X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Редкое атмосферное явление – зеленый луч – и условия для наблюдения за ним
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
У Жюль Верна есть роман «Зеленый луч». В нем героиня узнает о существовании редкого природного явления и решается на далекое путешествие ради того, чтобы его увидеть. Однако это не просто воображение писателя-фантаста. Это действительно подтвержденный факт – те, кто на закате над морем видели данное явление, описывают его как непередаваемый оттенок изумрудного пламени или сферы, возникающий вспышкой на горизонте на несколько секунд.
С этим чрезвычайно редким явлением связано поверье, которое гласит, что тот, кто увидит зеленый луч Солнца на закате или восходе, то всю оставшуюся жизнь будет богатым и счастливым.
Описываемому атмосферному явлению посвящены книги, стихи, о нем упоминается во многих известных кинофильмах.
Романтичные люди с давних времен наделяли зеленый луч волшебными свойствами. Считалось, что увидевший его должен был обязательно стать счастливым или должна была сбыться его самая заветная мечта.
Эффект этого оптического явления может проявляться в нескольких формах:
- как зеленый сегмент солнечного диска;
- в форме луча зеленого цвета, похожего на пламя, поднимающееся над горизонтом;
- как зеленый край в верней части светила.
В работе систематизированы условия, при которых возможно наблюдать зеленый луч на Керченском полуострове. Здесь имеется главное условие для этого – море. Город Керчь имеет уникальное месторасположение. На севере находится Азовское море, на юге - Черное. Они соединены между собой широким Керченским проливом.
Исследования проводили в 2020 году. Был сделан анализ литературы, изучено данное явление с точки зрения физики, географии и метеорологии.
По результатам наблюдений была выполнена исследовательская работа на тему «Редкое атмосферное явление – зеленый луч – и условия для наблюдения за ним».
Исследуемая гипотеза состояла в том, что для наблюдения необходимо сочетание нескольких условий одномоментно.
Объект исследования – физические, географические и метеорологические условия для наблюдения за редким оптическим явлением.
Актуальность работы обусловлена тем, что для человека важно понимать причины атмосферных явлений и уметь различать условия, при которых они происходят
Цель исследовательской работы заключалась в изучении условий, при которых можно наблюдать редкое оптическое атмосферное явление, а также выборе места для наблюдения на Керченском полуострове.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
- рассмотреть редкое природное явление – зелёный луч;
- описать прозрачность атмосферы;
- выявить конкретные условия наблюдения за появлением зелёного луча на Керченском полуострове.
Предмет исследований – оптическое явление – зеленый луч
Методы исследования:
- фото- и видеосъемка;
- поиск литературы в городской библиотеке, ее изучение и анализ.
Для выявления мест пригодных для наблюдения применялся метод маршрутных исследований, также была использована информация из литературных источников, сети Интернет и устные сообщения других специалистов.
Личный вклад автора исследовательской работы заключается в изучении большого количества литературных источников, отбор материала по теме исследования и ее анализ, работа с картами, создании собственного фото- и видеоархива, изучении возможности работы на компьютере при оформлении исследовательской работы.
Практическая ценность: материалы могут быть использованы при проведении уроков по предмету «Окружающий мир» в начальных классах и уроков географии в старших классах.
1. ЗЕЛЕНЫЙ ЛУЧ – РЕДКОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ
Вспышка изумрудного цвета появляется в момент исчезновения солнечного диска за горизонтом. Для того чтобы понять, каким образом проявляется такое редкое оптическое явление как зеленый луч, следует уяснить несколько важных понятий из курса физики. То есть объяснение явления чисто физическое, включает в себя понимание основ оптики и таких важных понятий как преломление, рефракция, прозрачность. Рассмотрим детально физические условия появления зеленого луча при заходе солнца.
Преломление солнечных лучей в атмосфере сопровождается их дисперсией, то есть разложением в спектр. При этом сила рефракции зависит от длины волны луча - чем короче длина волны луча, тем сильнее он будет приподниматься за счёт атмосферной рефракции.
Рефракция астрономическая (атмосферная рефракция) - это преломление в атмосфере световых лучей от небесных светил. Поскольку плотность планетных атмосфер всегда убывает с высотой, преломление света происходит таким образом, что своей выпуклостью искривленный луч всегда обращен в сторону зенита. В связи с этим рефракция всегда «приподнимает» изображения небесных светил над их истинным положением [2]. Другое видимое следствие рефракции (точнее, разницы её значений на разных высотах) - сплющивание видимого диска Солнца или Луны на горизонте (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Фактическое положение Солнца ниже горизонта (желтый диск) и его видимое положение (оранжевый) во время захода
В результате наложения друг на друга цветовых лучей от отдельных точек солнечного диска центральная часть его останется белой (а точнее, за счёт рассеяния весь диск становится красным) и только верхняя и нижняя каёмки диска оказываются в преимущественном положении. Верхняя становится сине-зелёной, нижняя - оранжево-красной [1,3,6]. Красная и оранжевая части диска Солнца заходят за горизонт раньше зелёной и голубой.
Атмосферная дисперсия солнечных лучей в наиболее явном виде проявляется в самый последний момент захода Солнца. При этом над горизонтом остается только небольшой верхний сегмент, то есть только самая «макушка» солнечного диска. Последний луч заходящего Солнца, разлагаясь в спектр, образует «веер» цветных лучей (рис. 1.2).
Рис. 1.2. «Веер» цветных лучей при заходе Солнца
Расхождение крайних лучей видимого спектра - фиолетовых и красных - составляет в среднем 38°, но при более сильной рефракции оно может быть и значительно больше [1,3,6].
При этом возникает оптическая особенность. Когда Солнце «погружается под горизонт», последним лучом исследователи должны были бы увидеть фиолетовый. Однако самые коротковолновые лучи - фиолетовые, синие, голубые - на долгом пути в атмосфере (когда Солнце уже у горизонта), настолько сильно рассеиваются, что не доходят до земной поверхности. Кроме того, к лучам этой части спектра меньше чувствительность глаза человека. Поэтому в последний момент захода последний луч заходящего Солнца оказывается яркого изумрудного цвета. Это оптическое явление получило название зеленый луч [1,3,6].
Рис. 1.3. Редкий снимок проявления зелёного луча над морем [4]
Таким образом, причина появления зеленого луча заключается в особенностях преломления света. Преломлению солнечных лучей в атмосфере Земли сопутствует дисперсия (разложение в спектр), а воздух служит призмой для этого. Увидеть вспышку зеленого цвета можно только тогда, когда от Солнца останется лишь краешек. В этот момент рефракция (преломление) становится наиболее сильной, и последний луч превращается в цветной веер (растягивание спектра).
2. ПРОЗРАЧНОСТЬ ВОЗДУХА
Для наблюдения зеленого луча очень важно понимать значение прозрачности атмосферы. Прозрачность – это способность атмосферы пропускать электромагнитную энергию. Прозрачность зависит от массы воздуха, проходимой лучами солнца, а также от содержания водяного пара и пыли в воздухе. Прозрачность атмосферы неодинакова для излучений различных длин волн. Она тем больше, чем меньше поглощение и рассеяние в атмосфере. Прозрачность атмосферы можно характеризовать двумя способами. Во-первых, коэффициентом прозрачности, который равен доле радиации, проходящей через атмосферу при отвесном падении лучей. Во-вторых, фактором мутности. Фактор мутности показывает, в какой мере прозрачность реальной атмосферы в данных условиях отличается от идеально чистой и сухой (идеальной) атмосферы [2].
Прозрачность атмосферы для лучей небесного светила уменьшается по мере приближения данного светила к горизонту. Это происходит потому, что возрастает длина пути лучей в воздухе, выражаемая оптической массой атмосферы.
Прозрачность атмосферы в различных пунктах земного шара неодинакова. Наиболее прозрачен воздух в полярных странах, т.к. там он содержит наименьшее количество пыли и влаги. Изменение влажности и запылённости воздуха в любом конкретном населенном пункте в течение года определяет годовой ход прозрачности. Кроме того, прозрачность атмосферы меняется в зависимости от сезона. Так, например, минимальное значение коэффициента прозрачности наблюдается в летнее время, а максимальное - в зимнее. Таким образом, наиболее прозрачна атмосфера зимой, наименее прозрачна - летом. Соответственно, в весенний и осенний периоды прозрачность атмосферы имеет средний коэффициент. Следует также иметь в виду, что заметное уменьшение прозрачности атмосферы наблюдается в результате возрастающих атмосферных загрязнений (особенно запылённости), что происходит вблизи крупных населенных пунктов [1-3,6].
3. КОНКРЕТНЫЕ УСЛОВИЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПОЯВЛЕНИЕМ ЗЕЛЁНОГО ЛУЧА НА КЕРЧЕНСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ
Четко понимая, какие физические условия необходимы для наблюдения, выделим еще не менее важные - географические и метеорологические. В литературе чаще всего упоминаются три условия. Так, для наблюдения зелёного луча необходимы: первое - открытый горизонт (в степи, тундре, горах или на море в отсутствие волнения), второе - чистый воздух, третье - свободная от облаков сторона горизонта, где происходит заход солнца. Однако есть и ряд других условий. В таблице 3.1. систематизированы главные из них и дан анализ возможности наблюдения на Керченском полуострове.
Таблица 3.1. Условия наблюдения за редким оптическим явлением
|
№ п/п |
Условия |
Побережье Азовского моря (Новоотрадное, Юркино, Маяк) |
Побережье Керченского пролива (от м. Маяк до м. Такиль) |
Побережье Черного моря (оз.Кояшское) |
|
1 |
открытый горизонт в виде резкой линии |
+ |
- |
+ |
|
2 |
чистый воздух особой прозрачности |
- |
- |
+ |
|
3 |
свободная от облаков сторона горизонта, где происходит заход солнца |
зависит от метеоусловий |
||
|
4 |
возможность наблюдать момент, когда верхний край диска соприкасается с линией горизонта |
несколько секунд в течение суток |
||
|
5 |
терпение и усердие исследователя |
+ |
+ |
+ |
Примечание. Знак + обозначает наличие благоприятных условий для наблюдения.
Таким образом, зеленая вспышка в небе появляется, только если соблюдены все вышеперечисленные условия, в том числе:
- линия горизонта совершенно ровная, открытая, без построек и деревьев;
- море спокойное;
- небо совершенно чистое;
- воздух абсолютно прозрачен.
При этом, если солнечный диск на закате багрового или красного цвета, то скорее всего, зеленого луча не будет. Только если на закате Солнце остается ярко-желтым, а воздух прозрачен, есть вероятность того, что удастся наблюдать этот феномен.
Рассмотрим карту Керченского полуострова с точки зрения возможности наблюдения редкого атмосферного явления (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Карта-схема Керченского полуострова [5]
Условно выделим три участка, находящиеся в непосредственной близости от г. Керчь. Первый – от мыса Зюк до мыса Фонарь, это побережье Азовского моря. Второй – от мыса Фонарь до мыса Такиль - это побережье Керченского пролива, и третий – от мыса Такиль до озера Кояшское. Гора Опук и мыс Чауда закрыты для посещений. Сопоставив карту, данные таблицы и рассмотрев стороны горизонта, можно сделать вывод о том, что фактически единственное место, пригодное для наблюдений в непосредственной близости от города Керчь – пляжная зона к западу от мыса Опук.
Отдельно следует выделить важнейшее условие - наблюдатель за зеленым лучом должен иметь выдержку и терпение, быть внимательным (Приложение А).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Зелёный луч - это очень редкое оптическое явление в атмосфере, которое проявляется в форме зеленой вспышки в тот момент, когда солнечный диск скрывается за линией горизонта. Длится это явление несколько секунд.
В связи с тем, что нижние слои атмосферы более плотные, по сравнению с верхними, то проходящие сквозь атмосферу лучи, как в призме. преломляются и разделяются на различные цвета. Лучи зеленого и синего цвета преломляются сильнее, чем красные, к тому же угол преломления становится больше с приближением Солнца к линии горизонта. Проходя через плотные нижние слои атмосферы, основная часть лучей оранжевого и желтого цвета поглощаются частицами воды в воздухе, а синие и фиолетовые в основном рассеиваются. Остаются только красные и зеленые лучи.
Идеальными условиями для того, чтобы наблюдать это редкое явления являются ровный и открытый горизонт, отсутствие на небе облаков и соответствующее состояние атмосферы. Поэтому чаще всего зеленый луч можно увидеть в южных странах над поверхностью моря или океана. Однако не всегда наличие моря и обширной береговой полосы позволяет наблюдать зеленый луч. Редким и уникальным это явление делает необходимость одновременно выдержать условия – и географические, и метеорологические при наличии большой выдержки и внимательности наблюдателя.
Исследование показало, что на Керченском полуострове для наблюдения пригоден участок береговой линии только в районе Кояшского озера.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
Зеленый луч над Волгой. - Сетевая ссылка: https://www.nkj.ru/archive/articles/479/
Перельман Я.И. Занимательная физика / Я. Перельман. - Москва: Издательство АСТ, 2015. - 320 с.
Полуянов В. Зеленый луч в Красном море. - "Наука и жизнь", 1993, № 8, с. 27.
Сетевая ссылка 1: www.abovetopsecret.com
Сетевая ссылка 2: http://pantikapei.ru/kerchenskij-poluostrov-2.html
Урбаньчик А. Зеленый луч Солнца. - "Наука и жизнь", 1989, № 12, с. 94.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Зеленый луч над Черным морем
Из всей нашей семьи только бабушка видела зеленый луч. Во второй половине сентября 1989 года, находясь в командировке на научно-исследовательской базе в пос. Большой Утриш, она наблюдала на закате солнца зеленый луч.
Условия при этом были следующие. Лабораторный корпус располагался на мысе Большой Утриш. Мыс далеко вдается в море, находится в 20 километрах от г. Анапа. Промышленных предприятий рядом нет. Условия для наблюдения заката в этом месте идеальные в течение всего года. Картина захода солнца была практически всегда разной и непередаваемо зрелищной. По рассказам, той осенью, в сентябре, воздух был идеально прозрачный. На далеких склонах отрогов Кавказских гор были видны не просто заросли деревьев, а можно было различить каждое дерево в отдельности. Имея хорошее зрение, можно было даже увидеть отдельные листья. В этот вечер природа как будто замерла. На море был полный штиль. В последний момент захода солнца последний луч оказался яркого изумрудного цвета. Это был действительно луч, который вдруг поднялся довольно высоко над горизонтом. Море при этом тоже было подсвечено изумрудным светом.