Opóźniony zachód słońca • Hakobyan Hayka • Popularne zadania naukowe dotyczące "Elementów" • Fizyka

Opóźniony zmierzch

Zadanie

Jeśli nagle cała atmosfera na Ziemi zniknie natychmiast, wtedy Słońce w tym dziwnym dniu wyjdzie poza horyzont nieco wcześniej niż powinno. To znaczy, ze względu na atmosferę, widzimy zachód słońca z pewnym opóźnieniem. Faktem jest, że promienie światła są załamywane w atmosferze, ponieważ jego warstwy na różnych wysokościach różnią się nieco swoimi właściwościami optycznymi od siebie (patrz wykres). Jaki jest maksymalny czas może z tego powodu opóźnić zachód słońca? Dla uproszczenia przyjmijmy, że atmosfera składa się z pojedynczej sferycznej warstwy o stałym współczynniku załamania n = 1,0003.

Ryc. 1.


Podpowiedź

Rysunek pokazuje schematycznie załamanie się światła słonecznego SB podczas wchodzenia do atmosfery. Jeśli obserwator znajduje się w punkcie A, wówczas przyjdzie do niego załamana belka BA. Dlatego wydaje mu się, że Słońce znajduje się w punkcie S *.

Ryc. 2


Rozwiązanie

Jak widać na rysunku w podpowiedzi, w ostatniej chwili, zanim Słońce całkowicie ukrywa się przed widokiem (w tym momencie obserwator stojący w punkcie A widzi Słońce w punkcie S *), prawdziwe światło Słońca (wiązka SB) spada pod kątem prostym do normy EB (punkt E jest centrum Ziemi).

Prawo refrakcji w tym przypadku jest napisane jako:

\ [\ sin {90 ^ {\ circ}} = n \ sin {\ beta}, \]

gdzie n – współczynnik załamania światła atmosfery.

Gdyby atmosfera była nieobecna, wówczas zachód (w sytuacji przedstawionej na rysunku z podpowiedzi) byłby widziany przez innego obserwatora, który znajduje się na Ziemi w punkcie B. Dlatego opóźnienie czasowe to po prostu czas, w którym Ziemia pokonuje kąt δ = 90 ° – β (ponieważ ∠BAE = 90 °).

Od pierwszej równości stwierdzamy, że β ≈ 88,6 °, a zatem δ ≈ 1,4 °.

W ciągu dnia Ziemia wykonuje pełny obrót (360 °), a po minucie obraca się o ćwierć stopnia. Dlatego pod kątem δ ziemia zmieni się na około 5,6 minuty. Jest to pożądane opóźnienie zachodu słońca spowodowane atmosferą.


Posłowie

W rzeczywistości atmosfera nie jest jednorodną warstwą o stałym współczynniku załamania (wartość 1.0003 wybrana w zadaniu jest zbliżona do średniego współczynnika suchego powietrza na poziomie oceanu), ale wiele warstw nakłada się na siebie z nieco odmiennymi współczynnikami. Taka niejednorodność wynika z faktu, że na różnych wysokościach powietrze atmosferyczne ma inny skład i gęstość. Dlatego w rzeczywistości opóźnienie w czasie zachodu słońca wynosi około 2 minuty. Świt z tych samych powodów pojawia się 2 minuty wcześniej, a zatem "dzień" trwa o 4 minuty dłużej w porównaniu z hipotetyczną Ziemią bez atmosfery.

Opóźnienie nie jest jedynym objawem atmosferycznych efektów optycznych podczas zachodu słońca.Na przykład bezpośrednio przed zachodem słońca Słońce wydaje się lekko spłaszczone w pionie (ryc. 3). Wynika to z faktu, że światło z dolnej krawędzi Słońca załamuje się nieco bardziej niż światło z górnej krawędzi, więc pozorna pozycja dolnej krawędzi jest nieznacznie wyższa w stosunku do góry, niż powinna być.

Ryc. 3 Pełny cykl zachodu słońca na pustyni Mojave. W pierwszych dwóch klatkach widać, że dysk słoneczny jest lekko spłaszczony w pionie. Zdjęcie z en.wikipedia.org

Atmosfera jest również odpowiedzialna za czerwony kolor zachodu słońca. I ten sam efekt fizyczny, który sprawia, że ​​zachody słońca są czerwone, sprawia, że ​​niebieskie niebo w ciągu dnia staje się niebieskie. Zjawisko to nazywa się rozpraszaniem Rayleigha: rozpraszanie światła przez cząstki, które są wielokrotnie mniejsze niż długość fali świetlnej.

Charakterystyczne wielkości cząsteczek powietrza i pary wodnej (<1 nm) w atmosferze są znacznie mniejsze niż długości fali światła widzialnego (~ 380-780 nm). Oznacza to, że zachowanie światła słonecznego jest doskonale opisane przez rozpraszanie Rayleigha. Jak widać na rysunku 4, niebieskie światło jest rozrzucone 2-3 razy silniej niż czerwone. I tak po południu niebo wydaje się niebieskie, ponieważ widzimy niebieski kolor rozproszony w różnych punktach atmosfery, a czerwony przechodzi prawie bez rozpraszania się od Słońca.Z drugiej strony, gdy Słońce znajduje się blisko horyzontu, widzimy tylko słabo rozproszone światło (czerwone), a niebieskie światło jest prawie całkowicie rozproszone.

Ryc. 4 Procent rozproszonego światła w rozpraszaniu Rayleigha, w zależności od długości fali. Zdjęcie z ru.wikipedia.org

Jest jeszcze jedno bardzo interesujące zjawisko o zachodzie słońca – zielony błysk (czasami nazywany zielonym promieniem). Ten błysk pojawia się w ostatnich sekundach, zanim Słońce wychodzi poza horyzont: zielona poświata staje się widoczna przez chwilę. Ale dlaczego jest dokładnie zielony? Nadal można zrozumieć, że błysk był niebieski: niebieskie światło jest załamywane przede wszystkim i logiczne byłoby, gdyby ten drugi je zobaczył. Tutaj wszystko wyjaśnia kombinacja omówionych efektów – załamanie i rozpraszanie Rayleigha: niebieski kolor bardzo się rozprasza, szczególnie przechodząc przez grubą warstwę atmosfery na horyzoncie, ale zielony już dość silnie załamuje się, ale nadal nie rozprasza się wystarczająco.

Ryc. 5 Zielony błysk o zachodzie słońca. Możesz obserwować to zjawisko o zachodzie słońca lub o wschodzie słońca, jeśli słońce zachodzi nad otwartym horyzontem, a powietrze jest czyste.Gołym okiem, aby zobaczyć flash jest dość trudne, ponieważ słońce, nawet o zachodzie słońca, jest dość jasne. Zdjęcie z en.wikipedia.org


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: