Негосударственное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа-интернат №26 ОАО «РЖД»

Школьная научно-практическая конференция

Автор:

Каковин  Александр Эдуардович

школа-интернат№26,

ст. Нижнеудинск,

9 «Б» класс

Руководитель:

Прокушева Наталья Анатольевна,

учитель физики

                                                        2010, Нижнеудинск

                                                    Содержание

                                                                                                                                         стр.

Введение. Возникновение миража…………………………………. 3

1. Классификация миражей………………………………………....4

     1.1     Нижний (озёрный)………………………………………….4

                  1.2     Верхний …………………………………………………….5

1.2.1  Дальнего видения ……………………………………….....5

                  1.2.2  Двойные и тройные………………………………………...5

1.3      Боковые……………………………………………………..5

                  1.4      Сверхдальние…………………………………………….....6

1.4.1   Фата-Моргана……………………………………………....6

                  1.5     Очевидное - невероятное…………………………………...7

                  1.5.1   Миражи - оборотни……………………………………........7

                  1.5.2   Миражи-призраки……………………………………….….7

                  1.5.3   Невероятно, но факт…………………………………….…..8

           Заключение. Мир познаваем……………………………………….…..8

           Список литературы……………………………………………….….….9

           Приложение А – Нижние и верхние миражи…………….….……….10            

           Приложение В – Двойные миражи………………...…………….…....11

           Приложение С –Боковые миражи………………………………….….12

           Приложение Д – Сверхдальние миражи……..……………...…….13-14

Введение. Возникновение миража

Наверняка, хоть однажды, вам приходилось наблюдать голубое озерцо на раскалённом шоссе.

А, если  в жаркий летний день встать на железнодорожное полотно или холмик над ним, когда солнце находится немного сбоку или сбоку и чуть впереди железнодорожного пути, то можно разглядеть, как рельсы в двух-трех километрах от вас  как будто погружаются в искрящееся озеро, словно пути залило наводнением. Попробуйте  приблизиться к "озеру" - оно отодвинется, и сколько бы вы   ни шли по направлению к нему, оно неизменно будет находиться в 2-3 километрах. Такие "озерные" миражи доводили до отчаяния путников пустыни, изнывавших от зноя и жажды. Они также видели  в 2-3 километрах вожделенную воду, брели к ней из последних сил, но вода отступала, а потом точно растворялась в воздухе.

Люди видели миражи, начиная с глубокой древности, о чем сохранилось немало преданий. Особенно красочные рассказы о миражах Палестины остались от крестоносцев, которым, впрочем, никто особенно не верил. Уж больно любили приврать рыцари о чудесах Востока. Начало научного наблюдения за этим оптическим фокусом совпало с появлением судового журнала, в который детально записывалось все необычное. Откроем старинную книгу «Поденные записки о плавании на северный китовый промысел, содержащие исследования и обретения на восточном береге Гренландии». В ней говорится о большом городе, который наблюдал летом 1820 года командир судна «Баффин», полном замков и храмов, очень похожих на древние строения. Моряк подробно зарисовал это чудесное явление, но свидетельства позднее, конечно же, не подтвердились.

Позже, в 1840 году, жители маленького островка к северу от Англии увидели в небе прекрасные белые здания. Поскольку ничего подобного на их родине не было, то люди сочли это подтверждением сказки о народе фин, обитавшем в хрустальном городе. Видение далекой страны повторилось через 17 лет и висело в воздухе целых три часа.

В воскресенье 8 мая 2006 года тысячи туристов и местных жителей наблюдали мираж, который длился в течение четырех часов в Penglai у восточного побережья Китая. Приложение С.3

В целом, мираж это явление  довольно частое - так, в Сахаре ежегодно наблюдается около 160 тысяч миражей: они бывают стабильными и блуждающими, вертикальными и горизонтальными.

Но чемпионом по миражам уже давно признают далекую холодную Аляску. Чем сильнее стужа, тем четче и красивее возникают в ее небе видения. Постоянно фиксировать появление миражей в тех краях начали только в XIX веке. 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. Кстати, Аляска и по сей день остается одним из лучших мест в мире для появления миражей. Там даже создано специальное общество по изучению природных оптических явлений, которое выпускает журнал наблюдения миражей, а туристов из Канады и США возят на автобусах полюбоваться, как на ровном океанском горизонте прямо из пучины встают горы, а потом неведомо куда исчезают.

Что же такое мираж? О миражах известно все и ничего.  Древние египтяне верили, что мираж - это призрак страны, которой больше нет на свете. Легенда говорит о том, что у каждого места на Земле есть своя душа.   Оптики доходчиво, с чертежом и формулами, расскажут об этом явлении. Но с  другой стороны  — тысячи людей наблюдали в небе буквально висящие города, причудливые замки и даже целые армии, и  вот тут у специалистов нет объяснений этому природному феномену. Изучать миражи практически невозможно, ведь они не появляются по заказу. Их хозяйка, Фата Моргана, всегда оригинальна и непредсказуема. 

1 Классификация   миражей

Мираж (фр. mirage — букв, видимость) — оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между слоями воздуха разными по плотности. Для наблюдателя такое отражение заключается в том, что вместе с отдалённым объектом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещённое относительно предмета. Физика явления заключается в том, что  в неоднородной среде свет распространяется непрямолинейно. Если мы представим себе среду, в которой показатель преломления изменяется снизу вверх, и мысленно разобьем ее на тонкие горизонтальные слои, то, рассматривая условия преломления света при переходе от слоя к слою, заметим, что в такой среде луч света должен постепенно изменять свое направление. Такое искривление световой луч претерпевает в атмосфере, в которой по тем или иным причинам, главным образом благодаря неравномерному нагреванию ее, показатель преломления воздуха изменяется с высотой. Поэтому лучи, идущие сквозь атмосферу, искривляются, пригибаясь к Земле. Это явление получило название нормальной атмосферной рефракции. Вследствие рефракции небесные светила кажутся нам несколько «приподнятыми» (выше своей истинной высоты) над горизонтом.  

Из всего многообразия миражей выделим несколько видов: нижние, видимые под объектом, верхние -  над объектом, боковые, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

1. Нижний мираж

1. Нижние миражи весьма обычны. Например, вода, наблюдаемая на песке в пустыне, является миражом неба над горячим песком. В литературе такой вид миража называют «оазисным», или «озерным». Природа озерного миража изучена в деталях. Он  наблюдается при очень большом вертикальном градиенте температуры (падении её с высотой) над перегретой ровной поверхностью. Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой. Воздух у самой поверхности земли́ сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Световые лучи вблизи поверхности земли́ будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в некоторой точке находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадёт в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже её. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. То есть, мнимое изображение неба создаёт иллюзию воды на поверхности. А эффект блеска и переливов вызван неоднородностью потоков теплого воздуха, поднимающегося от горячей поверхности. Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевёрнутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Например, приземление самолета в фильмах или автомобильные гонки по телевидению часто снимают очень близко к поверхности горячего асфальта. Тогда ниже автомобиля или самолета вы можете видеть их зеркальное изображение (нижний мираж), а также мираж неба. Причина всё в том же искривлении световых лучей. Так возникает иллюзия, представляющая собой озёрный мираж. Нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и степях.                                                                            Приложение А.1 – А.2

2. Верхний мираж

        Жители Лазурного берега Франции ясным утром не раз видели, как на горизонте Средиземного моря, где вода сливается с небом, из моря поднимается цепочка Корсиканских гор, до которой от Лазурного берега примерно двести километров. В «Метеорологии» Аристотеля приведен  пример, как жители Сиракуз видели иногда в течение нескольких часов берег континентальной Италии, хотя до него 150 км. А жители города Ломоносова иногда отчётливо видят в воздухе здания и улицы Санкт-Петербурга, мосты через Неву, хотя расстояние между городами около 40 км, следовательно, о прямой видимости не может быть речи. Это типичные примеры верхних миражей, наблюдаемых  в северных широтах.

1.2.1 Мираж дальнего видения

        Подобные явления вызваны перераспределением теплых и холодных слоев воздуха. Уменьшение его плотности с высотой «вынуждает» лучи, отраженные от предметов, находящихся невысоко над горизонтом, искривляться книзу. А законы оптики таковы, что мы всегда видим предмет по направлению последнего отрезка пути светового луча. Поэтому атмосферная рефракция приподнимает предметы, и наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причём он будет видеть их вверху,  как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи  и называют верхними.                                        Приложение А.3

     Этот вид миражей по своему происхождению не сложнее "озерных", но разнообразнее. Верхний мираж может давать как прямое, так и перевёрнутое изображение. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевёрнутое изображение.

1.2.2 Двойные и тройные миражи

      Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения, простое и перевёрнутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает ещё одно — третье изображение.  Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в первой области будут искривляться быстрее, чем во второй области. В результате возникают два изображения. Световые лучи, распространяющиеся в пределах первой воздушной области, формируют перевёрнутое изображение объекта. Лучи распространяющиеся в основном в пределах второй области, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.      Чтобы понять, как появляется тройной мираж, нужно представить три последовательные воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшается медленно.                                                      Приложение В.1 – В.2

1.3 Боковые миражи

       Если есть мираж нижний и верхний, почему бы не быть боковому? Этот вид миражей может 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. 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, хорошо прогретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи.  «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. А голландский астроном и популяризатор науки Марсель Миннарт предлагал такой оптический фокус: «Встаньте у длинной стены на расстоянии вытянутой руки и смотрите на блестящий металлический предмет, который ваш товарищ постепенно приближает к стене у другого конца. Когда предмет окажется на расстоянии нескольких сантиметров от стены, его контуры исказятся, и вы увидите на стене его отражение, как если бы она была зеркальной. В очень жаркий день изображений может быть даже два». Природа этого миража точно такая же, как у озерного. Конечно, лучи света отражаются не от стены, а от примыкающей к ней более горячей прослойки воздуха.                                                                                                                   Приложение С.1 – С.2

1.4 Миражи сверхдальнего видения

      Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге «Атмосфера» описывает пример подобного миража.  «Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!»  Описанный мираж изображён в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100 км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях — до 1000 км. «Летучего голландца»  следует отнести именно к таким миражам. (Корабль-призрак, предвещавший несчастье тем, кто встретится с ним в океане.) 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 «Рипалс», атакованный японскими торпедоносцами неподалеку от Цейлона. Расстояние между кораблями на тот момент составляло 900 км.

       Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлаждённого воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли́. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, оказывается как бы запертым внутри него и распространяется в нём, как по своеобразному световоду. Траектория луча всё время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха. Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных световодов, которые иногда создаёт природа.

1. .1Фата-Моргана

    Фата-Морга́на - сложное явление миража, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями. Свое название они получили в честь героини британского эпоса Фаты Морганы, (в переводе с итальянского fata Morgana — фея Моргана). Говорят, что она, сводная сестра короля Артура, отвергнутая возлюбленная Ланцелота, поселилась от огорчения на дне моря, в хрустальном дворце, и с тех пор обманывает мореплавателей призрачными видениями.    Вот пример документированной фата-морганы, то есть записанной очевидцами, не верить которым у нас нет оснований. 3 апреля 1900 года буры — защитники Блумфонтейна — увидели в небе боевые порядки британской армии, притом так четко, что можно было различить пуговицы на красных мундирах офицеров. Это было воспринято как дурное предзнаменование. Через два дня столица Оранжевой республики сдалась. К фата-морганам, без сомнения, можно отнести также и многочисленных «летучих голландцев».                                                  

  Каким же образом ученые пытаются объяснить подобные явления? Для этого вида миражей, к сожалению, убедительных признанных объяснений пока не найдено. Если, например, следовать теории Фрайзера-Маха, то для возникновения фата-морган необходимо, чтобы зависимость температуры воздуха от высоты была нелинейной. Сначала температура возрастает с высотой, но с некоторого уровня скорость ее роста уменьшается. Подобный температурный профиль, только с более крутым «переломом», ученые называют воздушной линзой. Существование такого эффекта метеорологами обосновано, но утверждать, что именно он является причиной возникновения фата - морган, рано.                                                                       Приложение Д.1-Д.4

1.5 Очевидное – невероятное

1.5.1Миражи- оборотни

       Французский колониальный отряд пересекал алжирскую пустыню. Впереди, километрах в шести от него, шла гуськом стая фламинго. Hо когда птицы пересекли границу миража, ноги у них вытянулись и расслоились, вместо двух у каждой стало по четыре. Hи дать, ни взять – арабский всадник в белом одеянии.

Командир отряда, встревожившись, послал разведчика проверить, что за люди в пустыне. Когда солдат сам проник в зону искривления солнечных лучей, он, конечно, разобрался, с кем имеет дело. Hо и он нагнал страху на своих товарищей - ноги его лошади стали такими длинными, что казалось, он сидит на фантастическом чудовище. Другие же видения ставят нас в тупик и сегодня. Шведский полярный исследователь Hорденшельд не раз наблюдал в Арктике миражи-оборотни: "Однажды медведь, приближения которого поджидали и которого все хорошо видели, вместо того, чтобы подойти своею обычной мягкой походкой, зигзагами и, нюхая воздух, соображая, годятся ли ему чужеземцы в пищу, как раз в момент прицела снайпера... распустил исполинские крылья и улетел в виде маленькой зеленой чайки. В другой раз, во время этого же санного похода, охотники, находясь в палатке, раскинутой для отдыха, услышали крик возившегося около нее повара: "Медведь, большой медведь! Hет – олень, совсем маленький олень".  В то же мгновенье из палатки раздался выстрел, и убитый "медведь-олень" оказался маленьким песцом, который жизнью заплатил за честь несколько мгновений изображать крупного зверя".

 1.5.2 Миражи – призраки

       Достоверно известно и о миражах-призраках. Вот как описывает этот эффект британский метеоролог Каролина Ботли. «Жарким августовским днем 1962 года я собирала цветы. Внезапно в нескольких метрах от себя я увидела фигуру, она дрожала и покачивалась, была довольно массивной. Я в ужасе уронила букет цветов и лишь тогда заметила, что у призрака тоже был букет цветов и он тоже уронил его. Это было мое собственное отражение. Я так подробно различала все оттенки, детали, цвет тела, как будто видела себя в зеркале». Несмотря на то, что мисс Ботли известна всей Америке как эксперт по погоде, можно было бы подумать, что на сей раз речь уж точно идет о галлюцинации. Но в 1965 году американский турист сфотографировал подобный призрак. С тех пор появилось с десяток фотографий миражей - призраков и даже одно любительское видео. Подобные явления обычно возникают утром, в жаркий день, когда от земли еще поднимается пар. Ученые считают, что призраки вызваны не преломлением света, а отражением на редком тумане. Но уверенно говорить о «механизмах», создающих миражи - призраки, ученые пока не могут. Здесь больше догадок, чем обоснованных теорий.

1.5.3 Невероятно, но факт

       Бывают миражи, которые не поддаются никакому объяснению. Из материалов http://ufo.metrocom.ru.  Город Кир-Углы (в русскоязычных преданиях его зовут Мирным городом), иногда появляется над рекой в окрестностях Жигулей, как удивительно яркий и необыкновенно чёткий мираж. Странно то, что мест, которые показывают нам волжские миражи, похоже, нет, не только в окрестностях, но и где-либо на земном шаре. Этот "город" (некоторые очевидцы называют его "храмом") представляет собой купол, окружённый ажурными башенками. Окружение его меняется — одни видят его на берегу водного пространства (озера или моря), другие на краю обрыва, третьи на склоне холма. Наблюдали Кир-Углы очень давно и довольно часто (местные жители утверждают, что он бывает виден не реже раза в месяц), но первый документально зафиксированный случай миража относится к 60-м годам. Автор наблюдения пожелал остаться неизвестным: «Из тумана поднялся город. Он светился различными цветами, словно ночная радуга, опустившаяся на землю. Вознеслись над ночной рекой стены и башни, удивительные и многоцветные, будто бы горсть драгоценностей была брошена со звёздного неба на землю. Но было видно, что многие изумительные башни были разрушены, а от многих дворцов остались одни руины. И все это видение опутывал какой-то клубок чувств, чья-то ненависть, слепая и нерассуждающая.
Казалось, будто время иных миров царило здесь. Нам казалось, что мы слышим странный пульсирующий звук — некую погребальную песню, несущуюся над волнами и над этим волшебным городом. Звук был то мягким и нежным, то становился яростным и вызывал боль. Звук нарастал, делался невыносимым, а затем замирал. Но ощущение ужаса не пропадало. И в сиянии этого города, всё, что было лишь легендами, для нашего привычного мира, стало крайне реальным, рождая страх и ужас.
Город пропал также внезапно, как и появился. Но у нас с этой ночи начались неприятности. Участники экспедиции начали болеть».

Заключение. Мир познаваем…

      Когда-то миражи «Летучий голландец» и  «Фата - Моргана» наводили ужас на моряков.  В ночь на 27 марта 1898 года среди Тихого океана экипаж судна «Матадор» был напуган видением, когда в штиль в полночь увидел в 2милях (3,2 км) судно, которое боролось с сильным штормом. Все эти события на самом деле происходили на расстоянии 170 км. Сегодня все, кто знает законы физики, а точнее ее раздела оптики, могут объяснить некоторые из описанных в работе загадочных явлений. Однако физическое объяснение феномена миражей нисколько не облегчает участь путников, введенных эфемерным оазисом в гибельное заблуждение. Дабы уберечь занесенных в пустыню людей от риска заблудиться и погибнуть от жажды, составляются специальные карты с отметкой мест, где обычно наблюдаются миражи. На этих путеводителях указано, где могут привидеться колодцы, а где – пальмовые рощи и даже горные цепи. Жертвами миражей особенно часто оказываются караваны в пустыне Эрг-эр-Рави на Севере Африки. Перед людьми "воочию" на расстоянии 2-3 километров предстают оазисы, до которых в действительности не менее 700 километров.

     В своей работе я  описал одно из интересных явлений природы, связанных с особенностями распространения света в различных средах. А сколько ещё не менее интересных и загадочных явлений происходит вокруг нас! Природа необычайно разнообразна, она поистине неисчерпаема.

       Работая  с дополнительной литературой, я убедился, что на вопросы, которые возникают при наблюдениях за окружающим нас миром, можно всегда найти ответы. Правда, надо знать, основы естественных наук.

           Вывод: мираж -   это оптическое явление, показывающее в более или менее искажённой форме предметы, расположенные на самом деле не в том месте, где мы видим их изображение. Мир загадочен, но познаваем.

Используемая литература

1. Тарасова Л.В. Физика в природе: Книга для учащихся. – М.: «Вербум-М», 2002.- 352 с.

2. http://ufo.metrocom.ru

Приложение А – Нижние и верхние миражи

Рисунок А.1 – Озёрный мираж

Рисунок А.2 – Парусник почти пропадает в нижнем мираже.

                          Виднеется только парус

Рисунок А.3 - Верхний мираж и парусник

                                      Приложение В – Двойные  миражи

Рисунок В.1 - Нижний мираж и мираж корабля

Рисунок В.2 - 20 апреля 1999 года обычный фрахтовщик практиковался в водах юго-западного архипелага Финляндии. Судно принимало множество различных форм; иногда казалось было 2 корабля, один из которых был вверх дном

Приложение С – Боковые миражи

Рисунок С.1 – Боковые миражи

Рисунок С.2 – Боковые миражи

Приложение Д - Сверхдальние миражи

Рисунок Д.1 – Фата - Моргана

Рисунок Д.2 – Мираж в пустыне

Рисунок Д.3 – Город – мираж

Рисунок Д.4 – Мираж? Мираж!