В атмосфере существуют холодные и горячие потоки воздуха. Там, где теплые слои над холодными образуются воздушные вихри, под действием которых световые лучи искривляются, и происходит изменение положения звезды.

Яркость звезды меняется по той причине, что лучи , отклоняющиеся неправильно, неравномерно концентрируются над поверхностью планеты. При этом весь пейзаж постоянно смещается и изменяется из-за атмосферных явлений, к примеру, из-за ветра. Наблюдающий же за звездами оказывается то в более освещенной области, то, наоборот, в более затененной.

Если вы хотите понаблюдать за мерцанием звезд, то имейте в виду, что у зенита при спокойной атмосфере можно лишь изредка обнаружить это явление. Если вы переведете свой взгляд на небесные объекты, располагающиеся ближе к горизонту, то обнаружите, что они мерцают гораздо сильнее. Это объясняется тем, что вы смотрите на звезды через более плотный слой воздуха, и, соответственно, пронизываете взглядом большее число воздушных потоков. Вы не заметите изменений цвета звезд, расположенных на высоте более 50°. Но обнаружите частое изменение цвета у звезд, находящихся ниже 35°. Очень красиво мерцает Сириус, переливаясь всеми цветами спектра, особенно в зимние месяцы, низко над горизонтом.

Сильное мерцание звезд доказывает неоднородность атмосферы, что связано с различными метеорологическими явлениями. Поэтому многие думают, что мерцание связано с погодой. Часто оно набирает силу при низком атмосферном давлении, понижении температуры, увеличении влажности и т.д. Но состояние атмосферы зависит от такого большого числа различных факторов, что на данный момент не представляется возможным предсказывать погоду по мерцанию звезд.

Это явление хранит свои загадки и неясности. Предполагается, что оно усиливается в сумерки. Это может быть и оптической иллюзией, и следствием необычных атмосферных изменений, которые часто происходят в это время суток. Есть мнение, что мерцание звезд обусловлено северным сиянием. Но это очень трудно объяснить, если учесть, что северное сияние находится на высоте более 100 км. Кроме того, остается загадкой, почему белые звезды мерцают меньше, чем красные.

Звезды – это солнца. Первый человек, открывший эту истину, был ученым итальянского происхождения. Без всякого преувеличения, его имя известно всему современному миру. Это легендарный Джордано Бруно. Он утверждал, что среди звезд есть похожие на Солнце и размерами, и температурой своей поверхности, и даже цветом, который напрямую зависит от температуры. Кроме того, есть звезды, значительно отличающиеся от Солнца, – гиганты и сверхгиганты.

Табель о рангах

Многообразие бесчисленного множества звезд на небе вынудило астрономов установить некоторый порядок среди них. Для этого ученые приняли решение разбить звезды на соответствующие классы их светимости. Например, звезды, которые излучают свет в несколько тысяч раз больше чем Солнце, получили название гиганты. Напротив, звезды с минимальной светимостью – это карлики. Ученые выяснили, что Солнце, согласно данной характеристике, является средней звездой.

по-разному светят?

Какое-то время астрономы думали, что звезды светят неодинаково из-за их различного расположения от Земли. Но это не совсем так. Астрономы выяснили, что даже те звезды, которые располагаются на одном и том же расстоянии от Земли, могут иметь совершенно разный видимый блеск. Этот блеск зависит не только от расстояния, но и от температуры самих звезд. Чтобы сравнивать звезды по их видимому блеску, ученые используют определенную единицу измерения – абсолютную звездную величину. Она и позволяет вычислять настоящее излучение звезды. Пользуясь этим методом, ученые подсчитали, что на небе находятся всего лишь 20 самых ярких звезд.

Почему звезды разного цвета?

Выше было написано, что астрономы различают звезды по их размерам и их светимости. Однако это еще не вся их классификация. Наряду с размерами и видимым блеском все звезды подразделяются и по своему собственному цвету. Дело в том, что свет, определяющий ту или иную звезду, имеет волновое излучение. Эти довольно короткими. Несмотря на минимальную волну световой длины, даже самая ничтожная разница в размерах световых волн резко меняет цвет звезды, который напрямую зависит от температуры ее поверхности. К примеру, если раскалить на железную сковороду, то она приобретет и соответствующий цвет.

Цветовой спектр звезды – это своеобразный паспорт, который определяет ее наиболее характерные особенности. Например, Солнце и Капелла (звезда, подобная Солнцу) были выделены астрономами в один и тот же . Обе они имеют желто-бледный цвет, температуру своей поверхности в 6000оС. Более того, их спектр имеет в своем составе одинаковые вещества: линии , натрия и железа.

Такие звезды, как Бетельгейзе или Антарес вообще имеют характерный красный цвет. Температура их поверхности равна 3000оС, в их составе выделяют оксид титана. Белый цвет имеют такие звезды, как Сириус и Вега. Температура их поверхности равна 10000оС. Их спектры имеют линии водорода. Существует и звезда с температурой поверхности в 30000оС – это голубовато-белая Ориона.

Задумывались ли вы над тем, почему в дневное время на небе не видны звезды? Ведь воздух и днем так же прозрачен, как и ночью. Все дело здесь в том, что в дневное время атмосфера рассеивает солнечный свет.

Представьте, что вы находитесь вечером в хорошо освещенной комнате. Сквозь оконное стекло яркие фонари, расположенные снаружи, видны достаточно хорошо. Но слабо освещенные предметы разглядеть почти невозможно. Однако стоит только выключить в комнате свет, как стекло перестает служить препятствием для нашего зрения.

Нечто похожее происходит и при наблюдениях неба: днем атмосфера над нами ярко освещена и сквозь нее видно Солнце, однако не может пробиться слабый свет далеких звезд. Но после того, как Солнце погружается под горизонт и солнечный свет (а с ним и свет, рассеянный воздухом) «выключается», атмосфера становится «прозрачной» и можно наблюдать звезды.

Иное дело в космосе. По мере подъема космического корабля на высоту плотные слои атмосферы остаются внизу и небо постепенно темнеет.

На высоте около 200—300 км, там, где обычно совершают полеты пилотируемые космические корабли, небо совершенно черное. Черное всегда, если даже на видимой его части в данный момент находится Солнце.

«Небо имеет совершенно черный цвет. Звезды на этом небе выглядят несколько ярче и четче видны на фоне черного неба»,— так описывал свои космические впечатления первый космонавт Ю. А. Гагарин.

Но все же и с борта космического корабля на дневной стороне неба видны далеко не все звезды, а только самые яркие. Глазу мешает ослепительный свет Солнца и свет Земли.

Если посмотреть на небо с Земли, мы отчетливо увидим, что все звезды мерцают. Они как бы то затухают, то разгораются, переливаясь при этом разными цветами. И чем ниже над горизонтом расположена звезда, тем сильнее мерцание.

Мерцание звезд тоже объясняется наличием атмосферы. Прежде чем достичь нашего глаза, свет, излучаемый звездой, проходит сквозь атмосферу. В атмосфере же всегда имеются массы более теплого и более холодного воздуха. От температуры воздуха в той или иной области зависит его Плотность. Переходя из одной области в другую, световые лучи испытывают преломление. Направление их распространения изменяется. Благодаря этому в некоторых местах над земной поверхностью они концентрируются, в других оказываются сравнительно редкими. В результате постоянного движения воздушных масс эти зоны все время смещаются, и наблюдатель видит то усиление, то ослабление яркости звезд. Но так как различные цветные лучи преломляются не одинаково, то моменты усиления и ослабления разных цветов наступают не одновременно.

Кроме того, определенную роль в мерцании звезд могут играть и другие, более сложные оптические эффекты.

Наличие теплых и холодных слоев воздуха, интенсивные перемещения воздушных масс сказываются и на качестве телескопических изображений.

Где наилучшие условия для астрономических наблюдений: в горных районах или на равнине, на берегу моря или в глубине материка, в лесу или в пустыне? И вообще, что лучше для астрономов — десять безоблачных ночей на протяжении месяца или всего одна ясная ночь, но такая, когда воздух идеально прозрачен и спокоен?

Это лишь малая часть тех вопросов, которые приходится решать при выборе места для строительства обсерваторий и установки крупных телескопов. Подобными проблемами занимается особая область науки — астро-климатология.

Разумеется, наилучшие условия для астрономических наблюдений — за пределами плотных слоев атмосферы, в космосе. Кстати, и звезды здесь не мерцают, а горят холодным спокойным светом.

Привычные созвездия выглядят в космосе точно так же, как и на Земле. Звезды находятся на огромных расстояниях от нас, и удаление от земной поверхности на какие-нибудь несколько сотен километров ничего не может изменить в их видимом взаимном расположении. Даже при наблюдении с Плутона очертания созвездий были бы точно такими же.

В течение одного витка с борта космического корабля, движущегося по околоземной орбите, в принципе можно увидеть все созвездия земного неба. Наблюдение звезд из космоса представляет двоякий интерес: астрономический и навигационный. В частности, очень важно наблюдать звездный свет, не измененный атмосферой.

Не менее важное значение имеет в космосе и навигация по звездам. Наблюдая заранее выбранные «опорные» звезды, можно не только ориентировать корабль, но и определять его положение в пространстве.

На протяжении длительного времени астрономы мечтали о будущих обсерваториях на поверхности Луны. Казалось, полное отсутствие атмосферы должно создавать на естественном спутнике Земли идеальные условия для астрономических наблюдений как во время лунной ночи, так и в условиях лунного дня.

Астрономы называют вспышки "спорадическими явлениями" — они внезапны и непредсказуемы. Причем из наблюдений известно, что красным карликам присуща весьма интенсивная вспышечная активность. Они относятся к менее массивным звездам, чем наше Солнце, и тоже считаются пригодными на роль "колыбелей жизни". Недавно ученые выяснили причину этого феномена.

Интерес к феномену вспышек у красных карликов вполне закономерен — дело в том, что подобная мощная вспышка может стать гибельной для зарождающейся или развитой биоты. А ведь у красных карликов есть планеты, на некоторых из которых имеются вполне нормальные условия для существования жизни.

На фоне звезд-гигантов красные карлики выглядят слабо светящимися звездочками, поэтому их наблюдения производятся в ограниченном ближнем ареале. В нашей Галактике, в созвездии Большой Медведицы, находится двойная звездная система, состоящая из двух красных карликов — их разделяет расстояние в 190 астрономических единиц. В масштабах Солнечной системы это четырехкратное расстояние от Солнца до Плутона.

Эта звездная система носит название Глизе 412 и изучена довольно основательно. Ее звезды, красные карлики, таковы: первая — Глизе 412 A по массе дотягивает до половины массы Солнца, а светится гораздо слабее — достигает лишь 2 процентов от светимости нашей звезды. Вторая звездочка Глизе 412 B гораздо менее массивна и не обладает постоянной светимостью. Это очень тусклая звезда класса М6 в сто раз слабее своей соседки Глизе 412 A! Но ярчайшие моменты звездных вспышек обнаруживают подобные переменные звезды, это воистину их "звездный миг" — сильнейший всплеск яркости свечения обнаруживается в наблюдениях.

Теория звездных вспышек объясняет эти явления преобразованиями в сложной иерархии звездных магнитных полей, которые управляют звездной активностью. На Солнце это хорошо видно: образуется новый комплекс активности с пятнами, он растет и видоизменяется, и когда всплывает новый сильный магнитный поток, происходит пересоединение силовых линий, и в проводящей плазменной среде реализуется мощнейшее энергетическое преобразование на Солнце, которое видится как вспышка. Этот выброс обладает гигантской кинетической энергией и улетает от Солнца со скоростями более 1000 км/с. На красных карликах происходят гигантские вспышки, конвективная плазменная среда этих звезд по той же схеме электрического разряда порождает вспышечную активность.

Вахтанг Тамазян, профессор Университета де Сантьяго де Компостела (Галисия, Испания), с группой коллег из Испании и Армении выявили и исследовали исключительно мощный пример такого вспышечного процесса: переменная звезда WX UMa увеличила свою яркость в 15 раз за 160 с. Температура ее поверхности, равная 2 800 К, в области вспышечного события достигла 18 000 К — такова поверхностная температура голубых гигантов спектрального класса B! Но голубые гиганты питают свою чудовищную светимость постоянным притоком энергии из глубин звезды. В случае красного карлика эта температура обнаруживает разогрев корональной вспышечной петли, активного образования в верхней атмосфере красного карлика, светимость которой инициирует реализованная энергия магнитного поля.

Аналогичное изменение яркости корональной петли на Солнце было обнаружено в космическом эксперименте Коронас-Ф в ИЗМИРАН им. Н. В. Пушкова РАН, открытие отмечено Государственной премией. Обычно корона Солнца нагрета примерно до 2 миллионов градусов, в эксперименте Коронас-Ф пронаблюдали нагрев до 20 миллионов градусов. На красных карликах, типичных вспыхивающих звездах, так реализуются нестабильности их сложных магнитных полей. Регистрировать эти явления нелегко по причине слабой светимости, поскольку далее 60 световых лет от Земли красные карлики невозможно наблюдать, это предел современных технических возможностей.

Звездная пара, в которую входит звезда WX UMa, дает исследователям уникальную возможность "исследовать, связаны ли частота вспышек и взаимное положение пары вращающихся друг вокруг друга светил", — подчеркивает Вахтанг Тамазян. Изучение двойной системы, где красные карлики взаимодействуют друг с другом гравитационно, позволяет исследовать вопрос связности вспышечных процессов и расширить представления о физической природе уникальных вспышек на красных карликах.

Одновременно с наблюдением звезды WX UMa коллектив астрономов изучал дополнительно четыре двойные системы с красными карликами, наблюдая их вспышечную активность. Мощных вспышек наблюдения не зафиксировали, но тем не менее еще три карлика стали ярче при вспышках, и только один из них за время наблюдений подобной активности не проявлял. Итак, как выяснилось, вспышечные характеристики красных карликов не обладают выявленной периодичностью. В итоге ученые предположили, что раз за столь малое время было зарегистрировано большое количество вспышек в двойных системах, то, видимо, они появляются благодаря влиянию светила-компаньона.

Следует заметить, что бушующие вспышками красные карлики не похожи на наше гораздо более стабильное в этом отношении Солнце. Вспышечная активность Солнца зарождается на ветви роста каждого 11-летнего цикла, достигает апогея в максимуме цикла, спадая до минимальных проявлений в минимуме солнечной активности. Хотя исключения из общих тенденций уже наблюдались: в 2003 году незадолго до минимума прошла серия мощных солнечных вспышек, которая привлекла огромное внимание специалистов.

Такие сильные вспышки на Солнце называются рентгеновскими, балла М и Х. Исследования вспышек, как самых энергичных проявлений солнечной и звездной активности, тщательно фиксируются и анализируются по данным современных космических обсерваторий. Их природа становится все более понятной ученым, но прогноз вспышечных событий пока носит только вероятностный, а не точный характер. Но вполне возможно, что по мере совершенствования знаний такой прогноз может появиться…

Проходя через земную атмосферу, лучи света изменяют прямолинейное направление. Вследствие увеличения плотности атмосферы преломление световых лучей усиливается по мере приближения к поверхности Земли. В результате наблюдатель видит небесные светила как бы приподнятыми над горизонтом на угол, получивший название астрономической рефракции.

Рефракция является одним из главных источников как систематических, так и случайных ошибок наблюдений. В 1906г. Ньюкомб писал, что нет такой отрасли практической астрономии, о которой бы так много писали, как о рефракции, и которая была бы в таком неудовлетворительном состоянии. До середины 20 века астрономы редуцировали свои наблюдения по таблицам рефракции, составленным в 19 веке. Основным недостатком всех старых теорий было неточное представление о строении земной атмосферы.

Примем поверхность Земли АВ за сферу радиуса ОА=R, а атмосферу Земли представим в виде концентрических с ней слоёв ав, а 1 в 1 , а 2 в 2 …с плотностями, увеличивающимися по мере приближения слоёв к земной поверхности (рис.2.7). Тогда луч SA от какого-нибудь очень отдалённого светила, преломляясь в атмосфере, придёт в точку А по направлению S¢A, отклонившись от своего первоначального положения SA или же от параллельного ему направления S²A на некоторый угол S¢AS²=r , называемый астрономической рефракцией. Все элементы криволинейного луча SA и окончательное видимое его направление AS¢ будут лежать в одной и той же вертикальной плоскости ZAOS. Следовательно, астрономическая рефракция только повышает истинное направление на светило в проходящей через него вертикальной плоскости.

Угловое возвышение светила над горизонтом в астрономии называют высотой светила. Угол S¢AH = h¢ будет видимой высотой светила, а угол S²AH = h = h¢ - r есть истинная его высота. Угол z – истинное зенитное расстояние светила, а z ¢ является видимым его значением.

Величина рефракции зависит от многих факторов и может изменяться в каждом месте на Земле даже в течение суток. Для средних условий получена приближённая формула рефракции:

Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)

Коэффициент 0,9666 соответствует плотности атмосферы при температуре +10°С и давлении 760мм ртутного столба. Если характеристики атмосферы другие, то поправку за рефракцию, рассчитанную по формуле (2.1), необходимо корректировать поправками за температуру и давление.

Рис.2.7.Астрономическая рефракция

Для учёта астрономической рефракции в зенитальных способах астрономических определений во время наблюдения зенитных расстояний светил измеряют температуру и давление воздуха. В точных способах астрономических определений зенитные расстояния светил измеряются в пределах от 10° до 60°. Верхний предел обусловлен инструментальными ошибками, нижний – ошибками таблиц рефракции.

Зенитное расстояние светила, исправленное поправкой за рефракцию, вычисляется по формуле:

Средняя (нормальная при температуре +10°С и давлении 760мм рт. ст.) рефракция, вычисляемая по z ¢;

Коэффициент, учитывающий температуру воздуха, вычисляемый по значению температуры;

B – коэффициент, учитывающий давление воздуха.

Теорией рефракции занимались многие учёные. Первоначально в качестве исходного служило предположение, что плотность различных слоёв атмосферы уменьшается с увеличением высоты этих слоёв в арифметической прогрессии (Буге). Но вскоре это предположение было признано во всех отношениях неудовлетворительным, так как оно приводило к слишком малой величине рефракции и к слишком быстрому уменьшению температуры с высотой над поверхностью Земли.

Ньютон высказал гипотезу об уменьшении плотности атмосферы с высотой по закону геометрической прогрессии. И эта гипотеза оказалась неудовлетворительной. По этой гипотезе выходило, что температура во всех слоях атмосферы должна оставаться постоянной и равной температуре на поверхности Земли.

Самой остроумной оказалась гипотеза Лапласа, промежуточная между двумя вышеизложенными. На этой гипотезе Лапласа были основаны таблицы рефракции, которые ежегодно помещались во французском астрономическом календаре.

Земная атмосфера с её нестабильностью (турбуленция, вариации рефракции) налагает предел на точность астрономических наблюдений с Земли.

При выборе места установки крупных астрономических приборов предварительно всесторонне изучается астроклимат района, под которым понимается совокупность факторов, искажающих форму проходящего через атмосферу волнового фронта излучения небесных объектов. Если волновой фронт доходит до прибора неискажённым, то прибор в этом случае может работать с максимальной эффективностью (с разрешающей способностью, приближающейся к теоретической).

Как выяснилось, качество телескопического изображения снижается главным образом из-за помех, вносимых приземным слоем атмосферы. Земля благодаря собственному тепловому излучению в ночное время значительно охлаждается и охлаждает прилегающий к ней слой воздуха. Изменение температуры воздуха на 1°С изменяет его показатель преломления на 10 -6 . На изолированных горных вершинах толщина приземного слоя воздуха со значительным перепадом (градиентом) температуры может достигать несколько десятков метров. В долинах и на равнинных местах в ночное время этот слой значительно толще и может составлять сотни метров. Этим объясняется выбор мест для астрономических обсерваторий на отрогах хребтов и на изолированных вершинах, откуда более плотный холодный воздух может стекать в долины. Высоту башни телескопа выбирают такой, чтобы прибор находился выше основной области температурных неоднородностей.

Важным фактором астроклимата является ветер в приземном слое атмосферы. Перемешивая слои холодного и тёплого воздуха, он вызывает появление неоднородностей плотности в столбе воздуха над прибором. Неоднородности, размеры которых меньше диаметра телескопа, приводят к дефокусировке изображения. Более крупные флуктуации плотности (в несколько метров и крупнее) не вызывают резких искажений фронта волны и приводят в основном к смещению, а не к дефокусировке изображения.

В верхних слоях атмосферы (в тропопаузе) также наблюдаются флуктуации плотности и показателя преломления воздуха. Но возмущения в тропопаузе не влияют заметно на качество изображений, даваемых оптическими приборами, так как температурные градиенты там значительно меньше, чем в приземном слое. Эти слои вызывают не дрожание, а мерцание звёзд.

При астроклиматических исследованиях устанавливают связь между количеством ясных дней, регистрируемых метеослужбой, и числом ночей, пригодных для астрономических наблюдений. Наивыгоднейшими районами, по данным астроклиматического анализа территории бывшего СССР, являются некоторые горные районы среднеазиатских государств.

Земная рефракция

Лучи от наземных предметов, если они проходят в атмосфере достаточно большой путь, также испытывают рефракцию. Траектория лучей под влиянием рефракции искривляется, и мы видим их не на тех местах или не в том направлении, где они в действительности находятся. При некоторых условиях в результате земной рефракции возникают миражи – ложные изображения удалённых объектов.

Углом земной рефракции a называется угол между направлением на видимое и действительное положение наблюдаемого предмета (рис.2.8). Значение угла a зависит от расстояния до наблюдаемого предмета и от вертикального градиента температуры в приземном слое атмосферы, в котором происходит распространение лучей от наземных предметов.

Рис.2.8. Проявление земной рефракции при визировании:

а) – снизу вверх, б) – сверху вниз, a - угол земной рефракции

С земной рефракцией связана геодезическая (геометрическая) дальность видимости (рис.2.9). Примем, что наблюдатель находится в точке А на некоторой высоте h Н над земной поверхностью и наблюдает горизонт в направлении точки В. Плоскость НАН – горизонтальная плоскость, проходящая через точку А перпендикулярно радиусу земного шара, называется плоскостью математического горизонта. Если бы лучи света распространялись в атмосфере прямолинейно, то самая далёкая точка на Земле, которую может увидеть наблюдатель из точки А, была бы точка В. Расстояние до этой точки (касательная АВ к земному шару) и есть геодезическая (или геометрическая) дальность видимости D 0 . Круговая линия на земной поверхности ВВ – геодезический (или геометрический) горизонт наблюдателя. Величина D 0 обусловлена только геометрическими параметрами: радиусом Земли R и высотой h Н наблюдателя и равна D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H , что следует из рис.2.9.

Рис.2.9. Земная рефракция: математический (НН) и геодезический (ВВ) горизонты, геодезическая дальность видимости (АВ=D 0)

Если наблюдатель наблюдает некоторый предмет, находящийся на высоте h пр над поверхностью Земли, то геодезической дальностью будет расстояние АС = 3,57(√ h H + √ h пр) . Эти утверждения были бы верными, если бы свет распространялся в атмосфере прямолинейно. Но это не так. При нормальном распределении температуры и плотности воздуха в приземном слое кривая линия, изображающая траекторию светового луча, обращена к Земле своей вогнутой стороной. Поэтому самой далёкой точкой, которую увидит наблюдатель из А, будет не В, а В¢. Геодезическая дальность видимости АВ¢ с учётом рефракции будет в среднем на 6-7% больше и вместо коэффициента 3,57 в формулах будет коэффициент 3,82. Геодезическая дальность вычисляется по формулам

, h - в м, D - в км, R - 6378 км

где h н и h пр – в метрах, D – в километрах.

Для человека среднего роста дальность горизонта на Земле составляет около 5км. Для космонавтов В.А.Шаталова и А.С.Елисеева, летавших на космическом корабле «Союз-8», дальность горизонта в перигее (высота 205км) была 1730км, а в апогее (высота 223км) – 1800км.

Для радиоволн рефракция почти не зависит от длины волны, но помимо температуры и давления зависит ещё от содержания в воздухе водяного пара. При одинаковых условиях изменения температуры и давления радиоволны преломляются сильнее, чем световые, особенно при большой влажности.

Поэтому в формулах для определения дальности горизонта или обнаружения предмета лучом радиолокатора перед корнем будет коэффициент 4,08. Следовательно, горизонт радиолокационной системы оказывается дальше примерно на 11%.

Радиоволны хорошо отражаются от земной поверхности и от нижней границы инверсии или слоя пониженной влажности. В таком своеобразном волноводе, образованном земной поверхностью и основанием инверсии, радиоволны могут распространяться на очень большие расстояния. Эти особенности распространения радиоволн успешно используются в радиолокации.

Температура воздуха в приземном слое, особенно в его нижней части, далеко не всегда падает с высотой. Она может уменьшаться с разной скоростью, она может не изменяться по высоте (изотермия) и может увеличиваться с высотой (инверсия). В зависимости от величины и знака градиента температуры рефракция может по-разному влиять на дальность видимого горизонта.

Вертикальный градиент температуры в однородной атмосфере, в которой плотность воздуха с высотой не изменяется, g 0 = 3,42°С/100м. Рассмотрим, какой будет траектория луча АВ при разных градиентах температуры у поверхности Земли.

Пусть , т.е. температура воздуха убывает с высотой. При этом условии убывает с высотой и показатель преломления. Траектория светового луча в этом случае будет обращена к земной поверхности своей вогнутой стороной (на рис. 2.9 траектория АВ ¢). Такую рефракцию называют положительной. Самую дальнюю точку В ¢ наблюдатель увидит в направлении последней касательной к траектории луча. Эта касательная, т.е. видимый за счёт рефракции горизонт, составляет с математическим горизонтом НАН угол D, меньший угла d . Угол d – это угол между математическим и геометрическим горизонтом без рефракции. Таким образом, видимый горизонт поднялся на угол (d - D) и расширился, так как D > D 0 .

Теперь представим, что g постепенно уменьшается, т.е. температура с высотой убывает всё медленнее и медленнее. Наступит момент, когда градиент температуры станет равным нулю (изотермия), а дальше градиент температуры становится отрицательным. Температура уже не убывает, а растёт с высотой, т.е. наблюдается инверсия температуры. При уменьшении градиента температуры и переходе его через ноль видимый горизонт будет подниматься выше и выше и наступит момент, когда D станет равным нулю. Видимый геодезический горизонт поднимется до математического. Земная поверхность как бы распрямилась, стала плоской. Геодезическая дальность видимости – бесконечно большая. Радиус кривизны луча стал равным радиусу земного шара.

При ещё более сильной температурной инверсии D становится отрицательным. Видимый горизонт поднялся выше математического. Наблюдателю в точке А будет казаться, что он находится на дне огромной котловины. Из-за горизонта поднимаются и становятся видимыми (как бы парят в воздухе) предметы, находящиеся далеко за геодезическим горизонтом (рис.2.10).

Такие явления можно наблюдать в полярных странах. Так, с Канадского берега Америки через пролив Смита можно иногда видеть берег Гренландии со всеми строениями на нём. Расстояние до гренландского берега около 70км, в то время как геодезическая дальность видимости составляет не более 20км. Другой пример. С английской стороны пролива Па-де-Кале из Гастингса доводилось видеть французский берег, лежащий через пролив на расстоянии около 75км.

Рис.2.10. Явление необычной рефракции в полярных странах

Теперь допустим, что g =g 0 , следовательно, плотность воздуха с высотой не изменяется (однородная атмосфера), рефракция отсутствует и D=D 0 .

При g > g 0 показатель преломления и плотность воздуха с высотой увеличиваются. В этом случае траектория световых лучей обращена к земной поверхности своей выпуклой стороной. Такую рефракцию называют отрицательной. Последняя точка на Земле, которую увидит наблюдатель в А, будет В². Видимый горизонт АВ² сузился и опустился на угол (D - d ).

Из рассмотренного можно сформулировать следующее правило: если вдоль распространения светового луча в атмосфере плотность воздуха (а, значит, и показатель преломления) изменяется, то световой луч будет изгибаться так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения плотности (и показателя преломления) воздуха.

Рефракция и миражи

Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения этого слова хорошо отражают сущность явления. Мираж – это изображение реально существующего на Земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету: верхние, нижние, боковые и сложные. Наиболее часто наблюдаются верхние и нижние миражи, которые возникают при необычном распределении плотности (и, следовательно, показателя преломления) по высоте, когда на некоторой высоте или у самой поверхности Земли имеется сравнительно тонкий слой очень тёплого воздуха (с малым показателем преломления), в котором лучи, идущие от наземных предметов, испытывают полное внутреннее отражение. Это происходит при падении лучей на этот слой под углом больше угла полного внутреннего отражения. Этот более тёплый слой воздуха и играет роль воздушного зеркала, отражающего попадающие в него лучи.

Верхние миражи (рис.2.11) возникают при наличии сильных температурных инверсий, когда плотность воздуха и показатель преломления с высотой быстро уменьшаются. В верхних миражах изображение располагается над предметом.

Рис.2.11. Верхний мираж

Траектории световых лучей показаны на рисунке (2.11). Предположим, что земная поверхность плоская и слои одинаковой плотности расположены параллельно ей. Так как плотность убывает с высотой, то . Тёплый слой, играющий роль зеркала, лежит на высоте. В этом слое, когда угол падения лучей становится равным показателю преломления (), происходит поворот лучей назад к земной поверхности. Наблюдатель может видеть одновременно сам предмет (если он не за горизонтом) и одно или несколько изображений над ним – прямых и перевёрнутых.

Рис.2.12. Сложный верхний мираж

На рис. 2.12 представлена схема возникновения сложного верхнего миража. Виден сам предмет аb , над ним его прямое изображение а¢b¢ , перевёрнутое в²b² и снова прямое а²¢b²¢ . Такой мираж может возникнуть, если плотность воздуха уменьшается с высотой сначала медленно, затем быстро и снова медленно. Изображение получается перевёрнутым, если лучи, идущие от крайних точек предмета, пересекутся. Если предмет находится далеко (за горизонтом), то сам предмет может быть и не видим, а его изображения, высоко поднятые в воздух, видны с больших расстояний.

Город Ломоносов находится на берегу Финского залива в 40км от Санкт-Петербурга. Обычно из Ломоносова Санкт-Петербург не виден совсем или виден очень плохо. Иногда же Санкт-Петербург виден «как на ладони». Это один из примеров верхних миражей.

К числу верхних миражей, по-видимому, следует отнести хотя бы часть так называемых призрачных Земель, которые десятилетиями разыскивали в Арктике и так и не нашли. Особенно долго искали Землю Санникова.

Яков Санников был охотником, занимался пушным промыслом. В 1811г. он отправился на собаках по льду к группе Новосибирских островов и с северной оконечности острова Котельный увидел в океане неизвестный остров. Достичь его он не смог, но сообщил об открытии нового острова правительству. В августе 1886г. Э.В.Толь во время своей экспедиции на Новосибирские острова тоже увидел остров Санникова и сделал запись в дневнике: «Горизонт совершенно ясный. В направлении на северо-восток, 14-18 градусов, ясно увидели контуры четырёх столовых гор, которые на востоке соединялись с низменной землёй. Таким образом, сообщение Санникова подтвердилось полностью. Мы вправе, следовательно, нанести в соответствующем месте на карту пунктирную линию и надписать на ней: «Земля Санникова».

Поискам Земли Санникова Толь отдал 16 лет жизни. Он организовал и провёл три экспедиции в район Новосибирских островов. Во время последней экспедиции на шхуне «Заря» (1900-1902гг.) экспедиция Толя погибла, так и не найдя Земли Санникова. Больше Землю Санникова не видел никто. Возможно, это был мираж, который в определённое время года появляется в одном и том же месте. Как Санников, так и Толь, видели мираж одного и того же острова, расположенного в этом направлении, только значительно дальше в океане. Может быть, это был один из островов Де-Лонга. Возможно, это был громадный айсберг – целый ледяной остров. Такие ледяные горы, площадью до 100км 2 , путешествуют по океану несколько десятков лет.

Не всегда мираж обманывал людей. Английский полярный исследователь Роберт Скотт в 1902г. в Антарктиде увидел горы, как бы висящие в воздухе. Скотт предположил, что дальше за горизонтом находится горная цепь. И, действительно, горная цепь была обнаружена позднее норвежским полярным исследователем Раулем Амундсеном как раз там, где и предполагал её нахождение Скотт.

Рис.2.13. Нижний мираж

Нижние миражи (рис.2.13) возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотой, т.е. при очень больших градиентах температуры. Роль воздушного зеркала играет тонкий приземный самый тёплый слой воздуха. Мираж называется нижним, так как изображение предмета размещается под предметом. В нижних миражах кажется, будто под предметом находится водная гладь и все предметы отражаются в ней.

В спокойной воде хорошо отражаются все стоящие на берегу предметы. Отражение в тонком нагретом от земной поверхности слое воздуха совершенно аналогично отражению в воде, только роль зеркала играет сам воздух. Состояние воздуха, при котором возникают нижние миражи, крайне неустойчивое. Ведь внизу, у земли, лежит сильно нагретый, а значит и более лёгкий воздух, а выше него – более холодный и тяжелый. Поднимающиеся от земли струи горячего воздуха пронизывают слои холодного воздуха. За счёт этого мираж меняется на глазах, поверхность «воды» кажется волнующейся. Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдёт обрушение, т.е. переворачивание воздушных слоёв. Тяжёлый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет. Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей является однородная, ровная подстилающая поверхность Земли, что имеет место в степях и пустынях, и солнечная безветренная погода.

Если мираж есть изображение реально существующего предмета, то возникает вопрос – изображение какой водной поверхности видят путники в пустыне? Ведь воды в пустыне нет. Дело в том, что кажущаяся водная поверхность или озеро, видимые в мираже, в действительности являются изображением не водной поверхности, а неба. Участки неба отражаются в воздушном зеркале и создают полную иллюзию блестящей водной поверхности. Такой мираж можно увидеть не только в пустыне или в степи. Они возникают даже в Санкт-Петербурге и его окрестностях в солнечные дни над асфальтовыми дорогами или ровным песчаным пляжем.

Рис.2.14. Боковой мираж

Боковые миражи возникают в тех случаях, когда слои воздуха одинаковой плотности располагаются в атмосфере не горизонтально, как обычно, а наклонно и даже вертикально (рис.2.14). Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещён Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней ещё холодные. Боковые миражи неоднократно наблюдались на Женевском озере. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи.

Сложного вида миражи, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража, например при значительной температурной инверсии на некоторой высоте над относительно тёплым морем. Плотность воздуха с высотой сначала увеличивается (температура воздуха понижается), а затем также быстро уменьшается (температура воздуха повышается). При таком распределении плотности воздуха состояние атмосферы весьма неустойчивое и подвержено внезапным изменениям. Поэтому вид миража меняется на глазах. Самые обыкновенные скалы и дома вследствие многократных искажений и увеличения на глазах превращаются в чудесные замки феи Морганы. Фата-моргана наблюдается у берегов Италии, Сицилии. Но она может возникнуть и в высоких широтах. Вот как описал виденную им в Нижнеколымске фата-моргану известный исследователь Сибири Ф.П.Врангель: «Действие горизонтальной рефракции произвело род фата-морганы. Горы, лежащие к югу, казались нам в разных искажённых видах и висящими в воздухе. Дальние горы представлялись опрокинутыми вниз вершинами. Река сузилась до того, что противоположный берег казался находящимся почти у наших изб».

ПРАВИТЕЛЬСТВО МОСКВЫ

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 000

111141 г. Москва ул. Перовская дом 44-а, стр. 1,2 Телефон

Занятие №5(28.02.13)

«Работа с текстом»

В экзаменационные материалы по физике включены задания, проверяющие умения учащихся осваивать новую для них информацию, работать с этой информацией, отвечать на вопросы, ответы к которым следуют из предложенного для изучения текста. После изучения текста предлагаются три задания (№16,17 - базового уровня, №18 - повышенного уровня).

Опыты Джильберта по магнетизму.

Джильберт вырезал из природного магнита шар так, чтобы в нем получились полюсы в двух диаметрально противоположных точках. Этот шарообразный магнит он назвал тереллой (рис.1), то есть маленькой Землей. Приближая к ней подвижную магнитную стрелку, можно наглядно показать те разнообразные положения магнитной стрелки, которые она принимает в различных точках земной поверхности: на экваторе стрелка расположена параллельно плоскости горизонта, на полюсе - перпендикулярно плоскости горизонта.

Рассмотрим опыт, обнаружи­вающий «магнетизм через влияние». Подвесим на нитках две железные полоски параллельно друг другу и будем медленно подносить к ним большой постоянный магнит. При этом нижние концы полосок расходятся, так как намагничиваются одинаково (рис.2а). При дальнейшем приближении магнита нижние концы полосок несколько сходятся, так как полюс самого магнита начинает действовать на них с большей силой (рис. 2б).

Задание 16

Как меняется угол наклонения магнитной стрелки по мере движения по земному шару вдоль меридиана от экватора к полюсу?

1) все время увеличивается

2) все время уменьшается

3) сначала увеличивается, затем уменьшается

4) сначала уменьшается, затем увеличивается

Правильный ответ: 1

Задание 17

В каких точках расположены магнитные полюсы тереллы (рис.1)?

Правильный ответ: 2

Задание 18

В опыте, обнаруживающем «магнетизм через влияние», обе железные полоски намагничиваются. На рисунках 2а и 2б для обоих случаев указаны полюса левой полоски.

На нижнем конце правой полоски

1) в обоих случаях возникает южный полюс

2) в обоих случаях возникает северный полюс

3) в первом случае возникает северный, а во втором возникает южный

4) в первом случае возникает южный, а во втором возникает северный

Правильный ответ: 2

Опыты Птолемея по преломлению света.

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 еще книгу «Оптика», в которой изложил теорию зрения, теорию плоских и сферических зеркал и исследование явления 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 происходит рефракция. Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой.

Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провел следующий эксперимент..gif" width="13" height="24 src="> (см. рисунок). Линейки могли вращаться около центра круга на общей оси О.

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.

Угол падения α , град
Угол преломления β , град

Птолемей не нашел «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.

Задание 16

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

Правильный ответ: 2

Задание 17

Какой из приведенных 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

Правильный ответ: 2

Задание 18

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

Правильный ответ: 1

Опыты Томсона и открытие электрона

На исходе 19-го века было проведено много опытов по изучению электрического разряда в разреженных газах. Разряд возбуждался между катодом и анодом , запаянными внутри стеклянной трубки, из которой был откачан воздух. То, что проходило от катода, было названо катодными лучами.

Чтобы определить природу катодных лучей, английский физик Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940) провел следующий эксперимент. Его экспериментальная установка представляла собой вакуумную электронно-лучевую трубку (см. рисунок). Накаливаемый катод К являлся источником катодных лучей, которые ускорялись электрическим полем, существующим между анодом А и катодом К. В центре анода имелось отверстие. Катодные лучи, прошедшие через это отверстие, попадали в точку G на стенке трубки S напротив отверстия в аноде. Если стенка S покрыта флуоресцирующим веществом, то попадание лучей в точку G проявляется как светящееся пятнышко. На пути от A к G лучи проходили между пластинами конденсатора CD, к которым могло быть приложено напряжение от батареи.

Если включить эту батарею, то лучи отклоняются электрическим полем конденсатора и на экране S возникает пятнышко в положении . Томсон предположил, что катодные лучи ведут себя как отрицательно заряженные частицы. Создавая в области между пластинами конденсатора ещё и однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка (оно изображено точками), можно вызвать отклонение пятнышка в том же или обратном направлении.

Опыты показали, что заряд частицы равен по модулю заряду иона водорода (Кл), а её масса оказывается почти в 1840 раз меньше массы иона водорода.

В дальнейшем она получила название электрона. День 30 апреля 1897 г., когда Джозеф Джон Томсон доложил о своих исследованиях, считается «днём рождения» электрона.

Задание 16

Что представляют собой катодные лучи?

1) рентгеновские лучи

2) гамма-лучи

3) поток электронов

4) поток ионов

Правильный ответ: 3

Задание 17

А. Катодные лучи взаимодействуют с электрическим полем.

Б. Катодные лучи взаимодействуют с магнитным полем.

1) только А

2) только Б

4) ни А, ни Б

Правильный ответ: 3

Задание 18

Катодные лучи (см. рисунок) попадут в точку G при условии, что между пластинами конденсатора CD

1) действует только электрическое поле

2) действует только магнитное поле

3) действие сил со стороны электрического и магнитного полей скомпенсировано

4) действие сил со стороны магнитного поля пренебрежимо мало

Правильный ответ: 3

Экспериментальное открытие закона эквивалентности тепла и работы.

В 1807 г. физик Ж. Гей-Люссак, изучавший свойства газов, поставил простой опыт. Давно было известно, что сжатый газ, расширяясь, охлаждается. Гей-Люссак заставил газ расширяться в пустоту - в сосуд, воздух из которого был предварительно откачан. К его удивлению, никакого понижения температуры не произошло, температура газа не изменилась. Исследователь не мог объяснить результат: почему один и тот же газ, одинаково сжатый, расширяясь, охлаждается, если его выпускать прямо наружу в атмосферу, и не охлаждается, если его выпускать в пустой сосуд, где давление равно нулю?

Объяснить опыт удалось немецкому врачу Роберту Майеру. У Майера возникла мысль, что работа и теплота могут превращаться одна в другую. Эта замечательная идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным загадочный результат в опыте Гей-Люссака: если теплота и работа взаимно превращаются, то при расширении газа в пустоту, когда он не совершает никакой работы, так как нет никакой силы (давления), противодействующей увеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится совершать работу против внешнего давления, его температура должна понижаться. Даром работу получить нельзя! Замечательный результат Майера был много раз подтвержден прямыми измерениями; особое значение имели опыты Джоуля, который измерял количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости, вращающейся в ней мешалкой. Одновременно измерялись и работа, затраченная на вращение мешалки, и количество теплоты, полученное жидкостью. Как ни менялись условия опыта, брались разные жидкости, разные сосуды и мешалки, результат был один и тот же: всегда из одной и той же работы получалось одно и то же количество теплоты.

https://pandia.ru/text/78/089/images/image010_68.jpg" width="250" height="210 src=">

Кривая плавления (p - давление, Т - температура)

Согласно современным представлениям большая часть земных недр сохраняет твердое состояние. Однако вещество астеносферы (оболочка Земли от 100 км до 300 км в глубину) находится в почти расплавленном состоянии. Так называют твердое состояние, которое легко переходит в жидкое (расплавленное) при небольшом повышении температуры (процесс 1) или понижении давления (процесс 2).

Источником первичных расплавов магмы является астеносфера. Если в каком-то районе снижается давление (например, при смещении участков литосферы), то твердое вещество астеносферы тотчас превращается в жидкий расплав, т. е. в магму.

Но какие физические причины приводят в действие механизм извержения вулкана?

В магме наряду с парами воды содержатся различные газы (углекислый газ, хлористый и фтористый водород, оксиды серы, метан и другие). Концентрация растворенных газов соответствует внешнему давлению. В физике известен закон Генри: концентрация газа, растворенного в жидкости, пропорциональна его давлению над жидкостью. Теперь представим, что давление на глубине уменьшилось. Газы, растворенные в магме, переходят в газообразное состояние. Магма увеличивается в объеме, вспенивается и начинает подниматься вверх. По мере подъема магмы давление падает еще больше, поэтому процесс выделения газов усиливается, что, в свою очередь, приводит к ускорению подъема.

Задание 16

В каких агрегатных состояния находится вещество астеносферы в областях I и II на диаграмме (см. рисунок)?

1) I – в жидком, II – в твердом

2) I – в твердом, II – в жидком

3) I – в жидком, II – в жидком

4) I – в твердом, II – в твердом

Правильный ответ: 2

Задание 17

Какая сила заставляет расплавленную вспенившуюся магму подниматься вверх?

1) сила тяжести

2) сила упругости

3) сила Архимеда

4) сила трения

Правильный ответ: 3

Задание 18

Кессонная болезнь – заболевание, возникающее при быстром подъеме водолаза с большой глубины. Кессонная болезнь возникает у человека при быстром изменении внешнего давления. При работе в условиях повышенного давления ткани человека поглощают дополнительное количество азота . Поэтому аквалангисты должны всплывать медленно, чтобы кровь успевала уносить образующиеся пузырьки газа в легкие.

Какие утверждения справедливы?

А. Концентрация азота, растворенного в крови, тем больше, чем больше глубина погружения водолаза.

Б. При чрезмерно быстром переходе из среды с высоким давлением в среду с низким давлением растворённый в тканях избыточный азот освобождается, образуя пузырьки газа.

1) только А

2) только Б

4) ни А, ни Б

Правильный ответ: 3

Гейзеры

Гейзеры располагаются вблизи действующих или недавно уснувших вулканов. Для извержения гейзеров необходима теплота, поступающая от вулканов.

Чтобы понять физику гейзеров, напомним, что температура кипения воды зависит от давления (см. рисунок).

Зависимость температуры кипения воды от давления https://pandia.ru/text/78/089/images/image013_71.gif" width="25" height="21"> Па. При этом вода в трубке

1) будет перемещаться вниз под действием атмосферного давления

2) останется в равновесии, так как её температура ниже температуры кипения

3) быстро охладится, так как её температура ниже температуры кипения на глубине 10 м

4) закипит, так как её температура выше температуры кипения при внешнем давлении Па

Правильный ответ: 4

Туман

При определенных условиях водяные пары, находящиеся в воздухе, частично конденсируются, в результате чего и возникают водяные капельки тумана. Капельки воды имеют диаметр от 0,5 мкм до 100 мкм.

Возьмем сосуд, наполовину заполним водой и закроем крышкой. Наиболее быстрые молекулы воды, преодолев притяжение со стороны других молекул, выскакивают из воды и образуют пар над поверхностью воды. Этот процесс называется испарением воды. С другой стороны, молекулы водяного пара, сталкиваясь друг с другом и с другими молекулами воздуха, случайным образом могут оказаться у поверхности воды и перейти обратно в жидкость. Это конденсация пара. В конце концов, при данной температуре процессы испарения и конденсации взаимно компенсируются, то есть устанавливается состояние термодинамического равновесия. Водяной пар, находящийся в этом случае над поверхностью жидкости, называется насыщенным.

Если температуру повысить, то скорость испарения увеличивается и равновесие устанавливается при большей плотности водяного пара. Таким образом, плотность насыщенного пара возрастает с увеличением температуры (см. рисунок).

Зависимость плотности насыщенного водяного пара от температуры

Для возникновения тумана необходимо, чтобы пар стал не просто насыщенным, а пересыщенным. Водяной пар становится насыщенным (и пересыщенным) при достаточном охлаждении (процесс АВ) или в процессе дополнительного испарения воды (процесс АС). Соответственно, выпадающий туман называют туманом охлаждения и туманом испарения.

Второе условие, необходимое для образования тумана - это наличие ядер (центров) конденсации. Роль ядер могут играть ионы, мельчайшие капельки воды, пылинки, частички сажи и другие мелкие загрязнения. Чем больше загрязненность воздуха, тем большей плотностью отличаются туманы.

Задание 16

Из графика на рисунке видно, что при температуре 20 °С плотность насыщенного водяного пара равна 17,3 г/м3. Это означает, что при 20 °С

5) в 1 м масса насыщенных паров воды составляет 17,3 г

6) в 17,3 м воздуха находится 1 г насыщенного водяного пара

8) плотность воздуха равна 17,3 г/м

Правильный ответ: 1

Задание 17

При каком процессе, указанном на графике, можно наблюдать туман испарения?

1) только АB

2) только АС

4) ни АB, ни АС

Правильный ответ: 2

Задание 18

Какие утверждения справедливы?

А. Городские туманы, по сравнению с туманами в горных районах, отличаются более высокой плотностью.

Б. Туманы наблюдаются при резком возрастании температуры воздуха.

1) только А

2) только Б

4) ни А, ни Б

Правильный ответ: 1

Цвет неба и заходящего Солнца

Почему небо имеет голубой цвет? Почему заходящее Солнце становится красным? Оказывается, в обоих случаях причина одна - рассеяние солнечного света в земной атмосфере.

В 1869 году английский физик Дж. Тиндаль выполнил следующий опыт: через прямоугольный аквариум, заполненный водой, пропустил слабо расходящийся узкий пучок света. При этом было отмечено, что если смотреть на световой пучок в аквариуме сбоку, то он представляется голубоватым. А если смотреть на пучок с выходного торца, то свет приобретает красноватый оттенок. Это можно объяснить, если предположить, что синий (голубой) свет рассеивается сильнее, чем красный. Поэтому при прохождении белого светового пучка через рассеивающую среду из него рассеивается в основном синий свет, так что в выходящем из среды пучке начинает преобладать красный свет. Чем больший путь проходит белый луч в рассеивающей среде, тем более красным он кажется на выходе.

В 1871 году Дж. Стретт (Рэлей) построил теорию рассеяния световых волн на частицах малого размера. Установленный Рэлеем закон утверждает: интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты света или, иначе говоря, обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны.

Рэлей выдвинул гипотезу, по которой центрами, рассеивающими свет, являются молекулы воздуха. Позже, уже в первой половине 20-го века было установлено, что основную роль в рассеянии света играют флуктуации плотности воздуха - микроскопические сгущения и разрежения воздуха, возникающие вследствие хаотичного теплового движения молекул воздуха.

https://pandia.ru/text/78/089/images/image017_61.gif" height="1 src=">

Диск, на котором производится звукозапись, изготавливается из специального мягкого воскового материала. С этого воскового диска гальванопластическим способом снимают медную копию (клише). При этом используется осаждение на электроде чистой меди при прохождении электрического тока через раствор ее солей. Затем с медной копии делают оттиски на дисках из пластмассы. Так получают граммофонные пластинки.

При воспроизведении звука граммофонную пластинку ставят под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят пластинку во вращение. Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется, вместе с ним колеблется и мембрана, причем эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.

Задание 16

Какие колебания совершает мембрана рупора под действием звуковой волны?

5) свободные

6) затухающие

7) вынужденные

8) автоколебания

Правильный ответ: 3

Задание 17

Какое действие тока используется при получении клише с воскового диска?

1) магнитное

2) тепловое

3) световое

4) химическое

Правильный ответ: 4

Задание 18

При механической записи звука используется камертон. При увеличении времени звучания камертона в 2 раза

5) длина звуковой бороздки увеличится в 2 раза

6) длина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза

7) глубина звуковой бороздки увеличится в 2 раза

8) глубина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза

Правильный ответ: 1

Магнитная подвеска

Средняя скорость поездов на железных дорогах не превышает
150 км/ч. Сконструировать поезд, способный состязаться по скорости с самолетом, непросто. При больших скоростях колеса поездов не выдерживают нагрузку. Выход один: отказаться от колес, заставив поезд лететь. Один из способов «подвесить» поезд над рельсами - использовать отталкивание магнитов.

В 1910 году бельгиец Э. Башле построил первую в мире модель летающего поезда и испытал ее. 50-килограммовый сигарообразный вагончик летающего поезда разгонялся до скорости свыше 500 км/ч! Магнитная дорога Башле представляла собой цепочку металлических столбиков с укрепленными на их вершинах катушками. После включения тока вагончик со встроенными магнитами приподнимался над катушками и разгонялся тем же магнитным полем, над которым был подвешен.

Практически одновременно с Башле в 1911 году профессор Томского технологического института Б. Вейнберг разработал гораздо более экономичную подвеску летающего поезда. Вейнберг предлагал не отталкивать дорогу и вагоны друг от друга, что чревато огромными затратами энергии, а притягивать их обычными электромагнитами. Электромагниты дороги были расположены над поездом, чтобы своим притяжением компенсировать силу тяжести поезда. Железный вагон располагался первоначально не точно под электромагнитом, а позади него. При этом электромагниты монтировались по всей длине дороги. При включении тока в первом электромагните вагончик поднимался и продвигался вперед, по направлению к магниту. Но за мгновение до того, как вагончик должен был прилипнуть к электромагниту, ток выключался. Поезд продолжал лететь по инерции, снижая высоту. Включался следующий электромагнит, поезд опять приподнимался и ускорялся. Поместив свой вагон в медную трубу, из которой был откачан воздух, Вейнберг разогнал вагон до скорости 800 км/ч!

Задание 16

Какое из магнитных взаимодействий можно использовать для магнитной подвески?

А. Притяжение разноименных полюсов.

Б. Отталкивание одноименных полюсов.

1) только А

2) только Б

3) ни А, ни Б

Правильный ответ: 4

Задание 17

При движении поезда на магнитной подвеске

1) силы трения между поездом и дорогой отсутствуют

2) силы сопротивления воздуха пренебрежимо малы

3) используются силы электростатического отталкивания

4) используются силы притяжения одноименных магнитных полюсов

Правильный ответ: 1

Задание 18

В модели магнитного поезда Б. Вейнберга понадобилось использовать вагончик с большей массой. Для того чтобы новый вагончик двигался в прежнем режиме, необходимо

5) заменить медную трубу на железную

6) не выключать ток в электромагнитах до момента "прилипания" вагончика

7) увеличить силу тока в электромагнитах

8) монтировать электромагниты по длине дороги через бóльшие промежутки

Правильный ответ: 3

Пьезоэлектричество

В 1880 году французские ученые братья Пьер и Поль Кюри исследовали свойства кристаллов. Они заметили, что если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникают электрические заряды: на одной грани - положительные, на другой - отрицательные. Таким же свойством обладают кристаллы турмалина, сегнетовой соли, даже сахара. Заряды на гранях кристалла возникают и при его растяжении. Причем если при сжатии на грани накапливался положительный заряд, то при растяжении на этой грани будет накапливаться отрицательный заряд, и наоборот. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого слова "пьезо" - давлю). Кристалл с таким свойством называют пьезоэлектриком. В дальнейшем братья Кюри обнаружили, что пьезоэлектрический эффект обратим: если на гранях кристалла создать разноименные электрические заряды, он либо сожмется, либо растянется, в зависимости от того, к какой грани приложен положительный и к какой отрицательный заряд.

На явлении пьезоэлектричества основано действие широко распространенных пьезоэлектрических зажигалок. Основной частью такой зажигалки является пьезоэлемент - керамический пьезоэлектрический цилиндр с металлическими электродами на основаниях. При помощи механического устройства производится кратковременный удар по пьезоэлементу. При этом на двух его сторонах, расположенных перпендикулярно направлению действия деформирующей силы, появляются разноимённые электрические заряды. Напряжение между этими сторонами может достигать нескольких тысяч вольт. По изолированным проводам напряжение подводится к двум электродам, расположенным в наконечнике зажигалки на расстоянии 3 - 4 мм друг от друга. Возникающий между электродами искровой разряд поджигает смесь газа и воздуха.

Несмотря на очень большие напряжения (~10 кВ) опыты с пьезозажигалкой совершенно безопасны, так как даже при коротком замыкании сила тока оказывается ничтожно малой и безопасной для здоровья человека, как при электростатических разрядах при снимании шерстяной или синтетической одежды в сухую погоду.

Задание 16

Пьезоэлектричество – это явление

1) возникновения электрических зарядов на поверхности кристаллов при их деформации

2) возникновения деформации растяжения и сжатия в кристаллах

3) прохождения электрического тока через кристаллы

4) прохождения искрового разряда при деформации кристаллов

Правильный ответ: 1

Задание 17

Использование пьезозажигалки не представляет опасности, так как

7) сила тока ничтожно мала

8) сила тока в 1 А для человека безопасна

Правильный ответ: 3

Задание 18

В начале 20-го века французский ученый Поль Ланжевен изобрел излучатель ультразвуковых волн. Заряжая грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты, он установил, что кристалл совершает при этом колебания с частотой изменения напряжения. В основе действия излучателя лежит

1) прямой пьезоэлектрический эффект

2) обратный пьезоэлектрический эффект

3) явление электризации под действием внешнего электрического поля

4) явление электризации при ударе

Правильный ответ: 2

Строительство египетских пирамид

Пирамида Хеопса является одним из семи чудес света. До сих пор остается много вопросов, как именно была построена пирамида.

Транспортировать, поднять и установить камни, масса которых составляла десятки и сотни тонн, было делом нелегким.

Для того чтобы поднять каменные глыбы наверх, придумали очень хитрый способ. Вокруг места строительства воздвигали насыпные земляные пандусы. По мере того, как росла пирамида, пандусы поднимались все выше и выше, как бы опоясывая всю будущую постройку. По пандусу камни тащили на салазках таким же образом, как и по земле, помогая себе при этом рычагами. Угол наклона пандуса был очень незначительным - 5 или 6 градусов, из-за этого длина пандуса вырастала до сотен метров. Так, при строительстве пирамиды Хефрена пандус, соединявший верхний храм с нижним, при разнице уровней, составлявшей более 45 м, имел длину 494 м, а ширину 4,5 м.

В 2007 году французский архитектор Жан-Пьер Уден высказал предположение, что при строительстве пирамиды Хеопса древнеегипетские инженеры использовали систему как внешних, так и внутренних пандусов и тоннелей. Уден полагает, что с помощью внешних пандусов возводилась только нижняя,
43-метровая часть (общая высота пирамиды Хеопса составляет 146 метров). Для подъема и установки остальных глыб использовалась система внутренних пандусов, расположенных спиралеобразно. Для этого египтяне разбирали внешние пандусы и переносили их внутрь. Архитектор уверен, что обнаруженные в 1986 году полости в толще пирамиды Хеопса - это туннели, в которые постепенно превращались пандусы.

Задание 16

К какому виду простых механизмов относится пандус?

5) подвижный блок

6) неподвижный блок

8) наклонная плоскость

Правильный ответ: 4

Задание 17

К пандусам относится

5) грузовой лифт в жилых домах

6) стрела подъемного крана

7) ворот для поднятия воды из колодца

8) наклонная площадка для въезда автомашин

Правильный ответ: 4

Задание 18

Если пренебречь трением, то пандус, соединявший при строительстве пирамиды Хефрена верхний храм с нижним, позволял получить выигрыш

5) в силе примерно в 11 раз

6) в силе более чем в 100 раз

7) в работе примерно в 11 раз

8) в расстоянии примерно в 11 раз

Правильный ответ: 1

Альбедо Земли

Температура у поверхности Земли зависит от отражательной способности планеты - альбедо. Альбедо поверхности - это отношение потока энергии отраженных 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 20-го века стала очевидна значительная роль аэрозолей - мельчайших твердых 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 поднимаются пыль и сажа, которые плотным экраном закрывают Землю и увеличивают альбедо поверхности.

Задание 16

Под альбедо поверхности понимают

1) общий поток падающих на поверхность Земли солнечных лучей

2) отношение потока энергии отраженного излучения к потоку поглощенного излучения

3) отношение потока энергии отраженного излучения к потоку падающего излучения

4) разность между падающей и отраженной энергией излучения

Правильный ответ: 3

Задание 17

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

4) ни А, ни Б

Правильный ответ: 2

Задание 18

В таблице приведены некоторые характеристики для планет Солнечной системы – Венеры и Марса. Известно, что альбедо Венеры А = 0,76, а альбедо Марса А = 0,15. Какая из характеристик, главным образом, повлияла на различие в альбедо планет?

Характеристики	Венера	Марс
А. Среднее расстояние от Солнца, в радиусах земной орбиты
Б. Средний радиус планеты, км
В. Число спутников
Г. Наличие атмосферы	очень плотная	разреженная

Правильный ответ: 4

Парниковый эффект

Для определения температуры нагреваемого Солнцем объекта важно знать его расстояние от Солнца. Чем ближе планета Солнечной системы к Солнцу, тем выше ее средняя температура. Для объекта, удаленного от Солнца как Земля, численная оценка средней температуры на поверхности дает следующий результат: T Å ≈ –15°C.

В действительности климат Земли значительно более мягкий. Её средняя температура на поверхности составляет около 18 °C за счёт так называемого парникового эффекта - нагрева нижней части атмосферы излучением поверхности Земли.

В нижних слоях атмосферы преобладают азот (78%) и кислород (21%). На остальные составляющие приходится всего 1%. Но именно этот процент и определяет оптические свойства атмосферы, так как азот и кислород почти не взаимодействуют с излучением.

Эффект «парника» известен всем, имевшим дело с этим незамысловатым огородным сооружением. В атмосфере он выглядит так. Часть излучения Солнца, не отразившаяся от облаков, проходит через атмосферу, исполняющую роль стекла или пленки, и нагревает земную поверхность. Нагретая поверхность остывает, испуская тепловое излучение, но это уже другое излучение - инфракрасное. Средняя длина волны такого излучения значительно больше, чем приходящего от Солнца, и потому почти прозрачная для видимого света атмосфера пропускает инфракрасное излучение значительно хуже.

Пары воды поглощают около 62% инфракрасного излучения, что способствует нагреву нижних слоев атмосферы. За водяным паром в списке парниковых газов следует углекислый газ (СО2), поглощающий в прозрачном воздухе 22% инфракрасного излучения Земли.

Атмосфера поглощает восходящий от поверхности планеты поток длинноволнового излучения, нагревается и, в свою очередь, нагревает поверхность Земли. Максимум в спектре излучения Солнца приходится на длину волны около 550 нм. Максимум в спектре излучения Земли приходится на длину волны примерно 10 мкм. Роль парникового эффекта иллюстрирует рисунок 1.

Рис.1(а). Кривая 1 - расчетный спектр излучения Солнца (с температурой фотосферы 6000°С); кривая 2 - расчетный спектр излучения Земли (с температурой поверхности 25°С)
Рис.1 (б). Поглощение (в процентном отношении) земной атмосферой излучения на разных длинах волн. На участке спектра от 10 до 20 мкм находятся полосы поглощения молекул CO2, H2O, O3, CH4. Они-то и поглощают излучение, приходящее с поверхности Земли

Задание 16

Какой из газов играет наибольшую роль в парниковом эффекте атмосферы Земли?

10) кислород

11) углекислый газ

12) водяной пар

Правильный ответ: 4

Задание 17

Какое из приведенных ниже утверждений соответствуют кривой на рисунке 1(б)?

А. Видимое излучение, соответствующее максимуму солнечного спектра, проходит сквозь атмосферу практически беспрепятственно.

Б. Инфракрасное излучение с длиной волны, превышающей 10 мкм, практически не проходит за пределы земной атмосферы.

5) только А

6) только Б

8) ни А, ни Б

Правильный ответ: 3

Задание 18

Благодаря парниковому эффекту

1) в холодную пасмурную погоду шерстяная одежда предохраняет тело человека от переохлаждения

2) чай в термосе остается длительное время горячим

3) солнечные лучи, прошедшие через застекленные окна, нагревают воздух в комнате

4) в летний солнечный день температура воды в водоемах ниже температуры песка на берегу

Правильный ответ: 3

Слух человека

Самый низкий тон, воспринимаемый человеком с нормальным слухом, имеет частоту около 20 Гц. Верхний предел слухового восприятия сильно различается у разных людей. Особое значение здесь имеет возраст. В восемнадцать лет при безупречном слухе можно услышать звук до 20 кГц, но в среднем границы слышимости для любого возраста лежат в интервале 18 - 16 кГц. С возрастом чувствительность человеческого уха к высокочастотным звукам постепенно падает. На рисунке приведен график зависимости уровня восприятия звука от частоты для людей разного возраста.

Болезненность" href="/text/category/boleznennostmz/" rel="bookmark">болезненные реакции. Транспортный или производственный шум действует угнетающе на человека - утомляет, раздражает, мешает сосредоточиться. Как только такой шум смолкает, человек испытывает чувство облегчения и покоя.

Уровень шума в 20–30 децибел (дБ) практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого невозможна человеческая жизнь. Для “громких звуков” предельно допустимая граница примерно 80–90 децибел. Звук в 120–130 децибел уже вызывает у человека болевые ощущения, а в 150 - становится для него непереносимым. Влияние шума на организм зависит от возраста, слуховой чувствительности, продолжительности действия.

Наиболее пагубны для слуха длительные периоды непрерывного воздействия шума большой интенсивности. После воздействия сильного шума заметно повышается нормальный порог слухового восприятия, то есть самый низкий уровень (громкость), при котором данный человек еще слышит звук той или иной частоты. Измерения порогов слухового восприятия производят в специально оборудованных помещениях с очень низким уровнем окружающего шума, подавая звуковые сигналы через головные телефоны. Эта методика называется аудиометрией; она позволяет получить кривую индивидуальной чувствительности слуха, или аудиограмму. Обычно на аудиограммах отмечают отклонения от нормальной чувствительности слуха (см. рисунок).

0 " style="margin-left:-2.25pt;border-collapse:collapse">

Источник шума

Уровень шума (дБ)

А. работающий пылесос

Б. шум в вагоне метро

В. оркестр поп-музыки

Г. автомобиль

Д. шепот на расстоянии 1 м

8) В, Б, Г и А

Правильный ответ: 1