Оптические явления в атмосфере

(Mirage, Luftspiehelung) — атмосферическое  явление, благодаря которому при  известных обстоятельствах делаются  в какой-либо местности видными  предметы, действительное местонахождение  которых вдали от места их  наблюдения зрителем. Оно объясняется  полным отражением лучей на  границе двух слоев воздуха,  имеющих различные температуры,  если луч света падает с  очень сильным наклоном на  граничную плоскость.

Если зритель и отдаленный предмет находятся на лишь немного  повышенных точках и между ними лежит  сильно нагретая солнцем песчаная почва, сообщающая свою теплоту ближайшим  слоям воздуха и тем нагревающая  их сильнее слоев, выше расположенных, зритель видит предмет в его  действительном положении при посредстве лучей, прямо от предмета идущих к  нему, и во-вторых, в перевернутом положении, при посредстве лучей, сначала  идущих от предмета книзу, потом, при  встрече с более теплыми и  поэтому более редкими слоями воздуха, подвергающихся отражению  и идущих к глазу наблюдателя, видящего предмет как бы отраженным в воде. Это объяснение дал еще  Монж в "M é moires de l'Institut d'Egypte". Если сильно нагретый теплый слой не внизу, но вверху наблюдателя и наблюдаемого предмета, находящихся в более  плотном холодном слое, — может  также получиться явление миража, но только по направлению кверху.

Таким образом, наблюдаемые в опрокинутом виде над горизонтом, например, корабли, башни, замки и т. д. суть изображения действительных предметов.

Фата – Моргана.

Фата - Моргана (итал. fata Morgana — фея Моргана, по преданию, живущая на морском дне и обманывающая путешественников призрачными видениями) — редко встречающееся сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями.

Фата-моргана возникает  в тех случаях, когда в нижних слоях атмосферы образуется (обычно вследствие разницы температур) несколько  чередующихся слоёв воздуха различной  плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также и преломления лучей, реально существующие объекты дают на горизонте или над ним по нескольку искажённых изображений, частично накладывающихся друг на друга  и быстро меняющихся во времени, что  и создаёт причудливую картину  фата-морганы.

Некоторые виды миражей.

Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: «озерные» миражи, называемые также  нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

Нижние («озерные») миражи возникают  над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в  пустынях и степях, то верхние наблюдают  в северных широтах.

Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях  они дают прямое изображение, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут  быть двойными, когда наблюдаются  два изображения, простое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены  полосой воздуха (одно может оказаться  над линией горизонта, другое под  ней), но могут непосредственно смыкаться  друг с другом. Иногда возникает  еще одно - третье изображение 

Объяснение нижнего («озерного») миража

Если воздух у самой  поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность  относительно мала, то показатель преломления  у поверхности будет меньше, чем  в более высоких воздушных  слоях.

В соответствии с установленным  правилом, световые лучи вблизи поверхности  земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз.

Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в  глаз наблюдателя, испытав указанное  искривление. А это означает, что  наблюдатель увидит соответствующий  участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет  казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение  голубого неба.

Если представить себе, что у линии горизонта находятся  холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель  увидит и их перевернутыми, благодаря  отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения  соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.

Простые верхние  миражи

Можно предположить, что  воздух у самой поверхности земли  или воды не нагрет, а, напротив, заметно  охлажден по сравнению с более  высокими воздушными слоями; а. Световые лучи изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому  наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому  такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха  уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение.

Двойные и тройные  миражи

Если показатель преломления  воздуха изменяется сначала быстро (область 1), а затем медленно (область 2), то в этом случае лучи в области 1 будут искривляться быстрее, чем  в области 2. В результате возникают  два изображения. Световые лучи, распространяющиеся в пределах воздушной области 1, формируют  перевернутое изображение объекта. Лучи, распространяющиеся в основном в пределах области 2, искривляются в меньшей степени и формируют  прямое изображение.

Чтобы понять, как появляется тройной мираж, нужно представить  три последовательный воздушные  области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается  с высотой медленно, следующая, где  показатель преломления уменьшается  быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшается  медленно.

Мираж сверхдальнего  видения

Природа этих миражей изучена  менее всего. Ясно, что атмосфера  должна быть прозрачной, свободной  от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха  на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного  слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем  как по своеобразному световоду. Траектория луча должна быть все время  обращена выпуклостью в сторону  менее плотных областей воздуха.

Хрономиражи.

Хрономиражи – таинственные явления, не получившие научного объяснения. Никакими известными законами физики нельзя объяснить, почему миражи могут  отражать события, происходящие на некотором  расстоянии не только в пространстве, но и во времени. Особую известность  получили миражи когда-то прошедших  на земле сражений и битв. В ноябре 1956 года несколько туристов заночевали в горах Шотландии. Часа в три  утра они проснулись от странного  шума, выглянули из палатки и увидели  десятки шотландских стрелков в  старинной военной форме, которые, стреляя, бежали через каменистое поле! Потом видение исчезло, не оставив  никаких следов, но уже через сутки  повторилось. Шотландские стрелки, все израненные, брели по полю, спотыкаясь о камни.

И это не единственное свидетельство  подобного явления. Так, знаменитую битву при Ватерлоо (18 июня 1815 года) наблюдали неделю спустя жители бельгийского городка Вервье. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100 км. Известны случаи, когда  подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях - до 1000 км.

По одной из теорий, при  особом стечении природных факторов зрительная информация запечатлевается  во времени и пространстве. А при  совпадении определенных атмосферных, погодных и т.п. условий она вновь  становится зримой для посторонних  наблюдателей.

Миражи – следовики.

Класс явлений, также не получивший научного обоснования. К нему относят  миражи, которые после своего исчезновения оставляют материальные следы. Известно, что в марте 1997 г. С неба в Англии падали свежие зрелые орехи. Выдвигают  несколько объяснений природы возникновения  данных следов.

Первое – эти следы  не имеют к миражу непосредственного  отношения. «После этого» - не значит «вследствие  этого». Самое сложное – установление общей достоверности самих фактов подобных явлений.

Другое объяснение – разность температурных слоев приводит к  образованию вихревого эффекта, засасывающего в атмосферу различный  мусор. Движение воздушных потоков  доставляет «поглощенное» в область  образования миража. После выравнивания температур «небесная картина» исчезает, а мусор выпадает на землю.

Сложно говорить о достоверности  таких явлений. Но определенный «мистический»  интерес они все же вызывают.

Изучая различные явления, связанные с прохождением света  в атмосфере, ученые используют добытые  знания для развития науки. Так, наблюдение венцов помогает определять величину кристалликов льда и капель воды, из которых образуются различные облака. Наблюдения венцов и гало дает также  возможность предсказания погоды. Так, если появившийся венец постепенно уменьшается, можно ожидать осадки. Увеличение венцов, наоборот, предвещает наступление сухой и малооблачной погоды.

Полярные сияния.

Полярное сияние — свечение (люминесценции) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными  частицами солнечного ветра.

В эскимосских и индийских  легендах говорится, что это духи животных танцуют в небе, или, что это духи падших врагов, которые хотят пробудиться вновь.

В большинстве случаев  полярные сияния имеют зеленый или  сине-зеленый оттенок с изредка  появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярные сияния наблюдают  в двух основных формах - в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда  сияние интенсивно, оно приобретает  форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев  разбиться на пятна. Ленты как  бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или  драпировку, протянувшуюся обычно с  востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько  сотен километров, толщина не превышает  нескольких сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что  сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо  очерчен и часто подкрашен  в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний - постепенно теряется в высоте и  это создает особенно эффектное  впечатление глубины пространства.

Различают четыре типа полярных сияний.

Однородная дуга - светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга - лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса - с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

При повышении активности складки или петли расширяются  до огромных размеров, нижний край ленты  ярко сияет розовым свечением. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного  вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень  интенсивными. Происходят они во время  увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют  на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так  ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее  сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек. Верхние слои атмосферы  в области вспышек сияний разогреваются  и устремляются вверх. Во время сияний в атмосфере Земли возникают  вихревые электрические токи, захватывающие  большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитные  поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими  шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные  изменения в ионосфере, что в  свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают  сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Как возникают  полярные сияния.

Земля представляет собой  огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического  полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей  к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар, и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.