Оптичні явища. Як вже говорилося, при проходженні променів Сонця через атмосферу частину прямої сонячної радіації поглинається молекулами повітря, розсіюється до відбивається. В результаті цього в атмосфері спостерігаються різні оптичні явища, які сприймаються безпосередньо нашим оком. До числа таких явищ відносяться: колір неба, рефракція, міражі, гало, веселка, помилкове сонце, світлові стовпи, світлові хрести та ін.
Колір неба. Всім добре відомо, що колір неба в залежності від стану атмосфери змінюється. Ясна безхмарне небо вдень має блакитний колір. Цей колір неба зумовлений тим, що в атмосфері багато розсіяної сонячної радіації, в складі якої переважають короткі хвилі, що сприймаються нами як блакитні або сині. Якщо повітря запилений, то змінюється спектральний склад розсіяною радіації, послаблюється синява неба; небо стає білясті. Чим більше каламутність повітря, тим слабкіше синява неба.
З висотою колір неба змінюється. На висоті від 15 до 20 км колір неба чорно-фіолетовий. З вершин високих гір колір неба здається густо-синім, а з поверхні Землі - голубим. Ця зміна кольору від чорно-фіолетового до світло-блакитного обумовлюється все зростаючим розсіюванням спочатку фіолетових, потім синіх і блакитних променів.
При сході і заході Сонця, коли сонячні промені проходять крізь найбільшу товщу атмосфери і втрачають при цьому майже всі короткохвильові промені (фіолетові і сині), а до ока спостерігача доходять тільки довгохвильові промені, колір частини неба на обрії і саме Сонце має червоне або помаранчеве забарвлення .
Рефракція. В результаті відображення і заломлення сонячних променів при їх проходженні через шари повітря різної щільності їх траєкторія піддається деяких змін. Це призводить до того, що небесні тіла і віддалені предмети на земній поверхні ми бачимо в напрямку, кілька відрізняється від того, в якому вони дійсно розташовані. Наприклад, якщо ми дивимося на вершину гори з долини, то гора нам здається піднятою; при візуванні з гори в долину спостерігається збільшення дна долини.
Кут, утворений прямою лінією, що йде від ока спостерігача до будь-якої точки, і напрямком, в якому око бачить цю точку, називається рефракцією.
Величина рефракції, що спостерігається у земної поверхні, залежить від розподілу щільності нижніх шарів повітря і від відстані від спостерігача до предмета. Щільність ж повітря залежить від температури і тиску. В середньому величина земної рефракції в залежності від відстані до спостережуваних предметів при звичайних атмосферних умовах дорівнює:
Міражі. Явища міражів пов'язані з аномальною рефракцією сонячних променів, яка викликається різкою зміною щільності повітря в нижніх шарах атмосфери. При міражі спостерігач бачить, крім предметів, ще їх зображення нижче або вище дійсного стану предметів, а іноді справа або зліва від них. Нерідко спостерігач може бачити тільки зображення, не бачачи самих предметів.
Якщо щільність повітря з висотою різко падає, то зображення предметів спостерігається вище їх дійсного місцезнаходження. Так, наприклад, при подібних умовах можна бачити силует корабля над рівнем моря, коли корабель прихований від спостерігача за горизонтом.
Нижні міражі часто спостерігаються на відкритих рівнинах, особливо в пустелях, де щільність повітря різко збільшується з висотою. Людина в цьому випадку нерідко бачить на віддалі як би водну, злегка хвилясту поверхню. Якщо при цьому на горизонті є будь-які предмети, то вони як би піднімаються над цією водою. І в цьому водному просторі видно перевернуті, як би відбиті у воді їх обриси. Видимість водної поверхні на рівнині створюється в результаті великої рефракції, що обумовлює зворотне зображення внизу біля земної поверхні частини неба, що знаходиться позаду предметів.
Гало. Під явищем гало розуміються світлі або райдужні кола, які іноді спостерігаються навколо Сонця чи Місяця. Гало буває в тому випадку, коли ці небесні тіла доводиться бачити через легені перисті хмари або через пелену туману, що складається з зважених в повітрі крижаних голочок (рис. 63).
Явище гало відбувається внаслідок заломлення в крижаних кристаликах і відображення від їх граней сонячних променів.
Радуга. Радуга являє собою велику різнобарвну дугу, що спостерігається зазвичай після дощу на тлі дощових хмар, що знаходяться проти тієї частини неба, де світить Сонце. Величина дуги буває різна, іноді спостерігається повний райдужний півколо. Нерідко ми бачимо одночасно дві веселки. Інтенсивність розвитку окремих кольорів у веселці і ширина їх смуг різні. В добре видимої веселці з одного краю розташовується червоний колір, а з іншого - фіолетовий; інші кольори у веселці знаходяться в порядку квітів спектра.
Явища веселки обумовлені заломленням і відбиттям сонячних променів в крапельках води, що знаходяться в атмосфері.
Звукові явища в ат мосфере. Поздовжні коливання часток матерії, поширюючись по матеріальному середовищі (по повітрю, воді і твердих тіл) і досягнувши вуха людини, викликають відчуття, звані «звуком».
В атмосферному повітрі завжди знаходяться звукові хвилі різної частоти і сили. Частина цих хвиль створюється штучно людиною, а частина звуків має метеорологічне походження.
До звуків метеорологічного походження відносяться грім, завивання вітру, гудіння проводів, шум і шелест дерев, «голос моря», звуки і шуми, що виникають при пересуванні піщаних мас в пустелях і над дюнами, а також сніжинок над гладкою поверхнею снігу, звуки при падінні на земну поверхню твердих і рідких опадів, звуки прибою біля берегів морів і озер та ін. Зупинимося на деяких з них.
Грім спостерігається при явищах грозового розряду. Виникає він в зв'язку з особливими термодинамічними умовами, які створюються на шляху руху блискавки. Зазвичай грім ми сприймаємо у вигляді ряду ударів - так званих гуркотів. Гуркіт грому пояснюються тим, що звуки, породжувані в один час уздовж довгого і зазвичай звивистого шляху блискавки, доходять до спостерігача послідовно і з різною інтенсивністю. Грім, незважаючи на велику силу звуку, чується на відстані не більше 20-25 км (в середньому близько 15 км).
Завивання вітру відбувається при швидкому русі повітря з завіхріваніем у будь-яких предметів. При цьому буває чергування накопичення і відтоку повітря від предметів, що і дає початок звуків. Гудіння проводів, шум і шелест дерев, «голос моря» також пов'язані з рухом повітря.
«Голос моря» - своєрідне звукове явище, що спостерігається на морях. Ці звукові явища бувають під час вітру і виникають від руху повітря над гребенями і підошвами морських хвиль.
Швидкість звуку в атмосфері. На швидкість поширення звуку в атмосфері впливає температура і вологість повітря, а також вітер (напрямок і його сила). В середньому швидкість звуку в атмосфері дорівнює 333 м в секунду. Зі збільшенням температури повітря швидкість звуку дещо зростає. Зміна абсолютної вологості повітря чинить менший вплив на швидкість звуку. Вітер впливає: швидкість звуку у напрямку руху вітру збільшується, проти вітру - зменшується.
Знання величини швидкості поширення звуку в атмосфері має велике значення при вирішенні ряду завдань з вивчення верхніх шарів атмосфери акустичним методом. Користуючись середньою швидкістю звуку в атмосфері, можна дізнатися відстань від свого місцезнаходження до місця виникнення грому. Для цього потрібно визначити число секунд між видимою спалахом блискавки і моментом приходу звуку грому. Потім треба помножити середнє значення швидкості звуку в атмосфері - 333 м / сек. на отримане число секунд.
Відлуння. Звукові хвилі, подібно до світлових променів, відчувають при переході з одного середовища в іншу заломлення і віддзеркалення. Звукові хвилі можуть відбиватися від земної поверхні, від води, від навколишніх гір, хмар, від поверхні розділу повітряних шарів, що мають різну температуру і вологість. Звук, відбиваючись, може повторитися. Явище повторення звуків внаслідок відображення звукових хвиль від різних поверхонь носить назву «відлуння».
Особливо часто відлуння спостерігається в горах, поблизу скель, де голосно вимовлене слово через деякий проміжок часу повторюється один або кілька разів. Так, наприклад, в долині Рейну є скеля Лорелей, у якій відлуння повторюється до 17-20 разів. Прикладом відлуння є і гуркіт грому, які виникають внаслідок відображення звуків електричних розрядів від різних предметів на земній поверхні.
Електричні явища в атмосфері. Спостережувані в атмосфері електричні явища пов'язані з наявністю в повітрі електрично заряджених атомів і молекул газів, що носять назву іонів. Іони бувають як з негативним, так і з позитивним зарядом, а по величині маси діляться на легкі і важкі. Іонізація атмосфери відбувається під впливом короткохвильового частини сонячної радіації, космічних променів і випромінювання радіоактивних речовин, що містяться в земній корі і в самій атмосфері. Сутність іонізації полягає в тому, що зазначені іонізатори передають нейтральної молекулі або атому газу повітря енергію, під дією якої видаляється один з наріжних електронів зі сфери дії ядра. В результаті цього атом, позбавлений одного електрона, стає позитивним легким іоном. Віддалився з даного атома електрон швидко приєднується до нейтрального атому і таким шляхом створюється негативний легкий іон. Легкі іони, зустрічаючись з зваженими частинками повітря, віддають їм свій заряд і утворюють таким чином важкі іони.
Кількість іонів в атмосфері з висотою збільшується. В середньому на кожні 2 км висоти число їх зростає на тисячу іонів в одному куб. сантиметрі. У високих шарах атмосфери максимальна концентрація іонів спостерігається на висотах близько 100 і 250 км.
Наявність в атмосфері іонів створює електропровідність повітря і електричне поле в атмосфері.
Провідність атмосфери створюється завдяки великій рухливості головним чином легких іонів. Важкі іони відіграють в цьому відношенні невелику роль. Чим вище в повітрі концентрація легких іонів, тим більше його провідність. І так як з висотою збільшується число легких іонів, то і провідність атмосфери з висотою зростає. Так, наприклад, на висоті 7-8 км провідність, приблизно, в 15-20 разів більше, ніж у земної поверхні. На висоті близько 100 км провідність дуже велика.
У чистому повітрі мало зважених часток, тому в ньому більше легких іонів і менше важких. У зв'язку з цим провідність чистого повітря вище, ніж провідність запиленого. Тому при імлі і тумані провідність має низьке значення, Електричне поле в атмосфері вперше встановив М. В. Ломоносов. При ясній безхмарним погоді напруженість поля вважається нормальною. По відношенню до
земної поверхні атмосфера заряджена позитивно. Під впливом електричного поля атмосфери і негативного поля земної поверхні встановлюється вертикальний струм позитивних іонів від земної поверхні вгору, а негативних іонів з атмосфери вниз. Електричне поле атмосфери поблизу земної поверхні надзвичайно мінливе і залежить від провідності повітря. Чим менше провідність атмосфери, тим більше напруженість електричного поля атмосфери. Провідність ж атмосфери в основному залежить від кількості зважених в ній твердих і рідких частинок. Тому під час імли, при опадах і тумані напруженість електричного поля атмосфери збільшується і це нерідко призводить до електричних розрядів.
Вогні Ельма. Під час гроз і шквалів влітку або сніжних буревіїв взимку можна іноді спостерігати електричні спокійні розряди на вістрях предметів, видатних над земною поверхнею. Ці видимі розряди звуться «вогнів Ельма» (рис. 64). Найчастіше вогні Ельма спостерігаються на щоглах, на вершинах гір; іноді вони супроводжуються несильним потріскуванням.
Утворюються вогні Ельма при великій напруженості електричного поля. Напруженість буває настільки велика, що іони і електрони, рухаючись з великою швидкістю, розщеплюють на своєму шляху молекули повітря, через що збільшується число іонів і електронів в повітрі. У зв'язку з цим зростає провідність повітря і з гострих предметів, де накопичується електрику, починається закінчення електрики і розрядка.
Блискавки. В результаті складних термічних і динамічних процесів в грозових хмарах відбувається поділ електричних зарядів: зазвичай негативні заряди розташовуються в нижній частині хмари, позитивні у верхній. У зв'язку з таким поділом об'ємних зарядів усередині хмар створюються сильні електричні поля як всередині хмар, так і між ними. Напруженість поля в земної поверхні при цьому може досягати декількох сотень кіловольт на 1 м. Велика напруженість електричного поля призводить до того, що в атмосфері виникають електричні розряди. Сильні іскрові електричні розряди, які відбуваються між грозовими хмарами або між хмарами і земною поверхнею, називаються блискавками.
Тривалість спалаху блискавки в середньому близько 0,2 сек. Кількість електрики, яке несе блискавка, становить 10-50 кулонів. Сила струму буває дуже великий; іноді вона досягає 100-150 тис. ампер, але в більшості випадків не перевищує 20 тис. ампер. Більшість блискавок з негативним зарядом.
За зовнішнім виглядом іскровий спалаху блискавки поділяють на лінійні, плоскі, кульові, четочная.
Найбільш часто спостерігаються лінійні блискавки, серед яких розрізняють ряд різновидів: звивисті, розгалужені, стрічкові, ракетовідние і ін. Якщо лінійна блискавка утворюється між хмарою і земною поверхнею, то її середня довжина дорівнює 2-3 км; блискавка між хмарами може досягати 15-20 км довжини. Розрядний канал блискавки, який створюється під впливом іонізації повітря і за яким відбувається інтенсивне зустрічна течія негативних зарядів, що накопичились в хмарах, і позитивних зарядів, що скупчилися на земній поверхні, має діаметр від 3 до 60 см.
Плоска блискавка являє собою короткочасний електричний розряд, що охоплює значну частину хмари. Плоска блискавка не завжди супроводжується громом.
Кульова блискавка - рідкісне явище. Утворюється вона в деяких випадках після сильного розряду лінійної блискавки. Кульова блискавка являє собою вогненна куля з діаметром зазвичай в 10-20 см (а іноді і до декількох метрів). За земної поверхні ця блискавка пересувається з помірною швидкістю і володіє тенденцією проникати всередину будівель через димоходи й інші невеликі отвори. Не заподіявши шкоди і виконавши складні рухи, кульова блискавка може спокійно піти з будівлі. Іноді ж вона викликає пожежі та руйнування.
Ще більш рідкісне явище представляють четочная блискавки. Вони бувають в тому випадку, коли електричний розряд складається з ряду світних кулястих або довгастих тіл.
Блискавки нерідко завдають великої шкоди; вони руйнують будівлі, викликають пожежі, розплавляють електричні дроти, розколюють дерева і вражають людей. Для захисту будівель, промислових споруд, мостів, електростанцій, ліній електропередач та інших споруд від прямих ударів блискавок застосовують громовідводи (зазвичай їх називають громовідводами).
Найбільше число днів з грозами спостерігається в тропічних і екваторіальних країнах. Так, наприклад, на о. Ява в році 220 днів з грозами, в Центральній Африці 150 днів, в Центральній Америці близько 140. В СРСР найбільше днів з грозами буває на Кавказі (до 40 днів на рік), на Україні і на південному сході Європейської частини СРСР. Грозові явища зазвичай спостерігаються в другій половині дня, особливо між 15 і 18 годинами.
Полярні сяйва. Полярні сяйва є своєрідну форму світіння в високих шарах атмосфери, що спостерігається часом в нічний час переважно в полярних і приполярних країнах північної та південної півкуль (рис. 65). Ці світіння є проявом електричних сил атмосфери і відбуваються на висоті від 80 до 1000 км в сильно розрідженому повітрі при проходженні через нього електричних зарядів. Природа полярних сяйв ще повністю не розгадана але точно встановлено, що причиною їх виникнення є
вплив верхні сильно розріджені шари земної атмосфери заряджених частинок (корпускул), що надходять в атмосферу з активних областей Сонця (плям, протуберанців і інших ділянок) під час спалахів сонячного випромінювання.
Максимальне число полярних сяйв спостерігається поблизу магнітних полюсів Землі. Так, наприклад, у магнітного полюса північної півкулі в рік буває до 100 сяйв.
За формою світіння полярні сяйва вельми різноманітні, але зазвичай їх ділять на дві основні групи: сяйва безлучевой форми (однорідні смуги, дуги, спокійні і пульсуючі світяться поверхні, дифузні світіння і ін.) І сяйва променевої структури (смуги, драпрі, промені, корона та ін.). Полярні сяйва безлучевой структури відрізняються спокійним світінням. Сяйва ж променевої структури, навпаки, рухливі, у них міняється як форма, так яскравість і колір світіння. Крім цього, сяйва променевої форми супроводжуються магнітними возбуждениями.