Как работают оптические солнечные иллюзии: «антисумеречные лучи», «солнечный столб» и «эффект Тиндаля»
Солнечные лучи врываются в нашу атмосферу со скоростью триста тысяч километров в секунду. Встречая на своём пути планету, они способны создавать оптические иллюзии небывалой красоты. К некоторым из них, например, сумеречным лучам, мы давно привыкли и перестали обращать на них особое внимание, другие, не столь обыденные, очевидцы наоборот склонны расценивать как потусторонние явления или появление НЛО, — однако и у них есть несложное объяснение. Чтобы докопаться до их сути, начнём с простого.
Как работают сумеречные лучи?
Прежде всего, для появления на рассвете или закате сумеречных лучей (в английском варианте – «Crepuscular rays»), солнечный свет должен встретить на своём пути облака или вершины гор, которые разделят его на пучки света, расходящиеся из одной точки почти на треть неба. Сумеречные лучи так хорошо видны человеческому глазу благодаря тому, что область пространства освещённого солнцем воздуха чётко отделена от затенённого пространства. Второй пункт, без которого невозможно увидеть эти лучи – наличие в высоких слоях атмосферы определённой концентрации водяного пара или пыли, частицы которой отражали и рассеивали бы в нашем направлении свет. На самом деле солнечные лучи являются параллельными, несмотря на иллюзию, будто они сходятся к солнцу, как гигантский веер. Таким же образом мы видим, как рельсы железной дороги вдалеке исчезают в одной точке.
В Германии о сумеречных лучах говорят «Солнце пьет воду», в Голландии – «Солнце стоит на ножках», англичане окрестили это явление «Лестницей Якоба» (или по библейской легенде — «Лестницей Иакова»), иногда даже – «Лестницей ангелов» или «Божьми пальцами», «Вратами к небесам» или «Лестницей к небесам». В племени Маори есть легенда о герое Мауи Потики (Maui Potiki), который обвязал солнце верёвками, чтобы удлинить дни. Поэтому у них сумеречные лучи называются «Верёвки Мауи» («taura a Maui»).
Кроме того, красная, жёлтая, малиновая пылающая краска сумеречных лучей объясняется тем, что благодаря кислородной атмосфере (в кристаллическом виде этот газ как раз цвета индиго) голубой и зелёный коротколновой свет из спектра солнечного излучения рассеивается молекулами воздуха.
Как работают антисумеречные лучи?
Именно сумеречные лучи рождают такое редкое и удивительно эффектное явление, как антисумеречные лучи (в английском варианте – «anticrepuscular rays»), кажущиеся поначалу чем-то неестественным. Да и не всем везёт их увидеть – для этого нужно не забыть обернуться, оторвав взгляд от красочного заката, что уже само по себе непросто.
Рассеиваясь через так называемый «аэрозоль» в атмосфере, солнечные лучи, которые встретили на своём пути вершину горной гряды или облака с разрывами, отклоняются по направлению к «антисолярной» точке, — тоесть к точке на восточном горизонте, которая является диаметрально противоположной той западной точке, в которой садится солнце. Точные наблюдения физиков указывают на то, что сумеречные и антисумеречные лучи на западе и на востоке соответствуют друг другу попарно — и, по сути, являют собой одни и те же солнечные лучи, которые обогнули небесную сферу и проецировались в виде кругов. У таких лучей лучше всего видны яркие концы, а их дуговидная форма – ни что иное, как результат оптической иллюзии, поскольку в действительности они параллельны. Этот оптический обман объяснил еще Леонардо да Винчи. Сумеречные и антисумеречные лучи также иногда могут быть видимыми из-под воды, — особенно в арктических областях, благодаря ледяным трещинам во льду и ледяным торосам (нагромождениям обломков льда до 10-20 метров в высоту, которые образуются в результате сжатия ледяного покрова).
А вот американским фотографам всё-таки повезло: на снимках запечатлены антисумеречные лучи в окрестностях города Боулдер (штат Калифорния, США), и заход солнца возле каньона «Подкова» (Штат Юта, США). Подробнее об этом уникальном явлении можно прочитать в книге М. Миннарта «Свет и цвет в природе», переведенной на русский в 1969 году.
Световой, или солнечный столб
В ангийском варианте это звучит как «Light pillar». Солнечный столб – это вполне изученный оптический эффект, представляющий собой вертикальную полосу света, которая тянется ввысь от заходящего или восходящего солнца. Это явление вызывается ледяными кристаллами (шестиугольными плоскими или же столбовидными) с плоскими, почти горизонтальными параллельными поверхностями. Повисая в холодном воздухе, эти плоские кристаллы, преломляя солнечный свет, способны вызывать солнечный столб, вид которого зависит от взаимного расположения кристаллов:
- Плоские шестиугольные «работают», если светило находится на высоте шести градусов над горизонтом (либо позади него);
- Столбовидные кристаллы «включаются» в игру солнечного света, если светило поднимается на высоту в двадцать градусов над горизонтом.
- Нередко световые столбы формируются вокруг Луны, огней больших городов и других ярких источников света. Исходя от низко расположенных источников света, столбы обычно получаются намного длиннее, чем солнечные или лунные. И чем ближе наблюдатель находится по отношению к световому столбу, тем менее на его внешнем виде сказывается пространственное расположение кристаллов.
Эффект Тиндаля
Иногда этот любопытный оптический эффект ещё называют «рассеянием Тиндаля» (в английском варианте – «Tyndall effect»), названный по имени открывшего его Джона Тиндаля (родился в 1893 году в Ирландии), — английского физика, члена Лондонского королевского общества. Тиндаль так же изучал строение и движение Альпийских ледников, и благодаря его открытиям в национальном парке Торрес-дель-Пайне (в Чили) в его честь был назван ледник Тиндаль. Его книги по рассеянию света в мутных средах, акустике, магнетизму, поглощению теплового излучения газами и парами переведены на многие языки мира.
Суть эффекта Тиндаля проста: при прохождении пучка света через оптически неоднородную среду — будь то любые непрозрачные, крупные или мелкие скопления предметов, обычно можно наблюдать рассеяние света в виде светящегося конуса, хорошо видимого на тёмном фоне (так называемый конус Тиндаля).
Этот эффект характерен для табачного дыма, тумана, металлов, разбавленных латексов и других растворов коллоидных систем. Частицы этих материалов и окружающая их среда различаются по показателю преломления. Так мы можем наблюдать туманным утром рассеивание солнечных лучей в лесной чаще.
Источник
Топ-20 самых невероятных световых явлений (20 фото)
Величественные эффекты, оптические иллюзии, миражи, красоты ночного неба – все это порождает игра света… Двадцать самых красивых световых явлений – перед вами.
Известна как «огненная радуга». Цветные полосы возникают прямо на небосводе в результате прохождения света через кристаллы льда в перистых облаках, покрывая небо «радужной пленкой». Этот природный феномен очень трудно увидеть, так как и кристаллы льда, и солнечный свет должны оказаться под определенным углом друг к другу, чтобы создать эффект «огненной радуги».
В некоторых районах Земли можно наблюдать удивительное явление: 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. Свое название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, на которой, из-за частых туманов, можно регулярно наблюдать этот эффект.
Околозенитная дуга — это 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.
Туманный ореол похож на бесцветную радугу. Как и обычная радуга, этот ореол образуется путем преломления света через водяные кристаллы. Однако, в отличие от облаков, формирующих обычную радугу, туман, рождающий этот ореол, состоит из более мелких частиц волы, и свет, преломляясь в крошечных капельках, не расцвечивает его.
Когда свет подвергается эффекту обратного рассеивания (дифракция света, ранее уже отраженного в водяных кристаллах облака), он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал, и образует эффект, получивший название «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. Радужные круги Глории в Китае еще называют Светом Будды. На этой фотографии прекрасный радужный ореол окружает тень воздушного шара, упавшую на находящееся ниже него облако.
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 атмосфере присутствуют небольшие кристаллы воды, и когда их грани образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, того, кто наблюдает эффект, и кристаллы, на небе становится виден характерный белый ореол, окружающий Солнце.
Так грани отражают лучи света с отклонением на 22°, образуя 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».
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. Своей расцветкой облака, как и радуга, обязаны различной длине волн света.
Темное ночное небо и яркий свет Луны часто порождают явление, именуемое «лунной радугой» – радуга, появляющаяся в свете Луны. Такие радуги располагаются на противоположной от Луны стороне небосвода и чаще всего кажутся абсолютно белыми. Впрочем, иногда их можно увидеть во всей красе.
«Паргелий» в переводе с греческого – «ложное солнце». Это одна из форм гало (см. пункт 6): на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца, расположенных на той же высоте над горизонтом, что и настоящее Солнце. Миллионы кристаллов льда с вертикальной поверхностью, отражающие Солнце, и образуют это красивейшее явление.
Радуга – самое красивое атмосферное явление. Радуги могут принимать различные формы, общим для них является правило расположения цветов – в последовательности спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Радуги можно наблюдать, когда Солнце освещает часть неба, а воздух насыщен капельками влаги, например, во время или сразу после дождя.
В древности появлениям радуги на небе придавали мистический смысл. Увидеть радугу считалось хорошим предзнаменованием, проехать или пройти под ней сулило счастье и успех. Двойная радуга, как говорили, приносит удачу и исполняет желания. Древние греки верили, что радуга – это мост на небо, а ирландцы считали, что на другом конце радуги находится легендарное золото лепреконов.
Свечение, наблюдаемое на небе в полярных областях, называют северным, или полярным сиянием а так же южным – в Южном полушарии). Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний – предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории.»
Полярные сияния, как считают ученые, возникают вследствие бомбардировки верхних слоев атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный м южный магнитные полюса (авроральные овалы)».
Конденсационный (инверсионный) след
Конденсационные следы – это белые полосы, оставляемые в небе самолетами. По своей природе они являются сконденсированным туманом, состоящим из влаги, находящейся в атмосфере и выхлопных газах двигателей. Чаще всего эти следы недолговечны – под воздействием высоких температур они попросту испаряются. Однако некоторые из них спускаются в более низкие слои атмосферы, образуя перистые облака.
Экологи считают, что преобразованные таким образом конденсационные следы самолетов оказывают негативное влияние на климат планеты. Тонкие высотные перистые облака, которые получаются из видоизмененных самолетных следов, препятствуют прохождению солнечных лучей и как следствие понижают температуру планеты, в отличие от обычных перистых облаков, которые способны сохранять тепло земли
След выхлопных газов ракеты
Воздушные потоки в высоких слоях атмосферы деформируют инверсионные следы космических ракет, а частички выхлопных газов преломляют солнечный свет и окрашивают следы во все цвет радуги. Огромные разноцветные завитки тянутся на несколько километров по всему небу перед тем, как испариться.
Поляризация – это ориентированность электромагнитных колебаний световой волны в пространстве. Поляризация света возникает, когда свет под определенным углом падает на поверхность, отражается и становится поляризованным. Поляризованный свет также свободно распространяется в пространстве, как и обычный солнечный свет, но человеческий глаз, как правило, не способен уловить изменение цветовых оттенков в результате усиления эффекта поляризации.
Этот снимок, сделанный при помощи широкоугольного объектива с поляризационным фильтром показывает, какой интенсивно-синий цвет придает небу электромагнитный заряд. Такое небо мы можем увидеть только через фильтр фотокамеры.
Звездный след Невидимый невооруженным глазом «звездный след» можно запечатлеть на фотокамеру. Этот снимок был сделан ночью, при помощи камеры, установленной на штатив, с полностью открытой диафрагмой объектива и более чем часовой выдержкой. На фотографии показано «движение» звездного неба – естественное изменение положения Земли в результате вращения заставляет звезды «двигаться». Единственная неподвижная звезда – Полярная, которая указывает на астрономический Северный полюс.
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.
Короны, или венцы – это небольшие цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. Во время затмений именно корона окружает затемненное солнце.
Сумеречные лучи Сумеречные лучи – расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видны благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед закатом или после рассвета.
Оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности, выражается в возникновении обманного изображения – миража. Миражи можно наблюдать в жарком климате, особенно в пустынях. Ровная поверхность песка вдалеке становится похожей на открытый источник воды, особенно если смотреть вдаль с дюны или холма.
Похожая иллюзия возникает в городе в жаркий день, на нагретом лучами солнца асфальте. На самом деле «водная поверхность» – это ни что иное, как отражение неба. Иногда миражи показывают целые объекты, находящиеся на большом расстоянии от наблюдателя
А это явление, которое жители острова Мадейра, что в Атлантическом океане, наблюдали однажды, не поддается никакой классификации. Но поистине завораживающее зрелище!
Источник