Неоднородность показателя преломления в атмосфере связана с неоднородностью плотности воздуха. Для простоты будем считать, что слой воздуха плоский, а показатель преломления зависит только от высоты. Мысленно разобьем этот слой воздуха на тонкие параллельные слои, в каждом из которых показатель преломления будем приближенно считать постоянным, тогда показатель преломления будет меняться скачком от слоя к слою. При переходе из одного слоя в другой луч света будет испытывать преломление в соответствии с законом преломлении. При уменьшении толщины слоев ломаная линия будет переходить в плавную кривую.
Многие знакомы с утверждением, что когда мы смотрим на Солнце во время его захода, то оно на самом деле уже за горизонтом. В астрономии такое явление известно как рефракция: луч света, идущий от небесного светила, за счет преломления в неоднородной атмосфере искривляется. Наблюдателю кажется, что Солнце находится в том направлении, от которого свет достигает его глаз. В результате наблюдаемое угловое положение светила отличается от истинного: преломление света в атмосфере приподнимает небесные тела на горизонте примерно на полградуса.
Изменение плотности воздуха (и вместе с ней показателя преломления) с высотой оказывается выраженным гораздо сильнее, если имеет место сильный перепад температуры с высотой. И чем больше перепад температуры, тем сильнее искривляется ход луча света. Например, в холодных странах плотность воздуха понижается с высотой более резко, чем в странах с умеренным климатом, поэтому имеется область, в которой показатель преломления быстро уменьшается с высотой. А в жарких странах сильное нагревание воздуха у поверхности Земли приводит к тому, что воздух внизу оказывается более разреженным, чем при больших высотах, и показатель преломления растет с увеличением высоты.
При достаточно резком изменении показателя преломления может возникнуть мираж, обусловленный полным внутренним отражением лучей. Мираж – это явление, возникающее в результате атмосферного отклонения света от прямолинейного распространения, вследствие чего предмет виден в неправильном направлении или искажен. Если показатель преломления убывает с высотой, то луч, исходящий от какого-то предмета на поверхности Земли, испытает полное внутреннее отражение на некоторой высоте, и наблюдателю будет казаться, что предмет находится наверху – это так называемый верхний мираж. Если показатель преломления возрастает с высотой, то может возникнуть нижний мираж: изображение появится внизу и в перевернутом виде.
Нижние 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 – в северных широтах.
Нижние миражи весьма обычны, например, вода, наблюдаемая на песке в пустыне. В соответствии с законом преломления световые лучи вблизи поверхности Земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Испытав такое искривление, световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, 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 вследствие искривления лучей наблюдатель увидит и их перевернутыми, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде.
Нижний мираж – это явление довольно однообразное: всегда только перевернутое сплющенное изображение ниже реального объекта. Как физическое явление, нижний мираж всегда одинаков по структуре и достаточно прост для понимания.
Даже в наших не слишком жарких условиях можно наблюдать нижний мираж: блестящие пятна на нагретом асфальте, производящие впечатление воды, которая постоянно отступает при приближении человека. Это такое же явление, как и мираж оазиса в пустыне. Мы видим участок голубого неба, лучи от которого в результате искривления попадают к нам в глаз.
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.
Более сложный вид миража называется Фата-Моргана. Фата-Моргана возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения и преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по нескольку искаженных изображений, частично налагающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создает причудливую картину Фата-Моргана.
Свое название мираж получил в честь сказочной героини Фаты Морганы. Согласно легенде Фата Моргана, отвергнутая возлюбленная Ланцелота, поселилась на дне моря, в хрустальном дворце, и с тех пор обманывает мореплавателей призрачными видениями. К фата-морганам можно отнести и многочисленных «летучих голландцев», которых до сих пор видят мореплаватели. Так, в 11 часов утра 10 декабря 1941 г. команда британского судна «Вендор», находящегося в районе Мальдивских островов, заметила на горизонте горящий корабль. «Вендор» пошел на выручку терпящим бедствие, но через час горящий корабль завалился набок и затонул. «Вендор» подошел к предполагаемому месту гибели корабля, но, несмотря на тщательные поиски, не нашел не только никаких обломков, но даже и пятен мазута. В порту назначения, в Индии, командир «Вендора» узнал, что в ту самую минуту, когда его команда наблюдала трагедию, тонул крейсер, атакованный японскими торпедоносцами неподалеку от Цейлона. Расстояние между кораблями на тот момент составляло 900 км.
Явление верхнего миража используется при создании сверхдальней лазерной связи. Отражение лазерного луча от верхних слоев атмосферы позволяет осуществить прямую связь на расстояниях более 300 км.
Комментариев нет:
Отправить комментарий