các hiện tượng quang học trong khí quyển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC TRONG KHÍ QUYỂN Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ths.GVC Hoàng Xuân Dinh Lê Thị Nhã Trúc Mã số SV: 1110261 Lớp: SP Vật Lý – Tin Học Khóa: 37 Cần Thơ, năm 2014 LỜI CẢM ƠN  Trong suốt trình học tập hoàn thành luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô, anh chị, bạn Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Thầy Hoàng Xuân Dinh tận tình hướng dẫn suốt trình nghiên cứu thực đề tài Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô môn Sư phạm Vật lý, thầy cô trường đại học Cần Thơ, trang bị cho kiến thức kinh nghiệm quý giá trình học tập trường Cảm ơn tất bạn nhiệt tình giúp đỡ hoàn thành đề tài Mặc dù có nhiều cố gắng khó tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Rất mong góp ý quý thầy cô bạn Cuối cùng, xin kính chúc quý thầy cô dồi sức khỏe để thực tốt nghiệp trồng người cao quý mà Đảng Nhà nước giao phó Xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC Phần MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích chọn đề tài Giới hạn đề tài .1 Phương pháp phương tiện thực Các bước thực Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Hiện tượng phản xạ ánh sáng 1.2 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng 1.3 Hiện tượng tán xạ ánh sáng .3 1.3.1 Hiện tượng tán xạ ánh sáng 1.3.2 Sự tán xạ khí 1.4 Sự tán sắc bước sóng ánh sáng 1.4.1 Hiện tượng tán sắc ánh sáng .7 1.4.2 Bước sóng màu sắc ánh sáng 13 1.5 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 13 1.5.1 Thí nghiệm .13 1.5.2 Nguyên lý Huygens – Fresnel .16 1.6 Hiện tượng phân cực ánh sáng .17 1.6.1 Thí nghiệm .17 1.6.2 Định lý Malus .18 1.6.3 Ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực 19 1.6.4 Biểu diễn ánh sáng tự nhiên ánh sáng phân cực 19 1.7 Hiện tượng giao thoa ánh sáng 21 1.7.1 Điều kiện tượng giao thoa 21 1.7.2 Hiện tượng giao thoa hai chùm tia 21 1.7.3 Vị trí vân giao thoa – khoảng vân 23 1.7.4 Hiện tượng giao thoa ánh sáng trắng .25 1.7.5 Hình dạng vân giao thoa .25 1.8 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 25 1.8.1 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 25 1.8.2 Giải thích theo quan niệm cổ điển 26 1.8.3 Định luật Bouguer hấp thụ ánh sáng 26 1.8.4 Hệ số hấp thụ 26 1.8.5 Màu sắc vật 27 1.9 Tia sáng môi trường không đồng chất .27 1.9.1 Môi trường phân lớp 27 1.9.2 Sự cong tia sáng gradien chiết suất 28 1.10 Quan hệ đại lượng xạ đại lượng trắc quang 28 Chương 2: CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC TRONG KHÍ QUYỂN 30 2.1 Các tượng liên quan đến phản xạ, khúc xạ nhiễu xạ ánh sáng xảy đám mây .30 2.1.1 Cầu vồng 30 2.1.2 Hiện tượng quầng 34 2.1.3 Hiện tượng tán 36 2.1.4 Mây ngũ sắc 37 i 2.1.4 Mặt trời giả 38 2.2 Các tượng liên quan đến khúc xạ, phản xạ ánh sáng khí 39 2.2.1 Hiện tượng khúc xạ thiên văn 39 2.2.2 Hiện tượng khúc xạ trái đất 40 2.3 Các tượng liên quan đến tán xạ (hay khuếch tán), hấp thụ ánh sáng khí .45 2.3.1 Độ chói sáng màu sắc bầu trời 45 2.3.2 Hiện tượng hoàng hôn bình minh 47 2.3.3 Hiện tượng ráng 48 2.3.4 Ánh sáng bầu trời ban đêm 49 2.3.5 Hiệu ứng nhà kính 50 2.4 Các tượng liên quan tới cảm giác sáng mắt độ suốt khí 51 2.4.1 Dạng dẹt biểu kiến bầu trời .51 2.4.2 Sự tương phản chói vật phông Độ tinh mắt 52 2.5 Khái niệm tầm nhìn xa sỡ lý thuyết tầm nhìn xa .54 2.5.1 Khái niệm tầm nhìn xa 54 2.5.2 Tầm nhìn xa ban đêm 54 2.5.3 Tầm nhìn xa mây, sương mù mưa 55 2.6 Hiện tượng phân cực ánh sáng khí .56 Phần KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ii Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Phần MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong Vật lý học, Quang học xem lĩnh vực thú vị bổ ích, bổ sung cho người học kiến thức ứng dụng rộng rãi để giải thích nhiều tượng sống Tuy nhiên, tiếp cận với lĩnh vực ta tập trung nhiều vào lý thuyết, vào tượng quang học bình thường xảy mặt đất, mà vận dụng lý thuyết để giải thích tượng quang học xảy khí Nhưng khí quyển, tượng quang học lại xảy theo hướng khác, không giống học Chính lý định chọn đề tài “Các tượng quang học khí quyển” nhằm bổ sung cho thêm kiến thức thực tiễn, đồng thời giúp ích phần cho công tác giảng dạy sau Từ thời ngàn xưa tượng vật lý đối tượng hấp dẫn, đồng thời gây thắc mắc cho người Đã có lần ta ngước nhìn lên bầu trời tự hỏi: Tại bầu trời ban ngày có màu xanh? Có đằng sau trời đầy lấp lánh? Đề tài “Các tượng quang học khí quyển” giúp ta hiểu thêm phần vấn đền MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Mục đích nghiên cứu đề tài để tìm hiểu tượng liên quan đến phản xạ, khúc xạ nhiễu xạ ánh sáng xảy đám mây, tượng liên quan đến khúc xạ, tán xạ (khuếch tán) ánh sáng khí Đồng thời tìm hiểu tượng liên quan tới cảm giác sáng mắt độ suốt khí quyển, tượng phân cực ánh sáng khí tầm nhìn xa GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Trong trình nghiên cứu tượng quang học khí tôi, chủ yếu nghiên cứu tượng sách vở, tìm hiểu thông qua báo chí, internet, chưa sâu vào thực nghiệm để nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN Để thực đề tài này, hoàn thành phần nghiên cứu với phương pháp sau: - Tìm tài liệu có liên quan đến đề tài, đọc, phân tích, tổng hợp lý thuyết - Lựa chọn vấn đề bản, xếp chúng cho phù hợp với nội dung đề tài Phương tiện thực thông qua tài liệu tham khảo: Sách, giảng, giáo trình quang học, luận văn tốt nghiệp đại học, tài liệu từ internet CÁC BƯỚC THỰC HIỆN Bước 1: Nhận đề tài Bước 2: Thu thập tài liệu viết đề cương Bước 3: Phân tích, tổng hợp tài liệu, tiến hành viết luận văn Bước 4: Nộp luận văn cho giáo viên hướng dẫn luận văn Bước 5: Chỉnh sửa luận văn Bước 6: Báo cáo luận văn GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ ÁNH SÁNG * Định nghĩa phản xạ: Hiện tượng phản xạ ánh sáng tượng tia sáng chiếu xiên góc đến mặt phản xạ tia sáng bị đổi phương truyền trở lại môi trường cũ (Hình 1.1) * Định luật phản xạ:  Tia phản xạ nằm mặt phẳng với tia tới bên pháp tuyến so với tia tới  Góc phản xạ góc tới(i = i’) Hình 1.1: Sự phản xạ ánh sáng 1.2 HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ ÁNH SÁNG * Định nghĩa khúc xạ: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng tượng tia sáng bị đổi phương đột ngột qua mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác (Hình 1.2) * Định luật khúc xạ: Tia khúc xạ IK nằm mặt phẳng tới bên pháp tuyến so với tia tới Đối với cặp môi trường suốt định , tỉ số sin góc tới (sini) với sin góc khúc xạ (sinr) luôn số không đổi, số không đổi phụ thuộc vào chất hai môi trường gọi chiết suất tỉ đối môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) môi trường chứa tia tới (môi trường 1), ký hiệu n21.[6] Hình 1.2: Sự khúc xạ ánh sáng n sin i  n12  sin r n2 n sin r  n 21   n 21  sin i n1 n12 (1.1) Nếu có môi trường chân không môi trường gọi chiết suất tuyệt đối môi trường lại * Điều kiện để có tượng phản xạ toàn phần :  Khi i tăng r tăng theo thỏa mãn sini < sinr i = io r = Lúc ta có tượng phản xạ toàn phần Vậy điều kiện để có tượng phản xạ toàn phần:  Ánh sáng phải truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất bé GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí  Góc tới i  io , io góc giới hạn xác định sin io  n1 [2] n2 1.3 HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ ÁNH SÁNG 1.3.1 Hiện tượng tán xạ ánh sáng Chúng ta thường giả thuyết ánh sáng truyền môi trường đồng tính Nhưng thực tế môi trường hoàn toàn đồng tính, mà xuất độ chênh lệch mật độ, nhiệt độ chuyển động nhiệt nguyên tử, phân tử cấu tạo nên môi trường Khi chiếu chùm ánh sáng qua môi trường suốt, ta nhìn thấy ánh sáng theo phương truyền chùm tia mà nhìn thấy ánh sáng theo phương khác Đó tượng tán xạ ánh sáng Tuy nhiên, số trường hợp ta không nhìn thấy ánh sáng theo phương khác Điều kiện để có tượng tán xạ ánh sáng: Chiếu chùm tia sáng song song theo phương (  ) qua môi trường suốt, đồng tính đẳng hướng (Hình 1.3)  A    H A’ D Hình 1.3: Chùm sáng song song   qua môi trường suốt Xét mặt sóng phẳng  , theo nguyên lý Huygens: A, A’ tâm phát sóng có tần số, biên độ, pha Xét theo phương D, hai sóng có hiệu quang trình là: (1.2)   AH  AA' sin  Ta chọn AA’ cho:    AA'.sin   (2k  1) (1.3) Khi theo phương D hai sóng triệt tiêu Như mặt sóng  , ta chọn A’ để chúng triệt tiêu Như theo phương D không xảy tán xạ ánh sáng Khi phương (D) trùng với phương (  ) sóng thứ cấp từ điểm mặt sóng  tăng cường lẫn Vậy môi trường suốt, đồng tính đẳng hướng không tán xạ ánh sáng Ngược lại, môi trường không đồng tính mặt sóng  không mặt phẳng hiệu số pha không xác định theo phương D hai sóng không bị triệt tiêu nghĩa có phần ánh sáng truyền theo phương Như vậy, môi trường không đồng tính môi trường tán xạ Môi trường không đồng tính nhiều nguyên nhân Sau đây, ta xét số trường hợp 1.3.1.1 Tán xạ môi trường mờ đục tượng Tinda Môi trường chứa hạt nhỏ lơ lửng như: khói (hạt than không khí), sương mù (những hạt nước nhỏ lơ lửng không khí),… gọi môi trường mờ đục GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Chiếu chùm tia sáng song song qua ống thủy tinh đựng nước tinh khiết (Hình 1.4) Hình 1.4: Hiện tượng tán xạ ánh sáng môi trường mờ đục Nếu ta quan sát theo phương OA (phương chùm tia tới), ta thấy ánh sáng Nếu ta quan sát theo phương OB (vuông góc với phương ánh sáng tới), ta không nhìn thấy chùm tia sáng ống Nước tinh khiết môi trường đồng tính quang học nên không tán xạ ánh sáng Bây ta nhỏ vài giọt sữa vào ống lắc Nhìn ống theo phương OB, ta nhìn thấy ánh sáng ống Vậy chất lỏng ống môi trường vẩn đục, tán xạ ánh sáng qua Hiện tượng tán xạ ánh sáng Tinda nghiên cứu thực nghiệm Rayleigh nghiên cứu lý thuyết Cả hai ông rút quy luật mô tả định luật sau: * Cường độ ánh sáng tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn bước sóng: IK IO 4 (1.4) Trong đó: + Io : cường độ chùm ánh sáng tới + I : cường độ chùm ánh sáng tán xạ + K: hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào nồng độ kích thước hạt Nếu chùm tia tới ánh sáng trắng xạ màu tím tán xạ mạnh xạ màu đỏ Ánh sáng tán xạ bước sóng   0,45m (tím) mạnh gấp lần so với ánh sáng có bước sóng   0,7 m (đỏ) * Ánh sáng tán xạ làm với phương truyền góc    90 o ánh sáng phân cực phần, theo phương vuông góc với phương truyền   90 o  ánh sáng bị phân cực hoàn toàn * Nếu ánh sáng tới ánh sáng tự nhiên phân bố cường độ ánh sáng tán xạ theo phương  có giá trị:     I    I  1  cos   với I   cường độ ánh sáng tán xạ theo phương vuông góc với 2 2 phương truyền Giới hạn: Áp dụng hạt tán xạ có kích thước nhỏ khoảng 1    10 hạt tròn đẳng hướng Nếu hạt to, định luật sai lệch nhiều [2] 1.3.1.2 Sự tán xạ phân tử Nếu môi trường hoàn toàn đồng tính mặt quang học tượng tán xạ ánh sáng Nhưng thực tế dù khử hết bụi không cho hạt có chiết suất khác GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí lẫn vào (môi trường hoàn toàn đồng tính), ta thấy có tượng tán xạ ánh sáng lượng ánh sáng tán xạ nhỏ so với lượng tới Thực nghiệm cho ta kết sau: - Không khí tán xạ phần nhỏ 2,7.10-7 lượng ánh sáng tới - Hidro tán xạ không khí bốn lần - Nước tán xạ gấp 185 lần so với không khí - Thạch anh tinh thể thật tinh khiết tán xạ gấp lần so với không khí Để giải thích tượng này, ta giả sử môi trường suốt không hoàn toàn đồng tính hạt tán xạ ánh sáng phân tử môi trường nên tán xạ gọi tán xạ phân tử Nguyên nhân môi trường không đồng tính: Những thăng giáng có tính chất thống kê phân bố phân tử môi trường Ta xét đơn vị thể tích môi trường chứa N phân tử N giá trị trung bình tính cho thể tích lớn Trong đơn vị thể tích nhỏ dV, xét N phân tử ta thấy có thăng giáng N chuyển động nhiệt hỗn loạn phân tử gây ra, chiết suất môi trường tính theo công thức: n2   4 Ne m  o   2 g 2  m (1.5) Trong đó: + m: khối lượng electron +  o : tần số riêng electron +  : tần số electron + g: hệ số phụ thuộc vào chất môi trường + n: chiết suất môi trường Như vậy, thăng giáng N làm cho chiết suất môi trường chịu thăng giáng n Do đó, môi trường không đồng tính [2] 1.3.2 Sự tán xạ khí Tán xạ nhân tố quan trọng làm suy giảm xạ khí Tán xạ xảy trường hợp môi trường mà tia xạ qua bất đồng mặt quang học Đó môi trường có phần tử ngoại lai với tính chất khác với tính chất môi trường xung quanh Trái Đất nhận lượng xạ chủ yếu từ Mặt Trời Năng lượng đến Trái Đất từ thiên thể khác vũ trụ không đáng kể Như vậy, tán xạ Mặt Trời nguồn xạ tán tới mặt đất từ điểm vòm trời Sau xét kỹ tán xạ trường hợp phần tử tán xạ có kích thước nhỏ bước sóng tới ngược lại 1.3.2.1 Định luật Rayleigh (Rơ lei) tán xạ phân tử Lý thuyết tán xạ phân tử Rayleigh xây dựng với giả thuyết sau:  Kích thước phần tử tán xạ nhỏ nhiều so với bước sóng ánh sáng tới  Các phần tử tán xạ có đối xứng cầu tính chất quang học  Các phần tử tán xạ môi trường không dẫn điện điện tích tự GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí  Hằng số điện môi  phần tử xấp xỉ số điện môi môi trường  o  Các phần tử tán xạ ánh sáng không phụ thuộc Chúng cách xa khoảng lớn bước sóng Với giả thuyết trên, hệ số tán xạ đơn sắc theo hướng  có dạng:  n  1     cos   (1.6) 2 N Trong đó: + n: chiết suất không khí khô +  : góc tạo hướng tán xạ(đang xét) hướng tới R S + N: số phân tử đơn vị thể tích Để tính hệ số tán xạ đơn sắc thể tích  R , ta tiến hành tích phân  R theo tất hướng toàn không gian:  (n  1)   2 N R   2   d  1  cos  sin d 0  2 8 n  32 n  1  (1.7) 34 N 34 N {Trong hệ thức n  ta coi n2 -  2.(n-1)=2 2N  }  R  Từ (1.6) (1.7) ta có:  R  H   R   với hàm H     cos  gọi hàm 4   thị tán xạ Rayleigh Hình 1.5: Chỉ đồ tán xạ phân tử Rayleigh Từ lý thuyết Rayleigh ta có số kết luận sau:  Do hệ số tán xạ tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn bước sóng nên qua khí quyển, dòng trực xạ bị tán xạ mạnh tia xạ sóng ngắn, đặc biệt tia tím xanh  Hệ số tán xạ theo hướng  R phụ thuộc hướng (Hình 1.5) Theo hướng ánh sáng tới (   o ) hướng ngược lại (   180 o ), giá trị tán xạ gấp hai lần giá trị theo hướng vuông góc với ánh sáng tới   90 o và  270 o   Tán xạ tỉ lệ thuận với mật độ phần tử tán xạ (số phần tử đơn vị thể tích) [1] 1.3.2.2 Lý thuyết Mie(Mi) tán xạ hạt lớn Mie xét hạt tán xạ hình cầu bán kính r, thân chúng môi trường cách điện có chiết suất tương ứng n no Những hạt lớn thường gặp khí hạt bụi hạt nước nhỏ Hệ số tán xạ Mie:  M  r K n,   (1.8) GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí  Khi trời khô hanh, độ ẩm không khí thấp hạt nước có kích thước nhỏ tụ hợp lại thành đám mây hấp thụ lượng tia sáng mà tán xạ tất màu quang phổ, làm cho mây tuyết có màu trắng  Khi độ ẩm không khí tăng cao, hạt nước trở thành nhiều tụ hợp thành nhiều giọt lớn Phần ánh sáng màu có bước sóng dài bị tán xạ mạnh Cho nên bầu trời có nhiều tia màu đỏ, cam, vàng, lục pha trộn tia khiến cho bầu trời trở thành xám xịt  Lúc mây dày đặc giọt nước lớn hấp thụ hầu hết tia sáng Mặt Trời chuyển thành màu đen Đó lúc có mưa dông [3] 2.3.2 Hiện tượng hoàng hôn bình minh Hiện tượng bầu trời chiếu sáng mặt đất thừa hưởng ánh sáng từ bầu trời sau Mặt Trời lặn xuống đường chân trời Đó tượng hoàng hôn Khi Mặt Trời lặn xuống sâu đường chân trời tia sáng truyền đến vị trí người quan sát yếu, ánh sáng hoàng hôn yếu dần Mặt Trời lặn sâu đường chân trời góc ho = -18o ánh sáng hoàng hôn nhường chỗ cho đêm tối Hiện tượng hoàng hôn xảy vào lúc giao thời chuyển từ ban ngày sang ban đêm (Hình 2.24.b) Hiện tượng tương tự xảy vào lúc giao thời chuyển từ đêm sang ngày Đó tượng bình minh (Hình 2.24.a) Giải thích: Hình 2.24.a: Cảnh bình minh Hình 2.24.b: Cảnh hoàng hôn Hình 2.25: Sơ đồ giải thích tượng hoàng hôn M vị trí người quan sát mặt đất vào thời điểm hoàng hôn Đường thẳng HH’ tiếp tuyến với bề mặt trái đất điểm M biểu thị đường chân trời (Hình 2.25) GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 47 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Sau Mặt Trời lặn xuống đường chân trời vị trí S, theo nguyên lý truyền thẳng ánh sáng phần B bầu trời nằm bên trái tia sáng tiếp tuyến với mặt đất ST không mặt trời chiếu sáng trực tiếp Các tia sáng Mặt Trời chiếu trực tiếp lên phần A bầu trời bị khuếch tán theo hướng Do ánh sáng lan tràn sang vùng phần B bầu trời, điểm M nằm mặt đất nhận ánh sáng khuếch tán từ phần A phần B bầu trời chiếu đến Độ rọi M mặt đất phụ thuộc vào khoảng cách M tia sáng ST Khi Mặt Trời lặng xuống sâu đường chân trời tia sáng ST lùi xa điểm M Do ánh sáng khuếch tán tới M yếu đi, ánh sáng hoàng hôn yếu dần, lúc Mặt Trời nằm sâu đường chân trời góc ho = -18o ánh sáng hoàng hôn nhường chổ cho đêm tối Đó thời điểm kết thúc giai đoạn hoàng hôn thiên văn, lúc bầu trời xuất yếu ớt Trong giai đoạn đầu hoàng hôn, từ lúc Mặt Trời lặn lúc Mặt Trời nằm sâu đường chân trời góc ho = -7o, ánh sáng hoàng hôn tốt, đọc sách trời mà không cần thấp sáng Giai đoạn người ta gọi giai đoạn hoàng hôn thường hay hoàng hôn dân dụng Tóm lại, ánh sáng hoàng hôn ánh sáng khuếch tán từ bầu trời tới bề mặt trái đất sau Mặt Trời lặn xuống đường chân trời Nguyên nhân tạo thành ánh sáng bình vậy, khác bình minh lại xảy vào lúc sáng sớm, Mặt Trời chưa ló lên khỏi đường chân trời Điều kiện để hoàng hôn nối tiếp với bình minh nơi mặt đất: Vào lúc nửa đêm Mặt Trời chân trời góc ho  18 o điều kiện tạo thành đêm trắng vào lúc nửa đêm Mặt Trời chân trời góc ho  o Góc lặn sâu Mặt Trời vào lúc đêm nơi phụ thuộc vào vĩ độ địa lý xích vĩ  : ho      90 o (2.19) Ví dụ: Vào buổi trưa ngày hạ chí 22/6 bán cầu Bắc, Mặt Trời có độ cao lớn năm Trong ngày độ xích vĩ có trị số   23 o 27' : - Thay   23 o 27' homin = -7o vào phương trình(2.19) miền xảy đêm trắng miền nằm từ vĩ độ   59 o 33' trở lên - Thay   23 o 27' homin = 18o vào phương trình (2.19) miền có hoàng hôn suốt đêm miền nằm từ vĩ độ   48 o 33' trở lên [1] 2.3.3 Hiện tượng ráng Hình 2.26: Hiện tượng ráng GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 48 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Vào lúc hoàng hôn, quan sát phía chân trời có Mặt Trời lặn, ta thường thấy trời có dải vệt sáng màu da cam hay màu đỏ Hiện tượng gọi ráng (Hình 2.26) Trình tự tiến triển tượng ráng sau: Khi mặt trời gần lặn xuống tới đường chân trời có màu vàng màu đỏ Lúc ấy, phần bầu trời xung quanh Mặt Trời bên phía chân trời đối diện ửng hồng lên Các đám mây bên bầu trời tô màu lên: mây tầng thấp có màu đỏ, mây tầng trung bình có màu vàng, mây tầng cao có màu trắng Khi Mặt Trời tiến sát đường chân trời đỏ Vào thời điểm Mặt Trời lặn, đường chân trời lại đốm vàng đỏ trời tỏa hai phía điểm Mặt Trời lặn xuất vệt sáng, dải sáng màu vàng đỏ Các dải, vệt sáng người ta gọi ráng Từ lâu người ta nhận thấy liên quan tượng ráng với điều kiện thời tiết khí quyển, đặc biệt với độ vẩn đục khí Màu đỏ ráng thường liên quan đến có mặt tro, bụi, khói khí Đó sản phẩm cháy rừng núi lửa cung cấp bụi gió mạnh đưa lên cao Giải thích: Khi Mặt Trời lặn xuống đường chân trời, tia sáng chiếu lên bầu trời phải xuyên qua lớp khí dày (Hình 2.26) Do đó, tia có bước sóng ngắn như: tím, xanh lam, xanh lục bị suy yếu (do khuếch tán) nhiều Trong thành phần tia tiếp lại nhiều tia màu vàng, da cam đỏ Những tia gặp lớp tro bụi sản phẩm ngưng kết khí bị phản xạ khuếch tán, ánh sáng phản xạ khuếch tán làm cho phần bầu trời phía Mặt Trời lặn có màu vàng, da cam đỏ tùy theo chất hạt khuếch tán dọc đường truyền mà tia qua Chính màu sắc liên quan đến điều kiện thời tiết vùng cách nơi quan sát không xa lắm, nhân gian tồn câu tục ngữ dự đoán thời tiết sau: “vàng gió, đỏ mưa”, “ráng mỡ gà, có nhà phải chống” [1] 2.3.4 Ánh sáng bầu trời ban đêm Trong đêm không trăng, bầu trời không hoàn toàn tối hẳn mặt đất cung cấp lượng ánh sáng ỏi từ vòm trời chiếu xuống (Hình 2.27) Độ rọi mặt đất đêm tối không trăng 10-4 đến 5.10-5 lux, ánh sáng từ chiếm 20 – 30%, đại phận ánh sáng phát từ vòm trời Độ rọi mặt đất đêm trăng tròn vào khoảng 0,2lux, tức gấp khoảng 1000 lần đêm không trăng Độ chói bầu trời đêm không trăng nhỏ vào khoảng 10-12 nit Hình 2.27: Bầu trời ban đêm Ánh sáng từ vòm trời chiếu xuống mặt đất gồm hai phần: GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 49 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí + Ánh sáng khuếch tán nhiều lần tia Mặt Trời từ bán cầu bên truyền tới + Bản thân khí tự phát sáng tầng cao, có liên quan với trình hóa lý tầng cao [1] 2.3.5 Hiệu ứng nhà kính Hằng ngày, Mặt Trời truyền xuống Trái Đất qua hình thức xạ nhiệt lượng lượng khổng lồ (Hình 2.28) Hình 2.28: Hiện tượng hiệu ứng nhà kính Sự suy yếu xạ khí hấp thụ khuếch tán không khí Khí hấp thụ tương đối xạ Mặt Trời Trung bình độ hấp thụ khí vào khoảng 18% xạ sóng ngắn Mặt Trời khoảng 62% xạ sóng dài mặt đất phát Cho nên: + Bức xạ sóng ngắn Mặt Trời xuyên qua khí dễ dàng đốt nóng mặt đất + Bức xạ sóng dài mặt đất lớp khí thấp lại khó thoát không gian vũ trụ Do xạ phản xạ trở lại Trái Đất nhiệt độ Trái Đất cao hẳn so với trường hợp khí Tác dụng giữ ấm mặt đất khí tương tự kính bảo vệ vườn Vì tính chất khí nên người ta gọi hiệu ứng nhà kính Trong khí quyển, khí cacbonic (CO2) có vai trò quan trọng Nó vừa cho phép xạ nhiệt Mặt Trời qua khí tới sưởi ấm Trái Đất, vừa ngăn không cho xạ nhiệt Trái Đất thoát khí quyển, góp phần vào việc ổn định nhiệt độ khí Trái Đất Tuy nhiên kỷ vừa qua, người làm tăng hàm lượng khí CO2 khí lên gần gấp bội việc đốt rừng, đốt nhiên liệu, giảm diện tích trồng xanh,…Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ, lượng nhiên liệu bị đốt cháy để dùng nhà máy đời sống hàng ngày người ngày tăng nhanh làm cho hàm lượng khí CO2 khí không ngừng tăng nhanh Việc hàm lượng khí CO2 khí tăng dần đến việc làm tăng ”hiệu ứng nhà kính”: + Lượng xạ nhiệt Trái Đất thoát khí giảm + Lượng xạ nhiệt Trái Đất bị phản xạ trở lại khí lại tăng lên Kết khí Trái Đất không ngừng nóng lên, nhiệt độ trung bình khí năm qua tăng nhanh hẳn so với thập kỷ đầu kỷ trước Nhiệt độ trung bình khí tăng kéo theo thay đổi khí hậu, gây bão GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 50 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí lụt, hạn hán, tan băng đại cực…đe dọa sống người sinh vật khác Trái Đất Nhân loại cố gắng để ổn định hiệu ứng nhà kính cách làm giảm lượng khí thải việc đốt nhiên liệu vào khí cách: + Tháng năm 1992, đại diện 162 quốc gia có Việt Nam, ký kết Công ước quốc tế Hội nghị Thượng đỉnh “ Môi trường Phát triển” họp Brasil nhằm kiểm soát giảm bớt lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính Mục tiêu Công ước hạ thấp ổn định nồng độ khí cacbonic khí mức độ ngăn chặn tác động nguy hiểm hiệu ứng nhà kính người hệ sinh thái + Tháng 12 năm 1997, hội nghị lần thứ ba nước kí Công ước họp Kyoto, cố đô nước Nhật, để ký Nghị định thư quy định mức thải khí cacbonic vào khí cho nước, đặc biệt nước có công nghệ phát triển Việt Nam nước kí Nghị định thư [8] + Nghị định thư Kyoto thức có hiệu lực từ ngày 16 – 02 – 2005 Tính đến tháng 9/2011 có 191 nước ký kết tham gia chương trình, Nghị định thư Kyoto áp dụng luật định với 36 nước phát triển (liên minh Châu Âu tính một) Và họ buộc phải giảm thiểu khí thải nhà kính mà họ cam kết nghị trình [8] + Ngày 21/11/2010, khoảng 140 thị trưởng đến từ 43 quốc gia vùng lãnh thổ ký cam kết cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính, gọi Công ước Mexico City, Hội nghị thượng đỉnh biến đổi khí hậu thị trưởng (CCLIMA) diễn Mexico City, Mexico + Mỗi nước đặt mục tiêu cắt giảm tùy theo mức độ ô nhiễm riêng nước Ví dụ: Theo số liệu thống kê thức, tính đến cuối năm 2012, EU cắt giảm 18% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính Tỷ lệ sử dụng lượng tái tạo chạm mức 12,4% từ năm 2010 Ngày 22/1, Ủy ban châu Âu (EC) đề xuất kế hoạch tăng mục tiêu cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính lên 40% vào năm 2030 so với mức phát thải năm 1990, đồng thời tăng tỷ lệ sử dụng lượng tái tạo lên 27% vào năm 2030.[9] 2.4 CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN TỚI CẢM GIÁC SÁNG CỦA MẮT VÀ ĐỘ TRONG SUỐT CỦA KHÍ QUYỂN 2.4.1 Dạng dẹt biểu kiến bầu trời Khi quan sát bầu trời ta thấy nửa hình cầu, mà vòm dẹt Để đơn giản, ta coi bầu trời chỏm cầu khoảng cách thẳng đứng OZ nhỏ khoảng cách theo phương nằm ngang OH (Hình 2.29) Hình 2.29: Để xác định mối liên hệ đặc trưng dẹt bầu trời GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 51 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Độ dẹt bầu trời tình hai cách: - Tính tỉ lệ khoảng cách ngang với khoảng cách thẳng đứng OH/OZ - Tính góc  chắn cung HM, M điểm cung ZH Khi OH/OZ >  < 45o bầu trời dẹt Tuy OH OZ không đo tỉ lệ OH/OZ ước lượng Hiện tượng bầu trời dẹt ta thấy tượng “giả tạo” nguyên nhân tâm sinh lí người gây Nhìn hai vật khoảng cách, vật cao, vật phương nằm ngang, ta thấy vật thứ gần hơn, vật thứ xa Hiện tượng bầu trời dẹt làm cho người nhìn Mặt Trăng, Mặt trời gần chân trời lớn thiên đỉnh “cung nhìn” ngang lớn cung nhìn theo phương thẳng đứng Hình 2.30 minh họa rõ điều Trên hình ta chia cung tròn HZ’ thành phần nối điểm chia với O Các đường nối chia cung HZ thành phần không Hình 2.30: Để giải thích khuếch đại hình ảnh vật gần chân trời Trong điều kiện trung bình ban ngày cung nhìn ngang (cung GH) lớn gấp gần lần thật, cung nhìn thẳng đứng (cung ZE) lại già nửa thật (dẫn đến cung nhìn ngang lớn gấp khoảng 3,5 lần cung thẳng đứng) Cũng nguyên nhân mà trắc quan viên ước lượng lượng mây gần chân trời bị lớn hơn, lượng mây đỉnh trời lại nhỏ thực tế Miler tìm mối liên hệ góc  trung bình với lượng mây bảng 2.3 Lượng mây (1/10) 2-3 4-7 8-9 10  (độ) 34,0 32,6 31,5 30,6 30,2 29,9 Bảng 2.3: Quan hệ lượng mây góc  trung bình Như vậy, lượng mây lớn bầu trời dẹt Tuy nhiên người ta thấy độ cao trần mây vật chướng ngại mặt đất ảnh hưởng tới độ dẹt bầu trời Các nghiên cứu cho thấy vật chướng ngại xa, trần mây cao bầu trời cảm thấy dẹt (điều cuối trái với suy nghĩ thông thường ta) 2.4.2 Sự tương phản chói vật phông Độ tinh mắt Khi ta quan sát vật xa bên cạnh nhóm cảnh vật thiên nhiên làm phông điều kiện vật không bị nhòa vào phông chung vật phông phải có mức độ tương phản định độ chói Nếu ký hiệu độ chói vật L, độ chói phông Lf độ tương phản chói biểu thị tỉ số sau đây: GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 52 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí K L  Lf K L Lf  L L > Lf Lf > L Lf Các hệ thức chứng tỏ độ tương phản chói K luôn dương biến đổi giới hạn  K  Trị số K= ứng với hai trường hợp: L = 0, Lf = 0, trường hợp vật phông vật đen tuyệt đối Khi K=0 vật bị nhòa vào phông chung Trong trường hợp phông vật tương phản độ chói, nói cách khác độ chói phông vật ( L = Lf) Trong thực tế, K chưa đạt tới giá trị mà đạt tới giới hạn định đủ nhỏ mắt ta phân biệt vật với phông Trị số giới hạn K, mắt ta bắt đầu không phân biệt vật với phông nữa, người ta gọi ngưỡng độ nhạy tương phản mắt ký hiệu  Như ta có mối quan hệ sau: K >  mắt có khả phân biệt vật với phông K <  mắt khả phân biệt vật với phông K =  điều kiện chuyển từ trạng thái nhìn thấy vật sang trạng thái bị nhòa Điều kiện phân biệt vật phông biểu thị độ tương phản chói mà biểu thị bắng độ tinh mắt Độ tinh mắt khả phân giải mắt hai điểm gần vật xa Nếu ký hiệu  góc nhìn giới hạn nhỏ hai điểm mà mắt ta phân biệt chúng, đại lượng nghịch đảo  gọi độ tinh mắt kí hiệu :   Điều kiện để nhìn thấy vật có tính đến độ tương phản chói độ tinh mắt: ( K   )  1    (2.20) Trong  góc nhìn vật Từ điều kiện (2.17) ta thấy: - Nếu K=1 ta nhìn thấy vật góc phân giải nhỏ nhất, tức  = - Điều kiện (2.24) có nghĩa muốn nhìn thấy vật ta phải có: (1   ) K   2 (2.21) Mối liên hệ (2.18) chứng tỏ kích thước góc vật lớn hiệu ( K   ) cần nhỏ chí K   nhìn thấy vật Hệ cho thấy xác định độ tương phản vật nên chọn vật có màu tối có kích thước góc lớn Ngưỡng độ nhạy tương phản mắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết phụ thuộc vào thị lực quan trắc viên, phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng kích thước góc vật Nếu điều kiện chiếu sáng yếu kích thước góc vật nhỏ trị số ngưỡng nhạy mắt tăng lên Trong điều kiện ánh sáng ban ngày, góc phân giải GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 53 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí mắt  = 0,5’ trị số ngưỡng độ nhạy tương phản mắt bình thường   0,02 [1] 2.5 KHÁI NIỆM VỀ TẦM NHÌN XA VÀ NHỮNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TẦM NHÌN XA 2.5.1 Khái niệm tầm nhìn xa Những vật xa không nhìn rõ vật gần không kích thước thấy chúng giảm Thậm chí vật lớn khoảng cách so với người quan sát trở nên khó phân biệt, khí qua vật rõ thường vẩn đục, vẩn đục trình khuếch tán ánh sáng khí gây nên Dễ hiểu độ vẩn đục tăng lượng tạp chất không khí lớn Nhiều ta cần biết khoảng cách từ hình dạng vật, nhìn qua lớp không khí không phân biệt với xung quanh Khoảng cách gọi tầm nhìn xa khí tượng, hay gọi tắt tầm nhìn xa Tùy theo cách chọn biểu hiện tượng mà có hai cách định nghĩa tầm nhìn xa:  Tầm nhìn xa khoảng cách xa đến vật, ta phát dấu hiệu xuất vật  Tầm nhìn xa khoảng cách tối thiểu đến vật, trở dấu hiệu tồn cuối vật bị biến Khoảng cách người ta gọi khoảng cách hiệu lực nhìn thấy vật.[1] Tầm nhìn xa thường xác định km, điều kiện sương mù, độ nhìn rõ kém, tầm nhìn xa xác định mét Từ suy luận ta thấy tầm nhìn xa cảnh vật thiên nhiên phụ thuộc vào yếu tố sau:  Mức độ làm suy yếu ánh sáng mức độ gây khuếch tán ánh sáng lớp khí trung gian vật người quan sát  Kích thước, hình dạng, màu sắc, đặc biệt độ phản xạ vật  Màu sắc độ phản xạ phông  Điều kiện chiếu sáng lớp khí trung gian, vật phông  Độ nhạy mắt người quan sát 2.5.2 Tầm nhìn xa ban đêm Độ rọi sáng ban đêm nhỏ khác không, đêm có trăng ta nhìn thấy vật không phát sáng có kích thước lớn Nhưng để thuận tiện người ta dùng đèn để quan trắc tầm nhìn xa, tức khoảng cách không nhìn thấy đèn mà ta biết Ban đêm, phông màu đen, việc nhìn thấy đèn độ tương phản chói so với phông mà độ rọi sáng tới mắt vượt ngưỡng  d (đối với mắt người trung bình  d  10  lux) Việc xác định tầm nhìn xa đêm có ý nghĩa thực tiễn lớn giao thông đường không đường biển Các hoa tiêu tàu biển máy bay dựa vào đèn biển đèn tín hiệu sân bay để ước lượng khoảng cách Ban đêm xác định tầm nhìn xa khí tượng nhờ đèn có cường độ sáng xác định đặt nhiều vị trí xa gần khác Giả sử cường độ nguồn sáng I chân không tạo độ rọi sáng Eo mặt vuông góc với tia sáng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r tới nguồn, tức là: GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 54 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí E0  I r2 (2.22) Trong môi trường khí tia sáng bị suy yếu đi, độ rọi sáng E khoảng cách r phải tính theo công thức: E  E0 exp( r )  I r 1 r2 (2.23) Trong   exp( ) độ truyền qua quãng đường đơn vị đặc trưng cho mức độ suốt khí từ đèn tới mắt người quan trắc.[1] Tầm nhìn xa ban đêm:  ln S 3,912S S  (2.24) ln I  ln S  ln  d ln I  ln S  15,425 Song thực tế, S đại lượng quan trắc được, biết  d  2.10 7 lux biết cường độ sáng I đèn ta tính tầm nhìn ngang khí tượng (ban ngày) tương đương theo công thức:  ln S 3,912 S R  (2.25) ln I  ln S  ln  d ln I  ln S  15,425 2.5.3 Tầm nhìn xa mây, sương mù mưa Mây, sương mù mưa làm giảm tầm nhìn xa cách đáng kể Các hạt nước chúng vừa làm suy yếu ánh sáng tới mắt ta, vừa tăng cường ánh sáng chúng chiếu sáng tương tự phân tử khí mạnh nhiều Do xét tầm nhìn xa mây, sương mù mưa, người ta bỏ qua ảnh hưởng phân tử khí 2.5.3.1 Tầm nhìn xa mây sương mù Hình 2.31: Tầm nhìn xa mây sương mù Theo lý thuyết tán sắc Mie hệ số suy yếu ánh sáng mây sương mù gây ra:   NKr Trong đó: + N: số hạt mây sương mù đơn vị thể tích + r: bán kính trung bình giọt nước + K: hàm số khuếch tán, có trị số tiến đến bán kính hạt khuếch tán lớn nhiều so với bước sóng ánh sáng Đối với hạt mây sương mù K = Độ chứa nước (khối lượng nước ngưng kết kết tinh đơn vị thể tích không khí) tính theo công thức: GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 55 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí W  N r  n  n  10 Kg / m khối lượng riêng nước 2,61.r Tầm nhìn xa mây sương mù (Hình 2.31): R  10 W Hệ thức chứng tỏ tầm nhìn xa mây sương mù tỉ lệ nghịch với độ chứa nước tỉ lệ thuận với bán kính trung bình giọt nước Những quan trắc thực tế cho thấy với sương mù nặng, tầm nhìn xa giảm xuống tới gần không, sương mù nhẹ tầm nhìn xa giảm xuống 1Km.[1] 2.5.3.2 Tầm nhìn xa mưa Hình 2.32: Tầm nhìn xa mưa Tương tự trên, tầm nhìn xa khí tượng mưa (Hình 2.32) R r3 3,34.10 J (2.26) Trong đó: + r: bán kính trung bình giọt nước + J: cường độ mưa (độ dày lớp nước mưa rơi đơn vị thời gian, thể tích nước mưa rơi đơn vị diện tích đơn vị thời gian) Trong tính toán ta coi hạt nước nhỏ, có kích thước nhau, bỏ qua ảnh hưởng dòng không khí đến tốc độ rơi hạt mưa… nên kết sai lệch nhiều so với thực tế Theo số liệu quan trắc thực tế số liệu tính toán lý thuyết xác nhận tầm nhìn xa miền có mưa bị giảm từ đến cấp so với trường hợp khí có độ suốt lớn [1] 2.6 HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG TRONG KHÍ QUYỂN Ánh sáng tự nhiên phát từ nguồn không bị phân cực tức vectơ cường độ điện trường dao động đặn xung quanh tia sáng vuông góc với phương truyền ánh sáng Sau bị tác động môi trường (bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ, …), ánh sáng thường bị phân cực phần tức vectơ cường độ điện trường không dao động đặng theo phương mà có phương mạnh, phương yếu Nếu vectơ cường độ điện trường dao động theo phương, ta nói tia sáng bị phân cực hoàn toàn Ánh sáng tự nhiên Mặt Trời sau bị khuếch tán chất khí khí bị phân cực Theo lý thuyết khuếch tán phân tử Rayleigh tia sáng khuếch tán theo hướng vuông góc với tia tới (   90 O ) bị phân cực hoàn toàn, tia thẳng (   O ) khuếch tán ngược trở lại (   180 O ) không bị phân cực, tia GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 56 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí khác bị phân cực phần Độ chói L tia sáng viết thành tổng hai thành phần: L = L1 + L2 Trong L1 L2 độ chói ứng với thành phần tia có vectơ cường độ điện trường dao động mặt phẳng nhìn vuông góc với mặt phẳng (mặt phẳng chứa tia tới tia khuếch tán) Rayleigh chứng minh rằng: (2.27)  ( n  1)  E L1  d  0 4 2N Và L2    ( n  1) E cos   4 d 2N  (2.28) Trong đó: + E độ rọi đơn sắc chùm ánh sáng tới, khí S  (độ rọi trực xạ đơn sắc) + N số phân tử đơn vị thể tích + n chiết suất không khí Để đo mức độ phân cực tia sáng trên, người ta đưa vào đại lượng độ phân cực P: P L1  L2 L1  L2 (2.29) Đưa biểu thức L1 L2 từ (2.27) (2.28) vào ta  cos  sin  P    (2.30)  cos   cos  Trong môi trường thực bất kỳ, ánh sáng khuếch tán không phân cực hoàn toàn môi trường nhiều có tính bất đẳng hướng Do người ta phải đưa thêm nhân tố phản phân cực  vào công thức biểu thức đầy đủ biểu thị độ phân cực ánh sáng khuếch tán có dạng: 1   sin  P   (2.31)  cos    sin  Đối với không khí, nhân tố phản phân cực  = 0,043 độ phân cực cực đại mà 0,922 Trong khí thực, tính bất đẳng hướng quang học mặt đất ảnh hưởng tới mức độ phân cực, chí mặt phẳng phân cực biến đổi Sự khuếch tán nhiều lần phản xạ qua lại mặt đất khí làm giảm mức độ phân cực, chí mặt phẳng phân cực bị biến đổi Phân tích ánh sáng Mặt Trời khuếch tán ngày sáng người ta thấy mặt phẳng thẳng đứng qua Mặt Trời điểm quan trắc có điểm trung hòa phát ánh sáng không phân cực là: điểm Babinet (Ba), điểm Bruster (Br) nằm Mặt Trời góc từ 15o đến 18o, điểm Arago (Ar) điểm đối nhật góc từ 15o – 18o(Hình 2.33) GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 57 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Hình 2.33: Vị trí điểm phân cực đặc biệt bầu trời Khoảng cách từ điểm trung hòa tới Mặt Trời phụ thuộc vào độ cao Mặt Trời, ho tăng điểm Ba, Br tiến lại gần Mặt Trời, điểm Ar lại xa điểm đối nhật Điểm phát ánh sáng phân cực cực đại nằm theo hướng vuông góc với tia Mặt Trời phụ thuộc vào lý thuyết (điểm M) độ phân cực vào khoảng 0,85 không đạt tới 0,922 ảnh hưởng độ phản xạ mặt đất lượng xon khí định tồn khí Ánh sáng khuếch tán mây không bị phân cực Mức độ phân cực ánh sáng khuếch tán khí phụ thuộc nhiều vào độ vẩn đục khí Độ vẩn đục lớn độ phân cực nhỏ [1] T 2,80 3,30 3,75 4,85 Pmax 0,65 0,55 0,45 0,3 Bảng 2.4: Quan hệ độ vẩn đục khí (T) độ phân cực cực đại (Pmax) GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 58 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Phần KẾT LUẬN Trong suốt 20 kỉ, nhân loại trải qua nhiều biến chuyển văn hóa khoa học để đạt tới văn minh siêu việt đại Các nhà khoa học để lại tư liệu quý báu tượng xảy trái đất nhiều kỉ Trong tượng quang học đề tài bổ ích thú vị Như ta biết tượng quang học đề tài bao la bất tận mà hiểu biết hạn hẹp ỏi Vì vậy, nhờ vào trình nghiên cứu thực đề tài này, lại có thêm điều kiện để tìm hiểu kĩ hơn, sâu vào tượng quang học hiểu tượng tượng quang học bình thường, tượng tượng quang học khí Khi thực đề tài, tiến hành hệ thống hóa lại kiến thức quang học giải thích hầu hết tượng xảy khí Nội dung đề tài trình bày hai phần, phần sở lý thuyết phần hai tượng quang học khí Trong phần một, tập trung trình bày số kiến thức chất tượng ánh sáng như: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ (khuếch tán), phân cực tán sắc ánh sáng… Các tượng quang học sở để ta sâu vào tìm hiểu giải thích tượng quang học khí Phần hai, nội dung đề tài, trình bày giải thích số tượng quang học xảy khí Các tượng nhóm theo kiến thức quang học Thứ tượng liên quan đến phản xạ, khúc xạ nhiễu xạ ánh sáng xảy đám mây cầu vồng, tượng quầng, tượng tán, mây ngũ sắc Thứ hai tượng liên quan đến khúc xạ, phản xạ ánh sáng khí tượng khúc xạ trái đất, khúc xạ thiên văn Thứ ba tượng liên quan đến tán xạ (khuếch tán), hấp thụ tượng hoàng hôn, bình minh, tượng ráng, màu sắc bầu trời, hiệu ứng nhà kính Thứ tư tượng liên quan đến độ chói mắt độ suốt khí dạng dẹt biểu kiến bầu trời, tương phản chói vật phông, độ tinh mắt Thứ năm tượng liên quan đến phân cực ánh sáng cuối tầm nhìn xa Trong phần trình bày rõ ràng đầy đủ kiến thức quang học tượng ánh sáng Đưa định nghĩa tượng ánh sáng giải thích tượng, nêu định luật có liên quan đến tượng Dựa kiến thức đến tìm hiểu cách cụ thể tượng quang học liên quan đến khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ xảy khí bình minh, hoàng hôn, cầu vồng, màu sắc bầu trời, tầm nhìn xa Trên sở mô tả tượng, đến phân tích nguyên tắc từ quang học để đến giải thích lại tượng xảy khí Bên cạnh phần trình bày rõ ràng có số phần chưa trình bày cụ thể tượng liên quan đến độ chói mắt, phân cực ánh sáng… Do hiểu biết vấn đề hạn hẹp chưa có điều kiện sâu vào thực tiễn tìm hiểu Như nói nội dung đề tài nhiều hạn chế, chưa thật hoàn chỉnh Do thời gian nghiên cứu đề tài không nhiều, mà đề tài đề tài tương đối rộng, kiến thức bao la mà tài liệu hiểu biết đề tài chưa nhiều Bên cạnh đó, nhiệm vụ mà đặt đề tài nghiên cứu lý thuyết, sau ứng dụng vào thực tiễn để tìm hiểu tượng quang học khí Nhưng GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 59 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí nghiên cứu tượng túy mặt lý thuyết chưa có hội ứng dụng sâu vào thực tiễn để nghiên cứu tìm hiểu Vì mặt hạn chế đề tài Cũng phần giới hạn đề tài, nghiên cứu đề tài chủ yếu lý thuyết, thông qua báo chí mà chưa vào thực tiễn Vì vậy, sau thời gian cho phép, tiếp tục sâu vào thực tế để nghiên cứu tượng quang học liên quan đến đề tài tượng hoàng hôn, bình minh, cầu vồng, tượng quầng, tán, ảo cảnh v.v…Và sau hoàn thành đề tài này, trở thành người giáo viên thực đứng bục giảng trường phổ thông, tận dụng kiến thức mà có trình thực đề tài vào việc giảng dạy, góp phần cho tiết học tốt hơn, sinh động học sinh dễ hiểu, dễ nhớ GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 60 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hướng Điền Khí tượng vật lí NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội Năm 2002 Nguyễn Hữu Khanh Bài giảng quang học Năm 2000 Lê Nguyên Long – Nguyễn Khắc Mão Vật lý – công nghệ - đời sống NXB Giáo Dục Năm 2001 Nguyễn Quang Riệu Bầu trời tuổi thơ NXB Giáo Dục Năm 2005 Jean – Marie Brébec, Philippe Denève, Thierry Desmarais, Marc Ménetrier, Bruno Noel, Claude Orsini Quang học NXB Giáo Dục Năm 2000 Lương Duyên Bình Sách Giáo Khoa Vật Lý 12 NXB Giáo Dục Việt Nam Năm 2013 Website:http://www.khoahoc.com.vn/doisong/moi-truong/khi-hau/40955_xuathien-cau-vong-lua-hiem-gap.aspx Website:http://vi.wikipedia.org/wiki/Ngh%E1%BB%8B_%C4%91%E1%BB%8B nh_th%C6%B0_Ky%C5%8Dto Website:http://www.vietnamplus.vn/eu-giam-40-luong-khi-thai-gay-hieu-ungnha-kinh-vao-2030/241283.vnp GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh SVTH: Lê Thị Nhã Trúc [...]... với các đại lượng bức xạ tương ứng nhưng các đại lượng toàn phần thì nói chung là không trùng nhau.[1] GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 29 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các hiện tượng quang học trong khí quyển Chương 2: CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC TRONG KHÍ QUYỂN 2.1 CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ PHẢN XẠ, KHÚC XẠ VÀ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG XẢY RA TRONG CÁC ĐÁM MÂY Khi ánh sáng Mặt Trời chiếu qua các. .. Xianin Hiện tượng tán sắc dị thường có ở chất khí, chất lỏng, chất rắn nhưng chất khí là mạnh hơn cả Tóm lại, hiện tượng tán sắc dị thường chỉ xảy ra với những chất có độ hấp thụ ánh sáng mạnh Các chất trong suốt như thủy tinh, thạch anh không gây ra tán sắc dị thường trong miền bước sóng khả kiến.[2] GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 10 SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các hiện tượng quang học trong khí. .. với chất khí loãng, hệ số hấp thụ đối với hầu hết các bước sóng gần bằng không (   0 ) Hình 1.3.8.a: Hấp thụ của nguyên tử GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh 26 Hình 1.38.b: Các vạch hấp thụ của khí đa nguyên tử SVTH: Lê Thị Nhã Trúc Luận văn tốt nghiệp Các hiện tượng quang học trong khí quyển Quan sát hình 1.38.a, ta thấy có các vạch hấp thụ rất mạnh Các cực đại ứng với tần số cộng hưởng của electron trong. .. văn tốt nghiệp Các hiện tượng quang học trong khí quyển Vì a ... văn tốt nghiệp Các tượng quang học khí Chương 2: CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC TRONG KHÍ QUYỂN 2.1 CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ PHẢN XẠ, KHÚC XẠ VÀ NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG XẢY RA TRONG CÁC ĐÁM MÂY Khi... nghiệp Các tượng quang học khí 2.3 CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ TÁN XẠ (HAY KHUẾCH TÁN), HẤP THỤ ÁNH SÁNG TRONG KHÍ QUYỂN 2.3.1 Độ chói sáng màu sắc bầu trời 2.3.1.1 Độ chói sáng Trong khí khô,... học bình thường xảy mặt đất, mà vận dụng lý thuyết để giải thích tượng quang học xảy khí Nhưng khí quyển, tượng quang học lại xảy theo hướng khác, không giống học Chính lý định chọn đề tài “Các