Оптические явления в природе

Мы видим окружающий мир таким прекрасным благодаря тому, что природа наградила нас зрением, способным воспринимать много оттенков цветов и будто бы задерживать изображение, возникающее на сетчатке глаза. Природные явления становятся перед нами во всей своей красе, и иногда… обманывают нас.

Поговорим о некоторых из явлений, связанных с распространением света и его восприятием человеческим глазом. Конечно, не все оптические эффекты, которые мы наблюдаем, будут здесь рассмотрены. Коснемся, вероятно, самых красивых и интересных из них.

В жаркие солнечные дни на асфальтированных шоссе водители автомашин часто наблюдают такую картину: некоторые участки асфальта, находящиеся перед автомашинами на расстоянии около 80—100 м, кажутся покрытыми лужами. Когда водитель подъезжает ближе к этому месту, лужи исчезают и снова появляются перед ним, примерно на том же расстоянии.

А вот еще одна картина. Представьте себе раскаленную пустыню: вокруг, куда ни глянь – раскаленный горячий песок. И вдруг впереди, где-то на линии горизонта, возникает озеро. Его видно совсем реально. Кажется, что нужно преодолеть всего лишь один-два километра, и можно будет освежиться. В воображении возникает даже плеск воды. Но вот вы проходите и один, и второй, и третий километр, а озеро все так же где-то впереди, а вокруг, по-прежнему, одни пески.

Оба эти случая являются миражами – оптическими явлениями, которые заключаются в том, что, кроме предметов в их реальном виде, можно видеть их мнимые изображения.

Мираж

Чаще всего такие явления наблюдают в пустыне, потому что именно там слой воздуха вблизи раскаленной песчаной поверхности очень нагревается. При этом плотность этого слоя относительно верхних слоев меньше, а показатель преломления (о нем уже шла речь ранее) тоже снижен. Поэтому световые лучи, идущие от предметов, будут изгибаться.

Например, если в ясный день наблюдатель стоит где-то поблизости песчаного бархана, то световой луч от определенного участка неба попадет ему в глаза, испытав искривление. Это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок неба не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним будет изображение голубого неба.

Если у линии горизонта находятся пальмы, холмы или что-то другое, то благодаря искривлению лучей наблюдатель увидит их перевернутыми. Он будет воспринимать это как отражение соответствующих объектов в несуществующей воде! Так возникает оптическая иллюзия, которую называют нижний, или «озерный» мираж.

Случается, что воздух у самой поверхности земли может быть не нагретым, а наоборот, заметно холоднее по сравнению с более высокими слоями. В таком случае световые лучи тоже будут изгибаться, но выпуклость их траектории будет направлена вверх. Поэтому наблюдатель сможет увидеть те объекты, которые скрыты от него линией горизонта. Причем эти объекты будут словно висеть над горизонтом в воздухе. Такие миражи так и называют – верхними.

Когда плотность воздуха и его оптические свойства меняются с высотой неравномерно, возникают двойные и тройные миражи. В этих случаях можно наблюдать несколько изображений объектов.

Под воздействием ветра и вертикальных воздушных потоков слой холодного воздуха может изменяться по толщине, перемещаться вверх-вниз. Поэтому и верхнее, и нижнее изображение со временем будут меняться, создавая различные, будто живые картины. Так возникает знаменитая «Фата-Моргана» – мираж, когда одна картина неуловимо сменяется другой, запутывая путешественников, пытающихся достичь замечательных мест, которые им привиделись.

Гораздо меньше изучены так называемые сверхдальние миражи, когда наблюдаются изображения объектов, находящихся на расстояниях сотен километров. Считают, что это становится возможным, когда световые лучи попадают в слой холодного воздуха, будто зажатого слоями горячего воздуха. Световые лучи распространяются в этом слое, как в световоде. Однако на это явление влияют еще и другие факторы. Возможно, в атмосфере при определенных условиях создаются своеобразные воздушные линзы, что приводит к появлению вторичных миражей (миражи от миражей). Кроме того, вероятно, определенную роль играет ионосфера – слой в атмосфере Земли, который находится на высоте 70—100 км, – способная отражать световые лучи.

Чудесное явление – радуга – издавна поражало воображение людей. О радуге слагали легенды, ей приписывали удивительные свойства. У древних греков богиня радуги Ирида выступала посредником между богами и людьми. Глядя на радугу, греки верили, что она соединяет небо и землю.

С радугой почти всегда связывали чувство радости и облегчения. Например, по библейской легенде бог Яхве после Всемирного потопа повесил на небо радугу в знак того, что он больше не будет так жестоко наказывать людей.

О радуге часто вспоминали поэты, например великий английский поэт Дж. Г. Байрон, немецкий философ и поэт И. Гете, немецкий романтик Ф. Шиллер.

Радуга

Байрон написал:

В стихах Ф. И. Тютчева находим:

Когда-то английские поэты XVII в. упрекали Ньютона в том, что он, объяснив происхождение радуги, замахнулся на ее красоту. Но давайте не будем упрекать ученых – знания о природных явлениях не превратят нас в бездушных роботов, и мы всегда сможем ощутить прелесть Лермонтовских строк:

Наблюдая радугу, люди, естественно, пытались понять ее происхождение. Сначала стало ясно, что это явление связано с наличием в атмосфере капелек воды. Одна из первых научных работ по этому поводу была напечатана еще в 1571 г. Автором ее был Флетчер, который считал, что появление радуги связано с двукратным преломлением света в одной капле воды и последующим отражением от второй капли.

Позже сначала итальянец Антонио Доминико, а затем француз Рене Декарт правильно объясняли появление радуги преломлением света именно в одной капле. В своем трактате Декарт объяснял также, почему радуга появляется именно тогда, когда высота Солнца над горизонтом составляет сорок два градуса. Однако ни Доминико, ни Декарт не смогли правильно объяснить появление цветов радуги. Это сделал Ньютон!