ­ек­ты, на­хо­дя­щи­е­ся за го­ри­зон­том, при­чем он будет ви­деть их ввер­ху, как бы ви­ся­щи­ми над ли­ни­ей го­ри­зон­та. Не­да­ром такие ми­ра­жи на­зы­ва­ют верх­ни­ми.

Рис. 2

Туман со­сто­ит в ос­нов­ном из ка­пе­лек воды, име­ю­щих диа­метр от 0,5 до 100 мкм. Если в ту­ма­не пре­об­ла­да­ют очень мел­кие ка­пель­ки (диа­метр мень­ше 1 мкм), то такой туман на­зы­ва­ет­ся дым­кой. Если же капли ту­ма­на от­но­си­тель­но ве­ли­ки (диа­метр по­ряд­ка 100 мкм), то это так на­зы­ва­е­мая мо­рось.

В за­ви­си­мо­сти от раз­ме­ра ка­пе­лек воды туман может иметь раз­лич­ный от­те­нок. Цвет ту­ма­на опре­де­ля­ет­ся све­то­вы­ми вол­на­ми, ко­то­рые, рас­се­и­ва­ясь на ка­пель­ках воды, по­па­да­ют в глаз на­блю­да­те­ля. Ка­пель­ки диа­мет­ром много боль­ше мик­ро­мет­ра прак­ти­че­ски оди­на­ко­во рас­се­и­ва­ют свет во всем ин­тер­ва­ле длин волн, вос­при­ни­ма­е­мых гла­зом. Этим объ­яс­ня­ет­ся мо­лоч­но-белый и бе­ле­со­ва­тый цвет мо­ро­си. Мел­кие же ка­пель­ки дымки рас­се­и­ва­ют пре­иму­ще­ствен­но более ко­рот­кие све­то­вые волны, по­это­му ту­ман­ная дымка окра­ше­на в си­не­ва­тые и го­лу­бо­ва­тые тона.

В из­вест­ном смыс­ле воз­ник­но­ве­ние ту­ма­на есть яв­ле­ние вы­па­де­ния росы. Су­ще­ствен­но, од­на­ко, что кон­ден­са­ция во­дя­но­го пара в дан­ном слу­чае про­ис­хо­дит не на по­верх­но­сти земли, ли­стьев или тра­ви­нок, а в объ­е­ме воз­ду­ха. Цен­тра­ми кон­ден­са­ции могут слу­жить слу­чай­но об­ра­зу­ю­щи­е­ся скоп­ле­ния мо­ле­кул, ионы, а также пы­лин­ки, ча­стич­ки сажи и дру­гие мел­кие за­гряз­не­ния в воз­ду­хе.

Для воз­ник­но­ве­ния ту­ма­на не­об­хо­ди­мо, чтобы во­дя­ной пар в воз­ду­хе стал не про­сто на­сы­щен­ным, а ло­каль­но пе­ре­сы­щен­ным. Во­дя­ной пар ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным, если при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре про­цес­сы ис­па­ре­ния воды и кон­ден­са­ции во­дя­но­го пара вза­им­но ком­пен­си­ру­ют­ся, то есть в си­сте­ме «вода – пар» уста­нав­ли­ва­ет­ся со­сто­я­ние ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия. На ри­сун­ке пред­став­лен гра­фик за­ви­си­мо­сти плот­но­сти на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара от тем­пе­ра­ту­ры.

Во­дя­ной пар, со­сто­я­ние ко­то­ро­го со­от­вет­ству­ет точке А, ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным при охла­жде­нии (про­цесс АВ) или в про­цес­се до­пол­ни­тель­но­го ис­па­ре­ния воды (про­цесс АС). Со­от­вет­ствен­но, вы­па­да­ю­щий туман на­зы­ва­ют ту­ма­ном охла­жде­ния или ту­ма­ном ис­па­ре­ния.

Оп­ти­ка  — одна из древ­ней­ших наук, тесно свя­зан­ная с по­треб­но­стя­ми прак­ти­ки на всех эта­пах сво­е­го раз­ви­тия. Пря­мо­ли­ней­ность рас­про­стра­не­ния света была из­вест­на на­ро­дам Ме­со­по­та­мии за 5 тыс. лет до н. э. и ис­поль­зо­ва­лась в Древ­нем Егип­те при стро­и­тель­ных ра­бо­тах.

Два за­ко­на гео­мет­ри­че­ской оп­ти­ки  — закон пря­мо­ли­ней­но­го рас­про­стра­не­ния света и закон от­ра­же­ния света  — были опи­са­ны зна­ме­ни­тым гре­че­ским уче­ным Ев­кли­дом, жив­шим в III в. до н. э. С по­мо­щью этих за­ко­нов Ев­клид объ­яс­нил целый ряд на­блю­да­е­мых яв­ле­ний, и в част­но­сти, яв­ле­ний от­ра­же­ния света от плос­ких и даже сфе­ри­че­ских зер­кал. Уче­ные древ­но­сти имели также пред­став­ле­ние о пре­лом­ле­нии света и даже пы­та­лись уста­но­вить закон пре­лом­ле­ния.

Гре­че­ский аст­ро­ном Клав­дий Пто­ле­мей (около 130 г. н. э.)  — автор за­ме­ча­тель­ной книги, ко­то­рая в те­че­ние почти 15 сто­ле­тий слу­жи­ла ос­нов­ным учеб­ни­ком по аст­ро­но­мии,  — со­здал еще книгу «Оп­ти­ка», в ко­то­рой опи­сал, в част­но­сти, яв­ле­ние пре­лом­ле­ния света. С яв­ле­ни­ем пре­лом­ле­ния света Пто­ле­мей столк­нул­ся, на­блю­дая звез­ды. Он за­ме­тил, что луч света, пе­ре­хо­дя из одной среды в дру­гую, «ло­ма­ет­ся». По­это­му звезд­ный луч, про­хо­дя через зем­ную ат­мо­сфе­ру, до­хо­дит до по­верх­но­сти Земли не по пря­мой, а по кри­вой линии, то есть на­блю­да­ет­ся ре­фрак­ция. Ис­крив­ле­ние хода луча про­ис­хо­дит из-за того, что плот­ность воз­ду­ха ме­ня­ет­ся с вы­со­той. Чтобы изу­чить закон пре­лом­ле­ния, Пто­ле­мей про­вел сле­ду­ю­щий экс­пе­ри­мент. Он взял круг и укре­пил на его оси ли­ней­ки l₁ и l₂ так, чтобы они могли сво­бод­но вра­щать­ся во­круг нее (см. рис.).

Пто­ле­мей по­гру­жал этот круг в воду до диа­мет­ра AB и, по­во­ра­чи­вая ниж­нюю ли­ней­ку, до­би­вал­ся того, чтобы ли­ней­ки ле­жа­ли для глаза на одной пря­мой (если смот­реть вдоль верх­ней ли­ней­ки). После этого он вы­ни­мал круг из воды и срав­ни­вал углы па­де­ния α и пре­лом­ле­ния β. Он из­ме­рял углы с точ­но­стью до 0,5°. Числа, по­лу­чен­ные Пто­ле­ме­ем, пред­став­ле­ны в таб­ли­це.

Экс­пе­ри­мент Пто­ле­мея был по­став­лен пра­виль­но, уче­ный по­лу­чил до­ста­точ­но хо­ро­шие чис­лен­ные зна­че­ния для углов па­де­ния и пре­лом­ле­ния, од­на­ко за­ко­на он уста­но­вить не сумел.

Туман со­сто­ит в ос­нов­ном из ка­пе­лек воды, име­ю­щих диа­метр от 0,5 до 100 мкм. Если в ту­ма­не пре­об­ла­да­ют очень мел­кие ка­пель­ки (диа­метр мень­ше 1 мкм), то такой туман на­зы­ва­ет­ся дым­кой. Если же капли ту­ма­на от­но­си­тель­но ве­ли­ки (диа­метр по­ряд­ка 100 мкм), то это так на­зы­ва­е­мая мо­рось.

В за­ви­си­мо­сти от раз­ме­ра ка­пе­лек воды туман может иметь раз­лич­ный от­те­нок. Цвет ту­ма­на опре­де­ля­ет­ся све­то­вы­ми вол­на­ми, ко­то­рые, рас­се­и­ва­ясь на ка­пель­ках воды, по­па­да­ют в глаз на­блю­да­те­ля. Ка­пель­ки диа­мет­ром много боль­ше мик­ро­мет­ра прак­ти­че­ски оди­на­ко­во рас­се­и­ва­ют свет во всем ин­тер­ва­ле длин волн, вос­при­ни­ма­е­мых гла­зом. Этим объ­яс­ня­ет­ся мо­лоч­но-белый и бе­ле­со­ва­тый цвет мо­ро­си. Мел­кие же ка­пель­ки дымки рас­се­и­ва­ют пре­иму­ще­ствен­но более ко­рот­кие све­то­вые волны, по­это­му ту­ман­ная дымка окра­ше­на в си­не­ва­тые и го­лу­бо­ва­тые тона.

В из­вест­ном смыс­ле воз­ник­но­ве­ние ту­ма­на есть яв­ле­ние вы­па­де­ния росы. Су­ще­ствен­но, од­на­ко, что кон­ден­са­ция во­дя­но­го пара в дан­ном слу­чае про­ис­хо­дит не на по­верх­но­сти земли, ли­стьев или тра­ви­нок, а в объ­е­ме воз­ду­ха. Цен­тра­ми кон­ден­са­ции могут слу­жить слу­чай­но об­ра­зу­ю­щи­е­ся скоп­ле­ния мо­ле­кул, ионы, а также пы­лин­ки, ча­стич­ки сажи и дру­гие мел­кие за­гряз­не­ния в воз­ду­хе.

Для воз­ник­но­ве­ния ту­ма­на не­об­хо­ди­мо, чтобы во­дя­ной пар в воз­ду­хе стал не про­сто на­сы­щен­ным, а пе­ре­сы­щен­ным. Во­дя­ной пар ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным, если при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре про­цес­сы ис­па­ре­ния воды и кон­ден­са­ции во­дя­но­го пара вза­им­но ком­пен­си­ру­ют­ся, т. е. в си­сте­ме вода−пар уста­нав­ли­ва­ет­ся со­сто­я­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия. На ри­сун­ке пред­став­лен гра­фик за­ви­си­мо­сти плот­но­сти на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара от тем­пе­ра­ту­ры.

Во­дя­ной пар, со­сто­я­ние ко­то­ро­го со­от­вет­ству­ет точке А, ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным при охла­жде­нии (про­цесс АВ) или в про­цес­се до­пол­ни­тель­но­го ис­па­ре­ния воды (про­цесс АС). Со­от­вет­ствен­но, вы­па­да­ю­щий туман на­зы­ва­ют ту­ма­ном охла­жде­ния или ту­ма­ном ис­па­ре­ния.

Пре­жде чем луч света от уда­лен­но­го кос­ми­че­ско­го объ­ек­та (на­при­мер, звез­ды) смо­жет по­пасть в глаз на­блю­да­те­ля, он дол­жен прой­ти сквозь зем­ную ат­мо­сфе­ру. При этом све­то­вой луч под­вер­га­ет­ся про­цес­сам ре­фрак­ции, по­гло­ще­ния и рас­се­я­ния.

Ре­фрак­ция света в ат­мо­сфе­ре  — оп­ти­че­ское яв­ле­ние, вы­зы­ва­е­мое пре­лом­ле­ни­ем све­то­вых лучей в ат­мо­сфе­ре и про­яв­ля­ю­щих­ся в ка­жу­щем­ся сме­ще­нии уда­лен­ных объ­ек­тов (на­при­мер, на­блю­да­е­мых на небе звезд). По мере при­бли­же­ния све­то­во­го луча от не­бес­но­го тела к по­верх­но­сти Земли плот­ность ат­мо­сфе­ры рас­тет (рис. 1) и лучи пре­лом­ля­ют­ся все силь­нее. Про­цесс рас­про­стра­не­ния све­то­во­го луча через зем­ную ат­мо­сфе­ру можно смо­де­ли­ро­вать с по­мо­щью стоп­ки про­зрач­ных пла­стин, оп­ти­че­ская плот­ность ко­то­рых из­ме­ня­ет­ся по ходу рас­про­стра­не­ния луча (рис. 2).

Из-за ре­фрак­ции на­блю­да­тель видит объ­ек­ты не в на­прав­ле­нии их дей­стви­тель­но­го по­ло­же­ния, а вдоль ка­са­тель­ной к тра­ек­то­рии луча в точке на­блю­де­ния (рис. 3). Угол между ис­тин­ным и ви­ди­мым на­прав­ле­ни­я­ми на объ­ект на­зы­ва­ет­ся углом ре­фрак­ции. Звез­ды вб­ли­зи го­ри­зон­та, свет ко­то­рых дол­жен прой­ти через самую боль­шую толщу ат­мо­сфе­ры, силь­нее всего под­вер­же­ны дей­ствию ат­мо­сфер­ной ре­фрак­ции (угол ре­фрак­ции со­став­ля­ет по­ряд­ка 1/6 уг­ло­во­го гра­ду­са).

Про­хо­дя через зем­ную ат­мо­сфе­ру, поток сол­неч­ных лучей ча­стич­но рас­се­и­ва­ет­ся, ча­стич­но по­гло­ща­ет­ся и до Земли до­хо­дит ослаб­лен­ным. В ви­ди­мой части спек­тра по­гло­ще­ние иг­ра­ет малую роль в срав­не­нии с рас­се­я­ни­ем. Имен­но за счет рас­се­я­ния про­ис­хо­дит глав­ное ослаб­ле­ние све­то­вых сол­неч­ных лучей.

Рас­се­я­ние све­то­вых лучей силь­но за­ви­сит от длины волны. По рас­че­там ан­глий­ско­го фи­зи­ка лорда Рэлея, ин­тен­сив­ность рас­се­ян­но­го света в чи­стом воз­ду­хе об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на чет­вер­той сте­пе­ни длины волны. По­это­му, про­хо­дя через ат­мо­сфе­ру, лучи раз­ных длин волн ослаб­ля­ют­ся по-раз­но­му: ко­рот­кие све­то­вые волны (фи­о­ле­то­во-го­лу­бая часть спек­тра) рас­се­и­ва­ют­ся зна­чи­тель­но силь­нее длин­ных (крас­ная часть спек­тра). Это при­во­дит к тому, что мы видим небо го­лу­бым вслед­ствие рас­се­я­ния сол­неч­но­го света в ат­мо­сфе­ре Земли.

Круп­ные ча­сти­цы пыли прак­ти­че­ски оди­на­ко­во рас­се­и­ва­ют все длины волн ви­ди­мо­го света. На­ли­чие в воз­ду­хе срав­ни­тель­но круп­ных ча­сти­чек пыли до­бав­ля­ет к рас­се­ян­но­му го­лу­бо­му свету от­ра­жен­ный ча­стич­ка­ми пыли свет, то есть почти не­из­мен­ный свет Солн­ца. Цвет неба ста­но­вит­ся в этих усло­ви­ях бе­ле­со­ва­тым.