Самые необычные явления природы. Дополнительный материал для уроков физики.

Древний человек уважал и почитал природу, как божество. Не мудрено, ведь примитивный мозг часто был не в состоянии объяснить некоторые природные явления и воспринимал их как чудо. Человек и природа нераздельны. Порой случаются такие необъяснимые явления, над которыми ломали головы великие ученные, некоторые из этих явлений наводили ужас, им приписывали легенды. Но сегодня все изменилось. Наука шагнула далеко вперед и может объяснить с научной точки почти все явления в природе.

Венесуэльский муниципалитет Кататумбо (департамент Северный Сантандер), провозгласил свою территорию «Мировой столицей молний». Местные власти сделали это объявление вслед за тем, как Книга рекордов Гиннеса сообщила, что в регионе Кататумбо зафиксирована самая высокая в мире концентрация атмосферных электрических разрядов – 250 в год на каждый квадратный километр.

Учёные подсчитали, что в долине реки Кататумбо, которая впадает в озеро Маракайбо, число молний за год превышает миллион. Прежде моряки называли этот поразительный природный феномен маяком Кататумбо, поскольку непрерывные разряды молний видны на расстоянии до 400 километров. Объясняют столь невероятное количество молний уникальным сочетанием природных факторов. Расположенная рядом с озером Маракайбо горная гряда Анд высотой до 5 километров блокирует ветра и благодаря этому обильные испарения с поверхности озера формируют огромные облака, вытянутые вверх. Из-за почти беспрерывных разрядов молний на протяжении 140-160 ночей в год Кататумбо называют природной фабрикой озона: мириады электрических разрядов выбрасывают в атмосферу до 10% совокупного объёма трёхатомного кислорода Земли.

Северное или полярное сияние

«Открылась бездна, звезд полна; Звездам числа нет, бездне – дна».  Не всякий из тех, кто слышал и цитировал эти строчки Михаила Васильевича Ломоносова, знает, что стихотворение, из которого они взяты, полностью называется так: «Вечернее размышление о божием величестве при случае великого северного сияния».

В ломоносовские времена наука еще не могла ответить на вопрос, что есть северное сияние. Теперь отвечает. Полярное сияние – это свечение верхнего слоя атмосферы Земли. Почему вдруг атмосфера начинает светиться? От взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра. Из солнечной короны в окружающее пространство истекает поток гелиево-водородной плазмы – так называемый солнечный ветер. Магнитное поле Земли притягивает эту плазму. При столкновении частиц плазмы с атмосферой, происходит возбуждение атомов и молекул газов, из которых она состоит. Излучение возбужденных  атомов и наблюдается, как полярное сияние. Ученые выяснили, что фиолетовый цвет дает возбужденный азот, красный и зеленый – кислород атмосферы. А недавно подтвердили, что Северное сияние обладает ещё и звуковым эффектом. Учёные из университета Аалто (Хельсинки) сумели не только услышать, но и записать его «голос». Звуки, возникающие одновременно со «всполохами», фиксировались как в многочисленных сказках и легендах северных народов, так и в рассказах отдельных лиц. Однако получить научное доказательство этого акустического эффекта физики впервые попытались лишь в 2000-х годах. Хельсинкские специалисты проанализировали исследовательские записи последних 12 лет, а также поставили свой эксперимент, установив поблизости от приёмника электромагнитного излучения три отдельных микрофона, один из которых был снабжён отражателем. Сравнив результаты записи из трёх точек, учёные определили расположение источника звука.

Гало (круг, диск или ореол  в переводе с греческого)  — так называется группа оптических явлений в атмосфере, которые возникают вследствие преломления и отражения света ледяными кристаллами, образующими перистые облака и туманы.

Явления Гало весьма разнообразны: они имеют вид радужных (при преломлении) и белых (при отражении) полос, пятен, дуг и кругов на небесном своде. При наблюдении гало необходимо закрывать солнце каким-либо предметом или хотя бы рукой, чтобы не испортить глаза (в большинстве случаев при фотосъёмке также целесообразно закрывать солнце). Желательно надеть и  тёмные очки, поскольку отдельные элементы гало бывают ослепительно яркими.

Существуют даже приметы связанные с Гало: вокруг Солнца или Луны видно гало (признак ухудшения погоды); зимой - белые венцы большого диаметра вокруг Солнца или Луны означают, что морозная погода сохранится; кольцо вокруг Луны - к ветру (ухудшение погоды).

Миражи 

Древние египтяне верили, что мираж - это образ того, чего больше нет на нашем свете, чего-то существовавшего прежде, но исчезнувшего с лица земли. «Хозяйкой» миражей по легендам является Фата 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. Сложные явления миража с резким искажением вида предметов даже  носят название Фата-моргана.

Согласно теории Фрайзера-Маха 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 давно доказано, но утверждать, что именно он является причиной возникновения фатаморган, рано.

До сих пор несмотря на свою распространенность, миражи вызывают почти мистическое чувство удивления. Всем нам хорошо известна причина появления большинства из них - перегретый воздух меняет оптические свойства, вызывая световые неоднородности. Вместе с тем, о миражах известно все и одновременно ничего! Тысячи людей наблюдали в небе буквально висящие города и даже целые армии, самыми красочными миражами в истории описываются образы Палестины, увиденные крестоносцами. Но у ученых нет четкого объяснения этому природному феномену:  изучать миражи крайне сложно, по заказу исследователей они не появляются.

Интересно, что самые яркие и четкие видения возникают не в пустыне, как обычно думают, а в условиях экстремального холода — на Аляске.

Зеленый луч

“Наблюдали ли вы когда-нибудь Солнце, заходящее за горизонт моря? Да, без сомнения. Проследили ли вы за ним до момента, когда верхний край диска соприкасается с линией горизонта и затем исчезает? Вероятно, да. Но заметили ли вы явление, происходящее в то мгновение, когда лучезарное светило бросает последний свой луч, если при этом небо свободно от облаков и совершенно прозрачно? Быть может, нет. Не упустите случая сделать подобное наблюдение: в ваш глаз ударит не красный луч, а зеленый, дивного зеленого цвета, такого, какого ни один художник не может получить на своей палитре и какого не воспроизводит сама природа ни в разнообразных оттенках растительности, ни в цвете самого прозрачного моря”.

Подобная заметка в одной английской газете привела в восторженное состояние молодую героиню романа Жюля Верна “Зеленый луч” и побудила ее предпринять ряд путешествий с единственной целью — собственными глазами увидеть зеленый луч. Юной шотландке не удалось наблюдать это красивое явление природы. Но оно все же существует. Зелёный луч  - оптический эффект, продолжается от 1-2 секунд до 5 минут,  проявляется как вспышка зеленого, реже синего света в момент исчезновения солнечного диска за горизонтом (чаще морским).

Для его наблюдения необходимы три условия: открытый горизонт (в степи или на море в отсутствие волнения), чистый воздух и свободная от облаков сторона горизонта, где происходит заход или восход Солнца.

Обычная продолжительность зеленого луча лишь несколько секунд, но можно увеличить время его наблюдения, если при его появлении быстро взбегать по насыпи или переходить с одной палубы судна на другую с такой скоростью, чтобы сохранить положение глаза относительно зеленого луча. Во время одной из экспедиций к Южному полюсу американский летчик и исследователь Р. Бэрд наблюдал зеленый луч в течение 35 минут! Это произошло в конце полярной ночи, когда край солнечного диска в первый раз появился над горизонтом и передвигался вдоль него.

Всех видевших зеленый луч поражает его необыкновенный изумрудный тон. Возможно, что необычайная чистота зеленого тона и натолкнула специалиста по голографии и лазерам Вильяма Кона на мысль искать объяснение зеленого луча в излучении возбужденных атомов кислорода при переходе их из метастабильного состояния в нормальное, сопровождающемся излучением зеленого света с длиной волны 0,5585 мкм. Однако механизм возникновения такого природного лазера пока еще до конца не раскрыт. 

Замерзшее цунами, так в последнее время называют, поистине, красочные изваяния изо льда в Антарктике. Здесь царит суровый климат: сильный ветер, со скоростью до 200 км/час, снежные бури и туманы. Кажется, будто громадная волна, застыла в безмолвии и за секунду превратилась в огромную ледяную статую, которую изобразил великий скульптор. А на деле, великим художником является ее величество природа. При помощи солнца, воды и арктического мороза, эти глыбы приобретают причудливый вид из чистейшего льда голубого цвета.

Как-то в 2011 году жители канадской провинции Манитоба услышали звук, похожий на шум приближающегося поезда, через несколько минут лед заполнил их дома. Это ледяные волны вышли на берег, словно замедленное замерзшее цунами, пройдя по лужайкам и достигнув прибрежных домов, вынудив жителей в панике покинуть свои дома. Слой льда покрыл 16 км береговой линии и достиг 9-ти метровой высоты, повредив двери и окна домов.

Похожее событие  довелось пережить и жителям Минесотты США. Ледяное цунами тогда, по мнению специалистов, вызвал сильный ветер, который достигал скорости 60 км в час, и поднялся с южного побережья озера Милле Лакс – второго самого большого озера штата Миннесота.

Поющие пески.

Недалеко от Алма-Аты, на правом берегу реки Или расположен знаменитый Поющий бархан. Бархан поет, когда песок начинает осыпаться. При сильном ветре, холм издает звуки, напоминающие звучание органа. Причем звуки то усиливаются, то ослабевают, бывают похожими на рев самолета.

Самое интересное, что когда этот песок доставляли в лабораторию для исследований, то он замолкал. Когда песок помещали в плотно закрытый герметический сосуд, он снова начинал звучание. Заинтересовавшись этим звучанием группа исследователей отправилась на берег реки Или. По прибытию выяснилось, что пески поют не каждый день. И тогда исследователи предприняли попытку искусственным путем вызвать лавину песка. Как только это произошло, бархан заревел с такой силой, что участников экспедиции охватил ужас и они почувствовали страх. У некоторых появились сильные боли в области желудка, сильно кружилась голова, путались мысли. Что послужило причиной такого пугающего воздействия на психику человека, можно только догадаться.

Причину, воздействия на человека, нашли биологи. Они установили, что инфразвук большей интенсивности порождает чувство беспричинного страха и в спектре звуков поющего бархана, кроме слышимых звуков есть неслышимые. Ученые установили, что пески звучат только при определенных условиях. Только чистый кварцевый песок, с диаметром зерен 0.5 мм способен издавать подобные звуки. В сырую погоду пески молчат.

Можно попытаться объяснить гул песков, который своим звучанием напоминает реактивный самолет. Не очень глубоко, в бархане, обязательно найдется слой уплотненного песка повышенной влажности. В дождливую погоду, а также ранней весной и поздней осенью, такие слои смыкаются с поверхностным влажным слоем и поэтому бархан молчит. Когда жарко, самый верхний слой песка высыхает, следующий слой, образовывавшийся вследствие конденсата влаги из воздуха, находится под ним, залегая на большую глубину, а следом под влажным слоем снова находится сухой слой песка. Когда песчаная лавина начинает свое движение, сухие слои обгоняют влажные. Так образуется волнистая песчаная ребристость из песка. На слои влажного песка толчками передается волнистость и он начинает вибрационные колебания производить, издавая при этом характерный гул.

Вечная мерзлота.

На карте земли немало мест, где имеются участки вечной мерзлоты. Это неудивительно для жителей Сибири. В Игарке, например, имеется музей-станция вечной мерзлоты. Разглядеть вечную мерзлоту в ее неподдельном разрезе — изнутри можно, если опуститься глубоко под землю в специализированную шахту. Вы увидите как в пластах бурой породы земли, на сотни метров протянулся ископаемый лед, словно ледяные прожилки. Со всего мира здесь собраны экспонаты живой природы. Этот музей, создан для того, чтобы сохранить для наших потомков то, что им будет интересно через сто и тысячу лет.

На Северном Кавказе, недалеко от Железноводска, высится гора «Спящий лев», внешне напоминающая спящего льва. На участке северного склона растут карликовые березы, на почве, покрытой мхом и лишайником, можно встретить ягоды брусники и морошки. На глубине всего в семидесяти сантиметрах, можно обнаружить большие куски льда. Если приблизиться к расщелине — вы почувствуете дуновение холода, идущее из недр земли. Казалось бы, как на Кавказе может находиться вечная мерзлота? Имеется два предположения.

Во-первых, горная сторона горы «Спящий лев»образовалась в результате извержения магмы из недр земли. Магматическая порода является плохим проводником тепла, а вода попадая в расщелины горы атмосферными осадками, замерзая зимой, не успевает оттаивать в летний период. Так, по всей видимости, и возник естественный холодильник.
Во-вторых, из-за повышенного процентного содержания углекислого газа на участке вечной мерзлоты, предполагается, что в середине горы находится большое скопление, которое, постепенно испаряясь, выходит наружу, сильно охлаждая почву и замораживая грунтовые воды.