По слайдам - Школа в Марокко
advertisement
Специализированное структурное образовательное подразделение Посольства России в Марокко-основная общеобразовательная школа. Руководитель проекта: Лаврентьева Валентина Дмитриевна, учитель физики г. Рабат 2016 г. Цель работы: Выяснить причины возникновения миражей и объяснить данное явление с точки зрения физики. Задачи: 1. Найти необходимый материал в литературе, интернет – сети, изучить его и проанализировать. 2. Изучить природу и периодичность миражей, их многообразие по форме и среде возникновения. 3. Выяснить возможность получения миражей в лабораторных условиях. Марокко Сахара Африка Миражи Вы никогда не были в пустыне и даже не стремитесь там побывать? А зря, ведь именно в "стране вечной засухи и раскаленных песков" можно наблюдать оптическое атмосферное явление, при котором становятся видимыми изображения отдаленных, искаженных или мнимых предметов. Как иногда в томительной пустыне Мы видим образы далеких чуждых стран, Но то лишь призраки, и снова небо сине,В Сахаре ежегодно наблюдается И вдаль идет усталый караван... около 160 тысяч миражей. Они бывают стабильными и блуждающими, вертикальными и горизонтальными. Составлены даже специальные карты караванных путей с отметкой мест, где обычно наблюдаются миражи. На этих картах указано, где появляются колодцы, оазисы, пальмовые рощи, горные цепи. Пустыня мёртвая пылает, но не дышит. Блестит сухой песок, как мокрая парча, И даль небес желта и так же горяча, Мираж струится в ней и сказки жизни пишет. А. М. Фёдоров Не случайно наибольшее количество описаний миражей относится именно к Африке. На этом континенте климат чрезвычайно жаркий и постоянный. Резких перемен в атмосфере здесь почти не бывает. А поскольку в Африке еще в древние времена все «дороги» были караванного типа, то и наблюдателей имелось в достатке. Хотя миражи принято ассоциировать с пустынями, их очень часто можно наблюдать над водной поверхностью, в горах, в холодной Аляске, а иногда даже в крупных городах. Другими словами везде, где возникает резкие изменения температур, можно наблюдать эти сказочные картинки. Но миражи приводят иногда и к трагическим последствиям. Заложниками миражей особенно часто оказываются караваны в пустыне Эрг-эрРави,что на Севере Африки. Перед людьми на расстоянии 2-3 километров предстают оазисы, до которых в действительности не менее 700 километров! Так, в 360 километрах от оазиса Бир-Ула жертвой миража стал караван, который вел опытный проводник. Погибли 60 человек и 90 верблюдов, следовавших за миражом, увлекшим их на 60 километров в сторону от колодца. Миражи бывают нескольких типов. Нижние (озерные) миражи – когда отдаленная, ровная поверхность приобретает вид открытой воды. Подобная иллюзия возникает в пустынях, на асфальтовой дороге(последнее явление, очевидно, наблюдали многие из нас). Озерные миражи – самые распространенные. Верхние или дальние миражи. Они более фантастичны и живописны в сравнении с нижними, но возникают гораздо реже. Удаленные объекты появляются на небе в перевернутом виде, а иногда над ними возникает еще и прямое изображение этого же объекта. В таком воздушном экране могут отражаться города, горы, которые находятся в сотнях километров от наблюдателей. Такие миражи типичны для холодных регионов, когда над холодным слоем находится теплый слой воздуха. В верхних миражах предметы видны более отчетливо. Боковые миражи Удивительные явления часто можно наблюдать у хорошо прогретых стен зданий. «Приближаясь к стене форта, сделанной из песчаника, я вдруг заметил, что она заблестела как зеркало и в ней отразились и пыльные пальмы, и верблюды, тащившие на горбах наши пушки», — описывает свои впечатления от Туниса французский офицер Лазар Погю. В жаркий день можно увидеть отражение металлического предмета от стены, как если бы она была зеркальной. Боковые миражи неоднократно наблюдались на Женевском озере. Видели лодку, которая приближалась к берегу, а рядом с нею в точности такая же лодка удалялась от берега. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой солнцем, и даже сбоку от нагретой печи. Фа́та-морга́на - редко встречающееся сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями. Своё название эти миражи получили в честь сказочной героини Фаты Морганы или, в переводе с итальянского, феи Морганы. Говорят, что она сводная сестра короля Артура, отвергнутая возлюбленная Ланселота, поселилась от огорчения на дне моря, в хрустальном дворце, и с тех пор обманывает людей призрачными видениями. Фата Моргана, Замки, узоры, цветы и цвета, Сказка, где каждая краска, черта С каждой секундой — не та, Фата Моргана… /К.Бальмонт/ Видения Фаты Морганы В 11 часов утра 10 декабря 1941 года команда британского транспорта "Вендор", находящегося в районе Мальдивских островов, заметила на горизонте горящий корабль. "Вендор" пошел на выручку терпящим бедствие, но через час горящий корабль завалился набок и затонул. "Вендор" подошел к предполагаемому месту гибели корабля, но, несмотря на тщательные поиски, не нашел не только никаких обломков, но даже и пятен мазута. В порту назначения, в Индии, командир "Вендора" узнал, что в ту самую минуту, когда его команда наблюдала трагедию, тонул крейсер, атакованный японскими торпедоносцами неподалеку от Цейлона. Расстояние между кораблями на тот момент составляло 900 км. Многие, очевидно, слышали легенду о «Летучем голландце», в существование Что же в действительности представлял собой «Летучий голландец»? Это был, которого в прошлые века верили моряки всего земного шара. «Летучий Теперь «Летучий голландец» в виде суднакакого-либо исчез с морей и океанов, без сомнения, верхний мираж, т.е.парусного изображение обыкновенного голландец» - призрачное парусное судно необычайно больших размеров без поскольку суда стали редкостью. же миражи судов, плывущих парусного парусные судна, которое спокойно шло Увидеть где-то далеко за горизонтом, а его видимой команды на борту. Оно внезапно появлялось, безмолвно шло, не за видимым горизонтом, можно довольно вчасто. увеличенное и искаженное изображение, виде верхнего миража, поднималось отвечая на сигналы, и также внезапно исчезало. Встреча с «Летучим в воздух, и его принимали за «Летучего голландца». голландцем» считалась роковой, надо было ждать шторма или другой беды. Одним из лучших мест в мире для изучения миражей является Аляска. Постоянно фиксировать появление миражей в этих краях начали только в XIX веке. Здесь даже создано специальное общество по изучению природных оптических явлений, которое выпускает журнал наблюдения миражей. На Аляске чем злее стужа, тем четче и красивее возникают в небесах души городов, гор и разных предметов. Так, в 1889 году местный житель, прогуливаясь близ горы Фэруэтер, что на юго-востоке полуострова, наблюдал силуэт большого города - с небоскребами, высокими башнями и шпилями, храмами, похожими на мечети. Источник миража мог находиться за тысячи километров от Аляски. Как же развивалось научное наблюдение миражей? Первое место можно отдать месье Гаспару Монж, который в 1799 году первым в письменном виде дал объяснение этому явлению, вполне схожему с современным. Г. Монж участвовал в египетском походе Наполеона . Участники этой экспедиции шли в направлении Нила. И вот однажды солдаты заметили, что периодически равнины, по которым они передвигались, казались затопленными водой, а деревеньки представлялись им небольшими островками. При этом, что особенно поразило людей из экспедиции, под каждым из таких островков было его зеркальное отражение, причем отражался также и небосвод. Гаспар Монж Естественно, что подходя ближе, мираж рассеивался, а солдаты трактовали это как козни врагов и чужих богов. А месье Монж объяснил все с научной точки зрения, чем несравненно помог Бонапарту восстановить порядок в строю. Второе место, бесспорно, заслужил командир судна «Баффин». Знаменательное событие произошло в далеком 1820 году. В судовом журнале он описал чудеснейший город, в котором огромное количество старинных замков и храмов. При этом данное явление было не только записано, но и подробнейшим образом зарисовано тем же самым капитаном. Естественно, что его свидетельства не подтвердились. Третье место можно отдать жителям небольшого островка на севере Англии. Они в 1840 году увидели в небесах великолепные белые здания. Подобного они никогда не видели и решили, что это знаменитый хрустальный город, в котором обитает народ финн. Кстати, интересно, что это видение повторилось через 17 лет в течение трех часов. Дальше сообщения о невиданных городах стали появляться как в записях путешественников, так и в литературе ( см. Приложение) А вот современное крупное наблюдение миража произошло 8 мая 2006 года в городе Пенгали у восточного побережья Китая. Тысячи туристов и местных жителей засвидетельствовали мираж, который длился в течение четырех часов. Туманы создали изображение города, с современными высотными зданиями, широкими городскими улицами и шумными автомобилями. В городе Пенгали два дня лил дождь прежде, чем произошло это редкое погодное явление. Физика миражей Оказывается, иногда можно увидеть то, что скрыто за далеким горизонтом. Как распространяется свет? Ложка в стакане с водой кажется нам сломанной. Почему? Причина заключается в различной плотности воды и воздуха. Преломление волновых фронтов на поверхности раздела двух сред Переходя из одной среды в другую - из менее плотного воздуха в более плотную воду, лучи света преломляются, изменяют прямолинейный путь, причем отклоняясь в сторону более плотной среды. Это закон физики. В воздухе лучи света тоже не прямолинейны. Когда луч света из воздушного слоя одной плотности попадает в слой иной плотности, он отклоняется. Чаще всего преломление лучей света в воздухе незначительно, изображения видимых предметов не смещены и заметно не искажены. Но бывает и иначе. n1 n – показатель преломления среды n1 < n2 n2 В оптически неоднородной среде световой луч изгибается так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды (показатель преломления равен скорости света в вакууме, деленной на скорость света в среде). Резкость искривления зависит от того, насколько быстро изменяется показатель преломления при переходе от одних точек среды к другим. Что же такое мираж? Мираж ( mirage — букв. видимость) — оптическое явление в атмосфере: преломление потоков света на границе между резко различными по плотности и температуре слоями воздуха. Для наблюдателя такое явление заключается в том, что вместе с реально видимым отдалённым объектом (или участком неба) также видно и его отражение в атмосфере. В физике известно такое явление как рефракцияпроцесс искривления световых лучей от более теплых в сторону более холодных. Объяснение нижнего («озерного») миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Траектория световых лучей вблизи поверхности земли будет обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке А находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадает в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. При этом человек увидит данный участок небосвода не над линией горизонта, а ниже её ( см. штриховую линию на рисунке). Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Если же у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит их перевёрнутыми и воспримет их как отражения данных объектов в несуществующей воде. Это объясняет название миража. Слои воздуха можно сравнить с гигантскими линзами с разными коэффициентами преломления света. Проще всего получить нижний мираж в воде. Проделаем опыт. Закрепим на дне сосуда с белым дном черную жестяную банку. Глядя сверху вниз, почти вертикально, вдоль ее стенки, быстро нальём в банку горячей воды. Поверхность банки сразу же станет блестящей. Почему? Показатель преломления воды возрастает с температурой. У горячей поверхности банки температура воды много выше, чем в отдалении. Вот и происходит искривление луча света так же, как при миражах в пустыне или на раскаленном асфальте. Банка кажется нам блестящей из-за полного отражения света. Боковые миражи Боковые миражи могут возникнуть в тех случаях, когда слои воздуха неодинаковой плотности располагаются в атмосфере не горизонтально, как обычно, а наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней еще холодные. Природа этого миража точно такая же, как у озерного. Лучи света отражаются не от стены, а от примыкающей к ней более горячей прослойки воздуха. Простые верхние миражи. Предположим, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а , напротив заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Тогда траектория световых лучей обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Отсюда и название миражей – верхние. Проделаем такой опыт. Положим в чашку монету так, чтобы она скрылась за краем чашки. Нальём в чашку воду. Монета показалась из-за края чашки. Почему? Нарисуем монету в чашке с водой и идущие от неё лучи света. На границе раздела воздуха и воды эти лучи преломляются и выходят из воды под большим наклоном. А мы видим монету в том месте, где сходятся продолжения линий преломленных лучей. Поэтому видимое изображение монеты находится выше, чем сама монета. Похожее происходит и в атмосфере при наблюдении верхних миражей, когда мы можем заглянуть за горизонт. При этом вместо воды - более плотный слой холодного воздуха. Проведём ещё один небольшой эксперимент. С одной стороны стола на полу положим шарик, чтобы он был не виден с противоположной стороны стола наблюдателю. Если теперь другой человек возьмёт зеркало, поднимет его , направив на шарик и немного развернув, то наблюдатель увидит шарик отражённым. Зеркало в этом очень сильно упрощённом, но зато наглядном опыте сыграло роль небесной линзы-отражателя, своеобразного «атмосферного зеркала», которое способно образоваться при определенных обстоятельствах. Увидеть спрятанное за горизонтом можно над поверхностью Северного Ледовитого океана. Вода в Арктике, как правило, не прогревается выше 5–8°С, зато воздух, принесенный с континента, может достигать +30°С. Холодный воздух тяжелее и не стремится подняться вверх. Поэтому границы арктических миражей более четкие и практически не колеблются в воздухе, в отличие от пустынных. Пути лучей загибаются не вверх, а вниз , отклоняясь в сторону более холодного, то есть плотного воздуха. В итоге мы начинаем видеть гораздо дальше, как будто Земля становится более плоской. Если показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно, то мираж дает прямое изображение. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. Двойные миражи Могут возникнуть, если показатель преломления воздуха уменьшается с высотой сначала быстро, а затем медленно. В этом случае световые лучи 1 в области I будут искривляться сильнее и будут давать перевернутое изображение, а лучи 2 в области II – прямое. Двойной мираж может возникнуть также в случае, когда у самой поверхности воздух сильно нагрет, выше охлажден, а еще выше снова нагрет. Показатель n с высотой сначала возрастает(область I, в пределах которой лучи обращены выпуклостью вниз), а затем начинает уменьшаться (область II- выпуклость лучей направлена вверх, в сторону менее плотного воздуха). При таких условиях наблюдатель увидит два изображения объекта – одно (прямое) выше линии горизонта, которое образуют лучи 1, а другое ( перевернутое), образованное лучами 2, ниже линии горизонта. Тройные миражи. Представим себе, что существует три последовательные воздушные области: I ( у самой поверхности), где показатель преломления n уменьшается с высотой медленно, следующая II – n уменьшается быстро, и, наконец, III, где n снова уменьшаетcя медленно. В этом случае возможен тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее прямое изображение, лучи 2 – перевернутое изображение, т.к. испытывают достаточно сильное искривление. Наконец, лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта. Миражи сверхдальнего видения. Под влиянием ветра и вертикальных воздушных потоков слой холодного воздуха может искажаться, изменять толщину, перемещаться по высоте. Поэтому как верхнее, так и нижнее изображения будут изменяться со временем, создавая картину сменяющих друг друга видений. Так возникает знаменитая «Фата – Моргана». Это «сложное оптическое атмосферное явление, состоящее из нескольких форм миражей. При этом отдалённые предметы видны многократно и с разнообразными искажениями». Чем сложнее форма атмосферных линз, тем причудливей воздушный призрак. Заключение В своей работе я постарался описать одно из удивительных явлений природы, связанных с особенностями распространения света в различных средах. Конечно, о миражах можно рассказать еще много интересного, привести другие факты и примеры. А сколько ещё не менее привлекательных явлений происходит вокруг нас! Среди них есть как хорошо знакомые нам и разгаданные учёными, так и те, которые ещё ждут научных объяснений. Несомненно, новые открытия будут и в области оптических атмосферных явлений, свидетельствующих о многогранности обыкновенного светового луча. Приложение Миражи в литературе В романе А. С. Серафимовича «Город в степи» мы находим следующее описание нижнего миража: «Там тихонько отделяется полоска земли и блестит узенько протянувшаяся вода. А над ней, смутно рисуясь, проступают синеватые силуэты верб, ветряки, крыши. И все это - живое, зыбкое, неуловимое, и сами собой ускоряются шаги к людскому жилью. А синеватые вербы, ветряки, крыши постоят немного, помутнеют, тоненько отделятся от земли, призрачно подержатся в воздухе и тихонько, без следа растают в знойной игре, и лишь легкие курева клубятся, плавают коршуны, чернеют грачи, и меняющаяся степь безгранично глядит в бегущее небо». В. Гауфф «Маленький Мук»: «Бодро шагал он целый день, ведь отправился-то он искать счастья. Заметив блестящий на солнце черепок, он подбирал его, должно быть, в надежде на то, что тот превратится в алмаз. Завидев вдали купол мечети, сияющий, точно зарево, увидев озеро, сверкающее, словно зеркало, он радостно спешил туда, ибо думал, что попал в волшебную страну. Но увы! Те миражи исчезали вблизи, а усталость и голодное бурчание в животе тотчас напоминали ему, что он всё ещё в стране смертных…» Вечно изменяющиеся воздушные образы и картины фата-морганы подробно и красочно описал датский писатель Ганс Христиан Андерсен в сказке «Дикие лебеди» : Элиза увидала перед собой как бы плавающую в воздухе гористую страну с массами блестящего льда на скалах; между скалами возвышался огромный замок, обвитый какимито смелыми воздушными галереями из колонн; внизу под ним качались пальмовые леса и роскошные цветы, величиною с мельничные колеса. … Она видела перед собой чудный, вечно изменяющийся облачный замок Фата-Морганы. … Элиза опять устремила свой взор на замок, и вот горы, леса и замок сдвинулись вместе, и из них образовались двадцать одинаковых величественных церквей с колокольнями и стрельчатыми окнами. … Теперь церкви были совсем близко, но вдруг превратились в целую флотилию кораблей; Элиза вгляделась пристальнее и увидела, что это просто морской туман, подымавшийся над водой. … Перед глазами у неё были вечно сменяющиеся воздушные образы и картины! Антон Павлович Чехов описывает подобную оптическую иллюзию в своей повести «Чёрный монах»: Тысячу лет тому назад какой-то монах, одетый в чёрное, шел по пустыне, где-то в Сирии или Аравии… За несколько миль от того места, где он шел, рыбаки видели другого чёрного монаха, который медленно двигался по поверхности озера. Этот второй монах был мираж. Теперь забудьте все законы оптики, которых легенда, кажется, не признает, и слушайте дальше. От миража получился другой мираж, потом от другого третий, так что образ чёрного монаха стал без конца передаваться из одного слоя атмосферы в другой. Его видели то в Африке, то в Испании, то в Индии, то на Дальнем Севере… Из книги Эрнеста Шеклтона «Юг»: 20-го же августа наблюдался замечательный мираж типа Фата Моргана. День был ясным и светлым, с голубым небом в небольшой морозной дымке. «Далекие льды порождают в небесах отвесные утесы шельфовых ледников, которые отражаются в голубых озёрах и протоках воды у их основания. Огромные белые и золотистые города Востока появляются очертаниями близ расположенных шпилей, образованными далекими, ранее невиданными айсбергами. Над ними парят колышущиеся фиолетовые и кремовые слои отражения ещё более далеких айсбергов и льдов. Они то поднимаются, то опускаются, дрожат, рассеиваются и появляются вновь, превращаясь в бесконечно меняющееся действо. К югу льды и айсберги, урвавшие лучи солнца, окрашены золотом, к северу — пурпуром. Последние принимают самые причудливые формы: сначала замка, затем воздушного шара, только что воспарившего над горизонтом, который быстро превращается в огромный гриб, мечеть или собор. Характерной особенностью является вертикальное удлинение объекта, небольшая ледовая гряда выглядит как часть окружающей замок стены или вертикальная скала. Мираж вызван преломлением света и усиливается потоками сравнительно теплого воздуха, поднимающегося из трещин и каналов, которые вскрылись в восьми — двадцати милях к северу и югу». И.Ефремов «На краю Ойкумены»: «Ослеплённые глаза почти перестали видеть – в них плавали, струились или быстро вращались пятна и полосы удивительно ярких цветов, сменявшихся в причудливых сочетаниях. Неистовая мощь солнца превратила песок в массу золотой пыли, пропитанной светом. Пандион бредил наяву. В обезумевшем мозгу мелькали видения. В багровых вспышках огня двигались колоссальные статуи Айгюптоса и тонули в волнах фиолетового моря. Море, в свою очередь, расступалось, стада полузверей-полуптиц мчались куда-то, низвергаясь с отвесных обрывов удивительной высоты. И снова выстраивались в боевой порядок и шли на Пандиона гранитные фараоны Чёрной земли. Шатаясь, молодой эллин тёр глаза, бил себя по щекам, стараясь видеть то, что было на самом деле, – пышущие жаром откосы песка, заходящие друг на друга в слепящем золотисто-сером свете. Но снова крутились цветистые огненные вихри, и тяжёлый бред овладевал Пандионом…»
