В религиозных представлениях народов древности радуге приписывалась роль моста между землей и небом. В греко-римской мифологии известна даже особая богиня радуги - Ирида. Греческие ученые Анаксимен и Анаксагор считали, что радуга возникает за счет отражения Солнца в темном облаке. Аристотель изложил представления о радуге в специальном разделе своей «Метеорологии». Он считал, что радуга возникает благодаря отражению света, но не просто от всего облака, а от его капель.
В 1637 году знаменитый французский философ и ученый Декарт дал математическую теорию радуги, основанную на преломлении света. Впоследствии эта теория была дополнена Ньютоном на основании его опытов по разложению света на цвета с помощью призмы. Дополненная Ньютоном теория Декарта не могла объяснить одновременного существования нескольких радуг, различной их ширины, обязательного отсутствия в цветных полосах некоторых цветов, влияния размеров капель облака на внешний вид явления. Точную теорию радуги на основе представлений о дифракции света дал в 1836 году английский астроном Д. Эри. Рассматривая пелену дождя как пространственную структуру, обеспечивающую возникновение дифракции, Эри объяснил все особенности радуги. Его теория полностью сохранила свое значение и для нашего времени.
Радуга - это оптическое явление, возникающее в атмосфере и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. Наблюдается она в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба. Центр дуги радуги находится в направлении прямой, проходящей через солнечный диск (хотя бы и скрытый от наблюдения тучами) и глаз наблюдателя, т.е. в точке, противоположной Солнцу. Дуга радуги представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки радиусом в 42°30" (в угловом измерении).
Наблюдатель иногда может одновременно увидеть несколько радуг - главную, побочную и вторичные. Главная радуга представляет собой цветную дугу на каплях удаляющейся дождевой пелены и возникает она всегда со стороны неба, противоположной Солнцу. При Солнце на горизонте высота верхнего края главной радуги составляет в угловой мере 42°30". При подъеме Солнца над горизонтом видимая часть радуги понижается. Когда Солнце достигает высоты 42°30", для наблюдателя на земной поверхности радуга будет не видна, однако если в момент ее исчезновения подняться на башню или мачту корабля, то радугу можно увидеть снова.
При наблюдении с высокой горы или с самолета радуга может иметь вид полной окружности. Еще Аристотель математически доказал, что Солнце, местонахождение наблюдателя и центр радуги находятся на одной прямой. Поэтому чем выше над горизонтом поднимается Солнце, тем ниже опускается центр радуги. В пересеченной местности радугу можно наблюдать и на фоне ландшафта.
Интересно расположение цветов в радуге. Оно всегда постоянно. Красный цвет главной радуги расположен на ее верхнем крае, фиолетовый - на нижнем. Между этими крайними цветами следуют друг за другом остальные цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре. В принципе в радуге никогда не бывают представлены все цвета спектра. Чаще всего в ней отсутствуют или слабо выражены синий, темно-синий и насыщенный чисто красный цвета. С увеличением размеров капель дождя происходит сужение цветных полос радуги, сами же цвета становятся более насыщенными. Преобладание в явлении зеленых тонов обычно указывает на последующий переход к хорошей погоде. Общая картина цветов радуги имеет размытый характер, так как образуется она протяженным источником света.
Над главной радугой располагается побочная с чередованием цветов, обратным главной. Угловая высота верхнего края побочной радуги составляет 53°32". Кроме того, со стороны фиолетового конца главной радуги иногда можно наблюдать радуги вторичные, преимущественной их окраской является зеленая и розовая. В редких случаях вторичные радуги отмечаются и со стороны фиолетового края побочной радуги. Вторичные радуги более широки в высоких слоях дождевой пелены, где капли дождя имеют меньшие размеры.
При искусственном воспроизведении явления в лаборатории удавалось получать до 19 радуг. Над водоемом могут наблюдаться дополнительные радуги, расположенные друг относительно друга неконцентрично. Для одной из них источником света является Солнце, для другой - его отражение от водной поверхности. В этих условиях могут встречаться и радуги, расположенные «вверх ногами».
Ночью при лунном освещении и туманной погоде в горах и на берегах морей можно наблюдать белую радугу. Такой тип радуги может возникать и при воздействии солнечного света на туман. Она имеет вид блестящей белой дуги, с внешней стороны окрашенной в желтоватый и оранжево-красный цвета, а изнутри - в сине-фиолетовый.
Если радуга образована действием лунного света на капли дождя, то она выглядит белой. В некоторых случаях она кажется белой только вследствие малой интенсивности света. Такого типа радуга при укрупнении капель дождя может перейти в цветную. Наоборот, цветная радуга может потерять окраску, если дождь превратится в мелкокапельный туман. Как правило, при наличии мелких капель окраска радуги выражена слабо.
Радуга наблюдается не только на пелене дождя. В меньших масштабах ее можно увидеть на каплях воды у водопадов, фонтанов и в морском прибое. При этом в качестве источника света могут служить не только Солнце и Луна, но и прожектор.
Строение радуги.
Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя.
На рисунке эта прямая обозначена как прямая OO 1 ; O -- наблюдатель, ОСD -- плоскость земной поверхности, ?AOO 1 = j -- угловая высота Солнца над горизонтом. Чтобы найти tg(j), достаточно разделить рост наблюдателя на длину отбрасываемой им тени. Точка O 1 называется противосолнечной точкой, она находится ниже линии горизонта СD. Из рисунка видно, что радуга представляет собой окружность основания конуса, ось которого есть ОO 1 ; j - угол, составляемый осью конуса с любой из его образующих (угол раствора конуса). Разумеется, наблюдатель видит не всю указанную окружность, а только ту часть ее (на рисунке участок СВD), которая находится над линией горизонта. Заметим, что?АОВ = Ф есть угол, под которым наблюдатель видит вершину радуги, а?АОD = a -- угол, под которым наблюдатель видит каждое из оснований радуги. Очевидно, что
Ф + j = g (2.1).
Таким образом, положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к Солнцу, а угловые размеры радуги определяются высотой Солнца над горизонтом. Наблюдатель есть вершина конуса, ось которого направлена по линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем. Радуга есть находящаяся над линией горизонта часть окружности основания этого конуса. При передвижениях наблюдателя указанный конус, а значит, и радуга, соответствующим образом перемещаются.
Здесь необходимо сделать два пояснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем, то имеем в виду не истинное, а наблюдаемое направление на Солнце. Оно отличается от истинного на угол рефракции.
Во-вторых, когда мы говорим о радуге над линией горизонта, то имеем в виду относительно далекую радугу -- когда завеса дождя удалена от нас на несколько километров.
Можно наблюдать также и близкую радугу, на пример, радугу, возникающую на фоне большого фонтана. В этом случае концы радуги как бы уходят в землю. Степень удаленности радуги от наблюдателя не влияет, очевидно, на ее угловые размеры. Из (2.1) следует, что Ф = g - j.
Для основной радуги угол у равен примерно 42° (для желтого участка радуги) а для вторичной этот угол составляет 52°. Отсюда ясно, почему земной наблюдатель не может любоваться основной радугой, если высота Солнца над горизонтом превышает 42°, и не увидит вторичную радугу при высоте Солнца, превышающей 52°.
Образование радуги.
Основная радуга образуется за счёт отражения света в каплях воды. А побочная радуга образуется в результате двукратного отражения света внутри каждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чем те, которые дают основную радугу, и цвета в побочной радуге располагаются в обратной последовательности.
Ход лучей в капле воды: а - при одном отражении, б - при двух отражениях
Можно рассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучок параллельных солнечных лучей. Луч, падающий на поверхность капли, преломляется внутри нее по закону преломления:
n1 sin б=n2 sin в
где n 1 =1, n 2 =1,33 - соответственно показатели преломления воздуха и воды, б - угол падения, а в - угол преломления света.
Внутри капли идет по прямой. Затем происходит частичное преломление луча и частичное его отражение. Надо заметить, что, чем меньше угол падения, тем меньше интенсивность отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча. Луч после отражения попадает в другую точку, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли под некоторым углом, а отраженный может пройти дальше и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая часть лучей света выходит наружу и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, первым вышедший из капли. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей.
При рассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление - неодинаковое преломление волн света различной длины, то есть световых лучей разного цвета. Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления и угла отклонения лучей в капле различны для лучей различной окраски. Чем больше внутренних отражений испытают лучи в капле, тем слабее радуга. Наблюдать радугу можно, если Солнце находится позади наблюдателя. Поэтому самая яркая, первичная радуга формируется из лучей, испытавших одно внутреннее отражение. Они пересекают падающие лучи под углом около 42°. Геометрическим местом точек, расположенных под углом 42° к падающему лучу, является конус, воспринимаемый глазом в его вершине как окружность. При освещении белым светом будет получаться цветная полоса, причем красная дуга всегда выше фиолетовой.
ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА ПРИ ПЕРЕХОДЕ ИЗ ВОДЫ В ВОЗДУХ
Опущенная в воду палочка, ложечка в стакане чая вследствие преломления света на поверхности воды кажутся нам преломленными.
Поместите на дно непрозрачного сосуда монету так, чтобы она не была видна. А теперь налейте в сосуд воды. Монета окажется видимой. Объяснение этого явления понятно из видео.
Посмотрите на дно водоема и попытайтесь оценить его глубину. Чаще всего сделать это правильно не удается.
Проследим более детально, как и насколько нам кажется уменьшенной глубина водоема, если мы смотрим на него сверху.
Пусть Н (рис. 17) - это истинная глубина водоема, на дне которого лежит небольшой предмет, например камешек. Свет, отраженный им, расходится во все стороны. Некоторый пучок лучей падает на поверхность воды в точке О снизу под углом а 1 , преломляется на поверхности и попадает в глаз. В соответствии с законом преломления можно записать:
но так как n 2 = 1, то n 1 sin a 1 = sin ϒ 1 .
Преломленный луч попадает в глаз в точке В. Заметим, что в глаз попадает не один луч, а пучок лучей, сечение которого ограничено зрачком глаза.
На рисунке 17 пучок показан тонкими линиями. Однако этот пучок узок и мы можем пренебречь его сечением, приняв его за линию АОВ.
Глаз проецирует А в точку А 1 , и глубина водоема нам кажется равной h.
Из рисунка видно, что кажущаяся глубина водоема h зависит от истинной величины Н и от угла наблюдения ϒ 1 .
Выразим эту зависимость математически.
Из треугольников АОС и А 1 ОС имеем:
Исключая из этих уравнений ОС, получим:
Учитывая, что а = ϒ 1 и sin ϒ 1 = n 1 sin a 1 = n sin a, получим:
В этой формуле зависимость кажущейся глубины водоема h от истинной глубины Н и угла наблюдения не Выступает явно. Для более отчетливого представления этой зависимости выразим ее графически.
На графике (рис. 18) по оси абсцисс отложены значения углов наблюдения в градусах, а по оси ординат - соответствующие им кажущиеся глубины h в долях действительной глубины Н. Полученная кривая показывает, что при малых углах наблюдения кажущаяся глубина
составляет около ¾ действительной и уменьшается по мере увеличения угла наблюдения. При угле наблюдения а = 47° наступает полное внутреннее отражение и луч из воды не может выйти наружу.
МИРАЖИ
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 (рис. 19, 20).
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 (рис. 21).
Воздух обычно нагревается от почвы, поглощающей энергию солнечных лучей. Поэтому температура воздуха понижается е высотой. Известно также, что с высотой понижается и плотность воздуха. Установлено, что с увеличением высоты показатель преломления уменьшается, поэтому лучи, идущие сквозь атмосферу искривляются, пригибаясь к Земле (рис. 21). Это явление получило название нормальной атмосферной рефракции. Вследствие рефракции небесные светила кажутся нам несколько «приподнятыми» (выше своей истинной высоты) над горизонтом.
Вычислено, что атмосферная рефракция «приподнимает» предметы, находящиеся на высоте 30°, на 1"40", на высоте 15°- на З"ЗО", на высоте 5° - на 9"45". Для тел, находящихся на горизонте, эта величина достигает 35". Эти цифры отклоняются в ту или другую сторону в зависимости от давления и температуры атмосферы. Однако по тем или иным причинам в верхних слоях атмосферы могут оказаться массы воздуха с температурой более высокой по сравнению с нижними слоями. Их могут принести ветры из жарких стран, например, из области горячей пустыни. Если в это время в нижних слоях находится холодный, плотный воздух антициклона, то явление рефракции может значительно усилиться и лучи света, выходящие от земных предметов вверх под некоторым углом к горизонту, могут вернуться обратно на землю (рис. 22).
Однако может случиться так, что у поверхности Земли вследствие сильного ее нагревания, воздух настолько разогревается, что показатель преломления света вблизи почвы станет меньше, чем на некоторой высоте над почвой. Если при этом стоит безветренная погода, то такое состояние может сохраниться довольно долго. Тогда лучи от предметов, падающие под некоторым довольно большим углом к поверхности Земли, могут искривляться настолько, что, описав дугу около поверхности Земли, они пойдут снизу вверх (рис. 23а). Возможен и случай, показанный на рисунке 236.
Описанные выше состояния в атмосфере и объясняют возникновение интересных явлений - атмосферных миражей. Эти явления обычно делят на три класса. К первому классу относят наиболее распространенные и простые по своему происхождению, так называемые озерные (или нижние) миражи, вызывающие столько надежд и разочарований у путников пустынь.
Французский математик Гаспар Монж, участвовавший в египетской кампании 1798 г., так описывает свои впечатления от миражей этого класса:
«Когда поверхность Земли сильно накалена Солнцем и только-только начинает остывать перед началом сумерек, знакомая местность больше не простирается до горизонта, как днем, а переходит, как кажется, примерно в одном лье в сплошное наводнение.
Деревни, расположенные дальше, выглядят словно острова среди обширного озера. Под каждой деревней - ее опрокинутое отражение, только оно не резкое, мелких деталей не видно, как отражение в воде, колеблемой ветром. Если станешь приближаться к деревне, которая кажется окруженной наводнением, берег мнимой воды все удаляется, водный рукав, отделявший нас от деревни, постепенно суживается, пока не исчезнет совсем, а озеро... теперь начинается за этой деревней, отражая в себе деревни, расположенные дальше» (рис. 24).
Объяснение этого явления простое. Нижние слои воздуха, разогретые от почвы, не успели еще подняться вверх; их показатель преломления света меньше, чем верхних. Поэтому лучи света, исходящие от предметов (например, от точки В на пальме, рис. 23а), изгибаясь в воздухе, попадают в глаз снизу. Глаз проецирует луч в точку В 1 . То же происходит с лучами, идущими от других точек предмета. Предмет кажется наблюдателю опрокинутым.
Откуда же вода? Вода - это отражение небосвода.
Чтобы увидеть мираж, нет надобности ехать в Африку. Его можно наблюдать в жаркий тихий летний день и у нас над разогретой поверхностью асфальтового шоссе.
Миражи второго класса называют верхними или миражами дальнего видения. На них больше всего похоже «неслыханное чудо», описанное Н. В. Гоголем. Приведем описания нескольких таких миражей.
С Лазурного берега Франции ранним ясным утром из вод Средиземного моря, из -за горизонта, поднимается темная цепочка гор, в которой жители узнают Корсику. Расстояние до Корсики больше 200 км, так что о прямой видимости не может быть и речи.
На английском побережье, близ Гастингса, можно видеть французский берег. Как сообщает натуралист Нье-диге, «близ Реджо в Калабрии, напротив сицилийского берега и города Мессины, временами видны в воздухе целые незнакомые местности с пасущимися стадами, кипарисовыми рощами и замками. Недолго продержавшись в воздухе, миражи исчезают».
Миражи дальнего видения появляются в том случае, если верхние слои атмосферы окажутся по каким-либо причинам, например при попадании туда нагретого воздуха, особенно разреженными. Тогда лучи, исходящие от земных предметов, искривляются сильнее и достигают земной поверхности, идя под большим углом к горизонту. Глаз же наблюдателя проецирует их в том направлении, по которому они входят в него.
Видимо, в том, что большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря, повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей.
Верхние миражи наблюдаются и в северных странах, когда дуют теплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние - охлажденными из-за наличия больших масс тающих льдов и снегов.
Иногда наблюдаются одновременно прямые и обратные изображения предметов. На рисунках 25-27 представлены именно такие явления, наблюдаемые в арктических широтах. Видимо, над Землей имеются перемежающиеся более плотные и более разреженные слои воздуха, искривляющие лучи света примерно так, как показано на рисунке 26.
Миражи третьего класса - сверхдальнего видения - трудно объяснить. Приведем описание нескольких из них.
«Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия,- пишет К. Фламарион в книге «Атмосфера»,- я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 года. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится... Это было утро сражения при Ватерлоо!» Расстояние между Ватерлоо и Вервье по прямой линии - 105 км.
Известны случаи, когда миражи наблюдались на расстоянии 800, 1000 и более километров.
Приведем еще один поразительный случай. В ночь на 27 марта 1898 г. среди Тихого океана экипаж бременского судна «Матадор» был напуган видением. Около полуночи экипаж заметил приблизительно в двух милях (3,2 км) судно, которое боролось с сильным штормом.
Это было тем более удивительно, что кругом стоял штиль. Судно пересекало курс «Матадора», и были мгновения, когда казалось, что столкновение кораблей неизбежно... Экипаж «Матадора» видел, как во время одного сильного удара волны о неизвестное судно в каюте капитана потух свет, который виднелся все время в двух иллюминаторах. Через некоторое время судно исчезло, унося с собою ветер и волны.
Дело разъяснилось позже. Оказалось, что все это происходило с другим судном, которое во время «видения» находилось от «Матадора» на расстоянии 1700 км.
Какими же путями проходит свет в атмосфере так, что сохраняются отчетливые изображения предметов на столь больших расстояниях? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Высказывались предположения об образовании в атмосфере гигантских воздушных линз, опоздании вторичного миража, т. е. миража от миража. Возможно, что здесь играет роль ионосфера *, отражающая не только радиоволны, но и световые волны.
Видимо, описанные явления имеют такое же происхождение, как и другие наблюдаемые на морях миражи, носящие название «Летучего голландца» или «Фата Моргана», когда моряки видят призрачные суда, исчезающие затем и наводящие страх на суеверных людей.
РАДУГА
Радуга - это красивое небесное явление - всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще очень мало знали об окружающем их мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды.
Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.
Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя, - на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу и противосолнечной линией составляет 41-42° (рис. 28).
В момент восхода солнца противосолнечная точка (точка М) находится на линии горизонта и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности. Для наблюдателя, находящегося высоко, например на. самолете, радуга видна как полная окружность с тенью наблюдателя в центре.
Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около 52° и обратным расположением цветов.
При высоте Солнца 41° главная радуга перестает быть видимой и над горизонтом выступает лишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца больше 52° не видна и побочная радуга. Поэтому в средних и экваториальных широтах в околополуденные часы это явление природы никогда не наблюдается.
У радуги, как и у спектра, различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают радугу более узкую, с резко выделяющимися цветами, малые - дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли.
Впервые теория радуги была дана в 1637 г. Р. Декартом. Он объяснил радугу как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.
Образование цветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложной природы белого света и его дисперсии в среде. Дифракционная теория радуги разработана Эри и Пертнером.
Рассмотрим простейший случаи: пусть на каплюу имеющую форму шара, падает пучок параллельных солнечных лучей (рис. 29). Луч, падающий на поверхность капли в точке А, преломляется внутри нее по закону преломления: n 1 sin a = п 2 sin β, где n 1 = 1, n 2 ≈ 1,33- соответственно показатели преломления воздуха и воды, a - угол падения, β - угол преломления света.
Внутри капли луч идет по прямой АВ. В точке В происходит частичное преломление луча и частичное его отражение. Заметим, что, чем меньше угол падения в точке В, а следовательно, и в точке А, тем меньше интенсивность отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча.
Луч АВ после отражения в точке В проходит под углом β 1 " = β 1 попадает в точку С, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли под углом у2, а отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая часть лучей света выходит наружу и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Однако наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупности на фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке D
дают вторичную радугу, которая, как следует из сказанного, менее интенсивна, чем первичная.
Для случая К=1 получаем Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137° 30".
Следовательно, угол наблюдения радуги первого порядка равен:
φ 1 =180° - 137°30" = 42°30"
Для луча DE" дающего радугу второго порядка, т. е. в случае К = 2, имеем:
Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 2 = 236°38".
Угол наблюдения радуги второго порядка φ 2 = 180° - 234°38" = - 56°38".
Отсюда следует (это видно и из рисунка), что в рассматриваемом случае радуга второго порядка с земли не видна. Для того чтобы она была видна, свет должен входить в каплю снизу (рис. 30, б).
При рассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление - неодинаковое преломление волн света различной длины, т. е. световых лучей разного цвета. Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления ϒ и углы отклонения лучей Θ в капле различны для лучей различной окраски. Ход трех лучей - красного, зеленого и фиолетового - схематически показан на рисунке 30, а для дуги первого порядка и на рисунке 30, б для дуги второго порядка.
Из рисунков видно, что последовательность цветов в этих дугах противоположна.
Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки, случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна над другой; наблюдают, правда, довольно редко, и еще большее число радужных небесных дуг - три, четыре и даже пять одновременно. Это интересное явление наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 г., когда во второй половине дня среди туч над Невой появились четыре радуги. Оказывается, что радуга может возникать не только от прямых солнечных лучей; нередко она появляется и в отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, больших рек и озер. Три-четыре такие радуги - обыкновенные и отраженные - создают подчас красивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга, образующаяся в этих лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.
Не следует думать, что радугу можно наблюдать только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть такую радугу можно после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна.
Некоторое подобие радуги можно получить на следующем опыте. Возьмите колбу с водой, осветите ее солнечным светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доске отчетливо станет видна радуга (рис. 31, а), причем угол расхождения лучей по сравнению с начальным направлением составит около 41-42° (рис. 31,6). В естественных условиях экрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака.
Если радуга появляется вечером перед заходом Солнца, то наблюдают красную радугу. В последние пять или десять минут перед закатом солнца все цвета радуги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой и видимой даже спустя десять минут после заката.
Красивое зрелище представляет собой радуга на росе.
Ее можно наблюдать при восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму гиперболы.
НИМБЫ
Рассматривая радугу на лугу, вы невольно заметите удивительный неокрашенный световой ореол - нимб, окружающий тень вашей головы. Это не оптическая иллюзия и не явление контраста. Когда тень падает на дорогу, ореол исчезает. Каково же объяснение этого интересного явления? Капли росы определенно играют здесь важную роль, ибо при исчезании росы исчезает явление.
Для выяснения причины явления проделайте следующий опыт. Возьмите сферическую колбу с водой и поставьте ее на солнечный свет. Пусть она изображает каплю. Поместите позади колбы близко к ней лист бумаги, который будет играть роль травы. Посмотрите на колбу под малым углом по отношению к направлению падающих лучей. Вы увидите ее ярко освещенной лучами, отраженными от бумаги. Лучи эти идут почти точно навстречу лучам Солнца, падающим на колбу. Чуть в сторону отведите глаза, и яркого освещения колбы уже не видно.
Здесь мы имеем дело не с рассеянным, а с направленным пучком света, исходящим от яркого пятна на бумаге. Колба действует как линза, направляющая свет на нас.
Пучок параллельных солнечных лучей после преломления в колбе дает на бумаге более или менее фокусированное изображение Солнца в виде яркого пятна. В свою очередь довольно много света, излучаемого пятном, захватывается колбой и после преломления в ней направляется назад в сторону Солнца, в том числе в наши глаза, так как мы стоим спиной к Солнцу. Оптические недостатки нашей линзы - колбы дают некоторый рассеянный световой поток, но все же основной поток света, исходящего от яркого пятна на бумаге, направлен в сторону Солнца. Но почему же свет, отраженный от травинок, не зеленый?
Он в действительности имеет слабый зеленоватый оттенок, но в основном он белый, так же как свет, направленно отраженный от гладких окрашенных поверхностей, как, например, блики от зеленой или желтой классной доски, от цветного стекла.
Но капельки росы не всегда шарообразны. Они могут быть искаженными. Тогда некоторые из них направляют свет в сторону, но он проходит мимо глаз. Другие же капельки, как, например, изображенные на рисунке 33, имеют такую форму, что упавший на них свет после одно-или двукратного отражения направляется обратно в сторону Солнца и попадает в глаза наблюдателя, стоящего к нему спиной.
Наконец следует отметить еще одно остроумное объяснение этого явления: направленно отражают свет только те листья травы, на которые падает прямой свет Солнца, т. е. те, которые со стороны Солнца не заслонены другими листьями. Если учесть, что листья большинства растений всегда поворачиваются своей плоскостью к Солнцу, то очевидно, что таких отражающих листьев окажется довольно много (рис. 33, д). Поэтому нимбы можно также наблюдать и в отсутствие росы, на поверхности гладко скошенного луга или сжатого поля.
Человек - большой мастер строить воздушные замки на песке. Однако практика показывает: до матушки природы ему далеко. Мастерица от Бога способна на такой обман наших чувств, что дух захватывает! Но как бы волшебно ни выглядели оптические явления, примеры которых мы рассмотрим, они не фантасмагория, а результат течения физических процессов. В неоднородной атмосфере Земли лучи света искривляются, вызывая сонм иллюзий. Но разве можно представить себе мир без грез и видений? Он был бы таким серым…
Свет и цвет
Говоря про свет и формы которых наблюдает не одно поколение людей, подчеркнем, что цвета появляются в атмосфере вследствие того, что белый свет в ходе взаимодействия с материалами в атмосфере разбивается на составные части (спектр). Это взаимодействие осуществляется при помощи одной из трех основных форм: отражения, преломления (рефракции) и дифракции.
Если уж речь зашла о спектре, подумайте о том, как научить своего ребенка запомнить совокупности цветных полос, получающихся при прохождении светового луча через преломляющую среду. Поможет простая фраза: «Каждый (красный) охотник (оранжевый) желает (желтый) знать (зеленый), где (голубой) сидит(синий) фазан (фиолетовый)».
Есть возникновение вторичных волн, распространяющихся от границы двух сред обратно в первую среду. Рефракция - преломление лучей на границе двух сред. Дифракция - отгибание световыми потоками твердых частиц, капель жидкости, а также других материалов, присутствующих в атмосфере. Все это и есть причина процветающего во Вселенной «оптического обмана зрения». Примеров множество: начиная от синего цвета неба, миражей и радуги до ложных солнц и солнечных столбов.
Внутреннее отражение
Оптические явления в физике - важный раздел, достойный глубокого изучения. Так что продолжим. Отражение имеет место, когда падают на гладкую поверхность и возвращаются под углом, равным входящему. Этот феномен объясняет происхождение цвета: некоторые части белого легче абсорбируются и отражаются, чем другие. Например, объект, который, как представляется, имеет зеленый цвет, кажется таковым потому, что поглощает все длины волн белого света, за исключением зеленого, который и находит свое отражение.
Одна из форм - внутреннее отражение - часто присутствует в объяснении оптических явлений. Свет входит в прозрачное физическое тело (материал), например каплю воды, через внешнюю поверхность и отсвечивает уже от внутренней. Затем, во второй раз - от материала. Цвет радуги частично можно объяснить с точки зрения внутреннего отражения.
Радуга-дуга
Радуга - оптическое явление, которое случается, когда солнечный свет и дождь специфическим образом объединяются. Лучи солнечного света разделяются на цвета, которые мы видим в радуге, когда они входят в дождевые капли. Это происходит тогда, когда луч падает на устремленные к Земле «дождинки» под определенным углом, цвета разделяются (белый свет разлагается в спектр), и мы видим яркую, праздничную радугу, напоминающую гигантский полукруглый мост.
Кажется, пестрота из изогнутых полос повисает прямо над головой. Излучающий источник всегда будет позади нас: видеть сразу ясное солнышко и красотку-радугу нельзя (разве что, если использовать для этой цели зеркало). Явление не чуждо Луне. Когда лунная ночь ярка, можно увидеть радужный «веер» и поблизости от Селены.
Когда вокруг почти ничего не видно, работают самые восприимчивые к свету фоторецепторы глаза человека - «палочки». Они чувствительны к изумрудно-зеленой части спектра, других цветов «не видят». В результате радуга выглядит белесой. Когда освещение усиливается, подключаются «колбочки», благодаря этим нервным окончаниям дуга смотрится более цветастой.
Мираж
С Земли мы наблюдаем только часть окружности первичной радуги. Свет при этом претерпевает одно отражение. В горах можно увидеть круглую радугу. А знаете ли вы, что «красавиц» бывает две и даже три? Радуга, взметнувшаяся над радугой, менее яркая и «перевернутая» (ведь это отражение первой). Третья случается там, где воздух кристально чист и прозрачен (например, в горах). Это что касается привычного зрелища.
Мираж - оптическое явление, которое обыденным не назовешь. В России оно относительно редко встречается. Каждый раз, произнося магическое слово, мы вспоминаем легенду о корабле-призраке "Летучий голландец". Согласно сказаниям, за преступления капитана он будет бороздить океанские просторы вплоть до второго пришествия.
А вот еще один «голландец». Летучим стал крейсер «Рипалс», затонувший в декабре 1941 года у берегов Цейлона. Его увидел "совсем рядом" экипаж британского судна "Вендор", находившийся в районе Мальдивских островов. На деле корабли разделяли 900 километров!
Фата Моргана
"Летучий голландец" и другие - оптические явления, примеры из когорты потрясающих миражей «фата-моргана» (названы в честь героини британского эпоса). Необычное оптическое явление есть сочетание сразу нескольких форм. В небе образуется сложное, быстро меняющееся изображение. Глядя на виды того, что находится далеко за горизонтом, кажется, можно сойти с ума, настолько они «осязаемы».
Чудеса, вызванные атмосферными условиями, могут сбить с толку кого угодно. Особенно такие, как появление "слоя воды" в пустыне или на горячей дороге, вызванные преломлением лучей. Не только дети, но и взрослые не могут отделаться от ощущения, что животные, колодцы, деревья, строения реальны. Но, увы!
Свет проходит через слои неравномерно нагретого воздуха, создавая своеобразное изображение 3D. Миражи бывают нижние (отдаленная ровная поверхность обретает вид открытой воды), боковые (возникают рядом с сильно прогретой вертикальной поверхностью), хроно- (воспроизводят события прошлого).
Северное сияние
Размышляя о том, какие бывают оптические явления, невозможно не сказать о северном (полярном) сиянии. Оно имеет две основные формы: красивые сверкающие ленты и пятна, напоминающие облака. Интенсивное сияние, как правило, «ленточное». Случается, что цветные светящиеся полосы перестают существовать, так и не разбившись на составляющие.
В темноте небесного пространства занавес, как правило, тянется по направлению с востока на запад. «Шлейф» может достигать нескольких тысяч километров в ширину, и несколько сотен - в высоту. Это не плотный, а тонкий «заслон», сквозь который сверкают звездочки. Очень красивое зрелище.
Нижний край «кулисы» четок, имеет красноватый или розовый оттенок, верхний как будто растворяется в темноте, благодаря чему хорошо ощущается невыразимая глубина пространства. Обсудим четыре вида полярных сияний.
Однородная структура
Спокойной, простой формы сияние, яркое снизу и растворяющееся вверху, называют однородной дугой; активное, подвижное, с мелкими складками и струйками - лучистой дугой. Сияющие складки, накладывающиеся друг на друга (крупные на мелкие), называются «лучистая полоса».
И четвертый вид - когда область из складок и петель становится очень большой. После окончания активности лента обретает однородную структуру. Есть мнение, что однородность - основное свойство «его сиятельства». Складки возникают лишь в период усиления атмосферной активности.
Есть и другие оптические явления. Примеры не замедлим перечислить ниже. Шквал - сияние, придающее всей полярной шапке беловато-зеленое свечение. Он наблюдается на южном и северном полюсах Земли, в Исландии, Норвегии и т. д. Явление возникает в результате свечения намагниченных верхних слоев атмосферы при взаимодействии с заряженными частицами солнечного ветра (так называют истечение в пространство космоса плазмы из гелия и водорода).
Про можно сказать следующее: они часты в морозные дни, очень эффектны.
Святой Эльм в венцах зеленых лучей и гало
Есть и другие оптические явления. Например, гало, появление которого связано с ледяными кристалликами, образующимися в атмосфере. С радугой его роднит дисперсия (разложение света на составляющие), только уже не в капле, а в твердой структуре льда.
Радуги похожи одна на другую, ведь капли одинаковые, они только и могут, что падать. Гало насчитывает сотню видов, так как кристаллики разные и очень «шустрые»: то парят, то кружатся, то устремляются к Земле.
Мечтая в очередной раз «обмануться», можно полюбоваться на ложное солнце (паргелий) или Последние «сидят» на острых вершинах высоких зданий. Мистика тут ни при чем. Это электрический разряд в атмосфере. Он часто возникает во время грозы или в песчаную бурю (когда частички электризуются).
Фотографы любят ловить «зеленый луч» (вспышка над солнцем и преломление лучей у горизонта). Его лучше всего запечатлевать на открытых пространствах, в безоблачную погоду. Зато венцы (дифракция света) хорошо видны, когда местность заволакивает туман (радужные круги вокруг фары вашего авто - это и есть венцы), а небо затянуто пеленой облаков. В тумане из мелких капелек круги особенно красивы. Когда туман сгущается - они расплываются. Поэтому уменьшение числа радужных колец расценивается как сигнал ухудшения погоды. Какой же это огромный мир - оптические явления! Примеры, разобранные нами - лишь верхушка айсберга. Зная об этих явлениях, мы сможем научно объяснить любую атмосферную иллюзию.
Атмосферные оптические явления поражают воображение красотой и многообразием создаваемых иллюзий. Наиболее эффектными являются столбы света, ложные солнца, огненные кресты, глория и брокенский призрак, которые часто люди незнающие принимают за Чудо или Богоявление.
Окологоризонтальная дуга, или "огненная радуга". Свет проходит через кристаллы льда в перистых облаках. Очень редкое явление, так как и кристаллы льда, и солнечный свет должны оказаться под определенным углом друг к другу, чтобы создать эффект "огненной радуги".
"Призрак Броккена". Своё название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, где можно регулярно наблюдать этот эффект: человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет.
Околозенитная дуга. Дуга с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, четкие очертания и всегда параллельна горизонту. Стороннему наблюдателю она напомнит улыбку Чеширского Кота или перевернутую радугу.
"Туманная" радуга. Туманный ореол похож на бесцветную радугу. Туман, рождающий этот ореол, состоит из более мелких частиц воды, и свет, преломляясь в крошечных капельках, не расцвечивает его.
Глория. Наблюдать этот эффект можно только на облаках, которые находятся прямо перед зрителем или ниже его, в точке, которая находится на противоположной стороне к источнику света. Таким образом, увидеть Глорию можно только с горы или из самолета, причем источники света (Солнце или Луна) должны находиться прямо за спиной наблюдателя.
Гало в 22º. Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием "бриллиантовая пыль".
Радужные облака. Когда Солнце располагается под определенным углом к капелькам воды, из которых состоит облако, эти капли преломляют солнечный свет и создают необычный эффект "радужного облака", окрашивая его во все цвета радуги.
Лунная радуга (ночная радуга) - радуга, порождаемая луной в большей степени, чем солнцем. Лунная радуга сравнительно более бледная, чем обычная. Это объясняется тем, что луна производит меньше света, чем солнце. Лунная радуга всегда находится на противоположной от луны стороне неба.
Паргелий
- одна из форм гало, при которой на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца.
В «Слове о полку Игореве» упоминается, что перед наступлением половцев и пленением Игоря «четыре солнца засияли над русской землей». Воины восприняли это как знак надвигающейся большой беды.
Северное (Полярное) сияние - свечение верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.
Огни святого Эльма - разряд в форме светящихся пучков или кисточек, возникающих на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере.
Зодиакальный свет. Рассеянное свечение ночного неба, создаваемого солнечным светом, отраженным от частиц межпланетной пыли, называют еще зодиакальным светом. Зодиакальный свет можно наблюдать вечером на западе или утром на востоке.
Столбы света. Плоские кристаллы льда отражают свет в верхних слоях атмосферы и образуют вертикальные столбы света, словно выходящие из земной поверхности. Источниками света могут являться Луна, Солнце или огни искусственного происхождения.
Звездный след. Невидим невооруженным глазом, его можно запечатлеть на фотокамеру.
Белая радуга. Фото сделано на мосту Золотые Ворота в Сан-Франциско
Свет Будды. Явление схоже с Призраком Броккена. Солнечные лучи отражаются от атмосферных капелек воды над морем и тень самолёта посреди радужного круга...
Зелёный луч. "Когда заходящее Солнце полностью скрывается из виду, последний проблеск выглядит поразительно зеленым. Эффект можно наблюдать только из мест, где горизонт низок и далек. Он продолжается всего несколько секунд."
Мираж, давно всем известное природное явление...
Лунная Радуга - это довольно редкое явление в атмосфере Земли и появляется только при полной Луне. Для возникновения лунной радуги необходимо: полная Луна, не закрытая облаками, и выпадение ливневого дождя. Настоящая лунная радуга имеет размер в половину небосвода.
Тень горы, наблюдаемая на фоне вечерних облаков:
