В спокойной атмосфере наблюдают. Как и почему звезды мерцают на ночном небе? Атмосфера и звёздное сияние
Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) – автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника Птолемей написал ещё книгу «Оптика», в которой изложил теорию зрения, теорию плоских и сферических зеркал и исследование явления преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звёзды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звёздный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по кривой линии, то есть происходит рефракция. Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой.
Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провёл следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на оси линейки l1 и l2 так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг неё (см. рисунок). Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ 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.
Птолемей не нашёл «формулы» взаимосвязи для этих двух рядов чисел. Однако если определить синусы этих углов, то окажется, что отношение синусов выражается практически одним и тем же числом, даже при таком грубом измерении углов, к которому прибегал Птолемей.
Из-за рефракции света в спокойной атмосфере кажущееся положение звезд на небосклоне относительно горизонта
1) выше действительного положения
2) ниже действительного положения
3) сдвинуто в ту или иную сторону по вертикали относительно действительного положения
4) совпадает с действительным положением
Конец формы
Начало формы
В спокойной атмосфере наблюдают положение звёзд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли в той точке, где находится наблюдатель. Каково видимое положение звёзд – выше или ниже их действительного положения относительно горизонта? Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
Под рефракцией в тексте понимается явление
1) изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы
2) изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли
3) поглощения света при его распространении в атмосфере Земли
4) огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения о прямолинейного распространения
Конец формы
Начало формы
Какой из приведённых ниже выводов противоречит опытам Птолемея?
1) угол преломления меньше угла падения при переходе луча из воздуха в воду
2) с увеличением угла падения линейно увеличивается угол преломления
3) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не меняется
4) синус угла преломления линейно зависит от синуса угла падения
Конец формы
Конец формы
Конец формы
Фотолюминесценция
Некоторые вещества при освещении электромагнитным излучением сами начинают светиться. Такое свечение, или люминесценция, отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет. Например, если пучок фиолетового света направить на колбочку с раствором флюоресцеина, то освещённая жидкость начинает ярко люминесцировать зелёно-жёлтым светом.
Некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время после того, как освещение их прекратилось. Такое послесвечение может иметь различную длительность: от долей секунды до многих часов. Принято называть свечение, прекращающееся с освещением, флюоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность, фосфоресценцией.
Фосфоресцирующие кристаллические порошки используются для покрытия специальных экранов, сохраняющих своё свечение две-три минуты после освещения. Такие экраны светятся и под действием рентгеновских лучей.
Очень важное применение нашли фосфоресцирующие порошки при изготовлении ламп дневного света. В газоразрядных лампах, наполненных парами ртути, при прохождении электрического тока возникает ультрафиолетовое излучение. Советский физик С.И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность таких ламп специально изготовленным фосфоресцирующим составом, дающим при облучении ультрафиолетом видимый свет. Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно получить спектральный состав излучаемого света, максимально приближённый к спектральному составу дневного света.
Явление люминесценции характеризуется крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда 10 – – 10 г светящегося вещества, например в растворе, чтобы обнаружить это вещество по характерному свечению. Это свойство лежит в основе люминесцентного анализа, который позволяет обнаружить ничтожно малые примеси и судить о загрязнениях или процессах, приводящих к изменению исходного вещества.
Ткани человека содержат большое количество разнообразных природных флуорофоров, которые имеют различные спектральные области флуоресценции. На рисунке представлены спектры свечения основных флуорофоров биологических тканей и шкала электромагнитных волн.
Согласно приведённым данным пироксидин светится
1) красным светом
2) жёлтым светом
3) зелёным светом
4) фиолетовым светом
Конец формы
Начало формы
Два одинаковых кристалла, имеющих свойство фосфоресцировать в жёлтой части спектра, были предварительно освещены: первый красными лучами, второй синими лучами. Для какого из кристаллов можно будет наблюдать послесвечение? Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
При исследовании пищевых продуктов люминесцентный метод можно использовать для установления порчи и фальсификации продуктов.
В таблице приведены показатели люминесценции жиров.
Цвет люминесценции сливочного масла изменился с жёлто-зелёного на голубой. Это означает, что в сливочное масло могли добавить
1) только маргарин сливочный
2) только маргарин «Экстра»
3) только сало растительное
4) любой из указанных жиров
Конец формы
Альбедо Земли
Температура у поверхности Земли зависит от отражательной способности планеты – альбедо. Альбедо поверхности – это отношение потока энергии отражённых солнечных лучей к потоку энергии падающих на поверхность солнечных лучей, выраженное в процентах или долях единицы. Альбедо Земли в видимой части спектра – около 40%. В отсутствие облаков оно было бы около 15%.
Альбедо зависит от многих факторов: наличия и состояния облачности, изменения ледников, времени года, и, соответственно, от осадков.
В 90-х годах XX века стала очевидна значительная роль аэрозолей – «облаков» мельчайших твёрдых и жидких частиц в атмосфере. При сжигании топлива в воздух попадают газообразные оксиды серы и азота; соединяясь в атмосфере с капельками воды, они образуют серную, азотную кислоты и аммиак, которые превращаются потом в сульфатный и нитратный аэрозоли. Аэрозоли не только отражают солнечный свет, не пропуская его к поверхности Земли. Аэрозольные частицы служат ядрами конденсации атмосферной влаги при образовании облаков и тем самым способствуют увеличению облачности. А это, в свою очередь, уменьшает приток солнечного тепла к земной поверхности.
Прозрачность для солнечных лучей в нижних слоях земной атмосферы зависит также от пожаров. Из-за пожаров в атмосферу поднимается пыль и сажа, которые плотным экраном закрывают Землю и увеличивают альбедо поверхности.
Какие утверждения справедливы?
А. Аэрозоли отражают солнечный свет и, тем самым, способствуют уменьшению альбедо Земли.
Б. Извержения вулканов способствуют увеличению альбедо Земли.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Конец формы
Начало формы
В таблице приведены некоторые характеристики для планет Солнечной системы – Венеры и Марса. Известно, что альбедо Венеры А 1 = 0,76, а альбедо Марса А 2 = 0,15. Какая из характеристик, главным образом, повлияла на различие в альбедо планет?
1) А 2) Б 3) В 4) Г
Конец формы
Начало формы
Увеличивается или уменьшается альбедо Земли в период извержения вулканов? Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
Под альбедо поверхности понимают
1) общий поток падающих на поверхность Земли солнечных лучей
2) отношение потока энергии отражённого излучения к потоку поглощённого излучения
3) отношение потока энергии отражённого излучения к потоку падающего излучения
4) разность между падающей и отражённой энергией излучения
Конец формы
Изучение спектров
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 L 1 . Щель находится в фокусе линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из неё 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 L
2 . На фокусном расстоянии от этой линзы располагается экран, матовое стекло или фотопластинка. Линза L
2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (точнее, узкому спектральному интервалу) соответствует своё 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 поглощённой 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.
Разложение света в спектр в аппарате, изображённом на рисунке, основано на
1) явлении дисперсии света
2) явлении отражения света
3) явлении поглощения света
4) свойствах тонкой линзы
Конец формы
Начало формы
В устройстве призменного спектрографа линза L 2 (см. рисунок) служит для
1) разложения света в спектр
2) фокусировки лучей определённой частоты в узкую полоску на экране
3) определения интенсивности излучения в различных частях спектра
4) преобразования расходящегося светового пучка в параллельные лучи
Конец формы
Начало формы
Нужно ли металлическую пластину термометра, используемого в спектрографе, покрывать слоем сажи? Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
Источник задания: Решение 4555. ОГЭ 2017 Физика, Е.Е. Камзеева. 30 вариантов.
Задание 20. Под рефракцией в тексте понимается явление
1) изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы
2) изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли
3) поглощения света при его распространении в атмосфере Земли
4) огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения от прямолинейного распространения
Решение.
Прежде чем луч света от удалённого 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 проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов (например, наблюдаемых на небе звёзд). По мере приближения светового луча от небесного тела к поверхности Земли плотность атмосферы растёт (рис. 1), и лучи преломляются всё сильнее. Процесс распространения светового луча через земную атмосферу можно смоделировать с помощью стопки прозрачных пластин, оптическая плотность которых изменяется по ходу распространения луча.
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. Звёзды 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).
В мире много интересного. Мерцание звезд - одно из самых удивительных явлений. Сколько всевозможных поверий связано с этим явлением! Неизвестное всегда пугает и притягивает одновременно. Какова же природа такого явления?
Влияние атмосферы
Астрономы сделали интересное открытие: мерцание звёзд никак не связано с их изменениями. Тогда почему звезды мерцают на ночном небе? Всё дело в атмосферном движении потоков холодного и горячего воздуха. Где проходят тёплые слои над холодными, там образуются вихри воздуха. Под действием этих вихрей лучи света искажаются. Так световые лучи искривляются, изменяя видимое положения звезд.
Интересен тот факт, что звёзды вообще не мерцают. Такое видение создается на земле. Глаза наблюдателей воспринимают свет, исходящий от звезды, после его прохождения сквозь атмосферу. Поэтому на вопрос о том, почему звезды мерцают, можно ответить, что звёзды не мерцают, а то явление, которые мы наблюдаем на земле, - это искажение света, прошедшего путь от звезды сквозь атмосферные слои воздуха. Если бы таких движений воздуха не происходило, то и мерцания не наблюдалось бы, даже от самой далёкой звезды в космосе.
Научное объяснение
Если раскрыть более подробно вопрос о том, почему звезды мерцают, то стоит отметить, что этот процесс наблюдается тогда, когда свет от звезды переходит из более плотного атмосферного слоя в менее плотный. К тому же, как было сказано выше, эти слои постоянно перемещаются относительно друг друга. Из законов физики известно, что тёплый воздух поднимается, а холодный, наоборот, опускается. Именно тогда, когда свет проходит эту границу слоёв, мы и наблюдаем мерцание.
Проходя сквозь слои воздуха, разные по плотности, свет звезд начинает мерцать, а их очертания расплываются и изображение увеличивается. При этом интенсивность излучения и, соответственно, яркость тоже меняются. Таким образом, изучая и наблюдая вышеописанные процессы, учёные поняли, почему звезды мерцают, а их мерцание различается по интенсивности. В науке такое изменение световой интенсивности называется сцинтилляцией.
Планеты и звёзды: в чём разница?
Интересен и тот факт, что не от каждого космического светящегося объекта исходящий свет даёт явление сцинтилляции. Возьмём планеты. Они тоже отражают солнечный свет, но не мерцают. Именно по характеру излучения планету отличают от звезды. Да, свет звезды даёт мерцание, а планеты - нет.
Ещё с древних времён человечество научилось по звездам ориентироваться в пространстве. В те времена, когда точные приборы не были изобретены, небо помогало найти верный путь. И сегодня эти знания не утратили своего значения. Астрономия как наука зародилась в 16 веке, когда впервые изобрели телескоп. Вот тогда и стали вплотную наблюдать свет звезд и изучать законы, по которым они мерцают. Слово астрономия в переводе с греческого - это "закон звёзд".
Наука о звёздах
Астрономия изучает Вселенную и небесные тела, их движение, расположение, строение и происхождение. Благодаря развитию науки, астрономы объяснили, чем мерцающая звезда на небе отличается от планеты, каким образом происходит развитие небесных тел, их систем, спутников. Эта наука заглянула далеко за границы Солнечной системы. Пульсары, квазары, туманности, астероиды, галактики, чёрные дыры, межзвёздное и межпланетное вещество, кометы, метеориты и всё, что касается космического пространства, изучает наука астрономия.
На интенсивность и цвет мерцающего звёздного сияния влияет ещё высота атмосферы и приближённость к горизонту. Нетрудно заметить, что звёзды, расположенные близко к нему, светят ярче и переливаются разными цветами. Особенно красивым становится это зрелище в морозные ночи или сразу после дождя. В эти моменты небо безоблачно, что способствует более яркому мерцанию. Особое сияние у Сириуса.
Атмосфера и звёздное сияние
При желании наблюдать за звёздным мерцанием следует понимать, что при спокойной атмосфере у зенита это возможно только изредка. Яркость светового потока постоянно меняется. Это опять-таки связано с отклонением световых лучей, которые неравномерно концентрируются над земной поверхностью. На звёздный пейзаж влияние оказывает и ветер. При этом наблюдатель звёздной панорамы постоянно оказывается попеременно в затемнённой или освещённой области.
При наблюдении за звёздами, расположенными на высоте более 50°, изменение цвета не будет заметным. А вот звёзды, которые находятся ниже 35°, будут мерцать и менять цвет довольно часто. Очень интенсивное мерцание говорит о неоднородности атмосферы, что непосредственно связано с метеорологией. Во время наблюдения за звёздным мерцанием было замечено, что оно имеет свойство усиливаться при пониженном атмосферном давлении, температуре. Усиление мерцания можно заметить также при увеличении влажности. Однако предсказывать погоду по сцинтилляции нельзя. Состояние атмосферы зависит от большого числа различных факторов, что не позволяет делать выводы о погоде только по звёздному мерцанию. Безусловно, некоторые моменты работают, но до сих пор это явление имеет свои неясности и загадки.