Как свет раскрывает физику атмосферы: рассеяние, преломление и отражение

Голубое небо, радуга и мираж выглядят как события одного рода, но возникают из-за разных взаимодействий света с атмосферой. В одном случае важны молекулы воздуха, в другом — капли воды или ледяные кристаллы, а иногда — плавное изменение температуры и плотности воздушных слоёв. Если различать рассеяние, преломление, отражение и дифракцию, многие оптические явления становятся понятными без предположения, что в небе появился отдельный источник света.

Этот разбор посвящён именно видимым эффектам солнечного и лунного света. Он не охватывает все атмосферные процессы: например, молнии связаны с электризацией облаков, а полярные сияния — с взаимодействием частиц из космоса с верхней атмосферой. Зато на примере нескольких оптических явлений можно увидеть, как состояние воздуха и облаков меняет направление и распределение света.

Четыре способа изменить свет в атмосфере

Свет распространяется через воздух не в полностью пустом пространстве. Молекулы, аэрозольные частицы, капли и кристаллы льда могут рассеивать его, пропускать под новым углом, отражать или разделять на заметные цветовые составляющие. Конкретный результат зависит не только от вещества, но и от размера частиц, их формы, расположения и угла, под которым на них падают лучи.

• Рассеяние меняет направление распространения света. Оно объясняет, в частности, голубой цвет ясного неба.
• Преломление — изменение направления луча при переходе между средами или слоями с разными оптическими свойствами. Оно участвует в образовании радуги, гало и миражей.
• Отражение возвращает часть света от поверхности или границы сред. Внутреннее отражение внутри капли входит в механизм радуги.
• Дифракция связана с распространением волн вблизи препятствий и через малые структуры. Она создаёт цветные кольца короны вокруг светила.

Эти механизмы могут сочетаться. Радуга, например, не сводится к простому отражению: в капле луч преломляется при входе и выходе, а между этими событиями частично отражается внутри. Поэтому полезнее спрашивать не «какое явление вызвал один процесс?», а «какие процессы и при какой геометрии сложились вместе?»

Почему небо голубое, а закаты краснеют

Рассеяние на молекулах воздуха

При ясной погоде молекулы газов в атмосфере рассеивают солнечный свет. Для частиц, намного меньших длины волны видимого света, рассеяние сильнее на коротких волнах; в приближении Рэлея его интенсивность обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Поэтому синий и фиолетовый компоненты рассеиваются заметнее красного.

Небо при этом не выглядит фиолетовым, хотя фиолетовый свет также рассеивается эффективно. На восприятие влияют спектр солнечного излучения, поглощение части коротковолнового света в верхней атмосфере и чувствительность человеческого зрения, которое лучше воспринимает синий диапазон. Цвет неба — результат сочетания физического спектра и работы глаза, а не отражение океана.

На закате солнечный свет проходит через более длинный путь в атмосфере, чем при высоком положении Солнца. По дороге значительная доля коротковолнового света рассеивается в стороны, и прямой свет, достигающий наблюдателя, становится относительно богаче красными и оранжевыми оттенками. Пыль и аэрозоли способны менять картину, но не дают простой гарантии особенно яркого заката: итог зависит от распределения частиц, облаков и прозрачности воздуха.

Радуга: цветовой порядок внутри капель

Первичная радуга появляется, когда солнечный свет попадает в капли воды, преломляется на входе, отражается внутри и снова преломляется при выходе. Показатель преломления воды зависит от длины волны, поэтому разные цвета отклоняются неодинаково. В результате лучи выходят из капель в разных направлениях и достигают глаза наблюдателя раздельно по цветам.

Радуга — не предмет, расположенный в определённой точке неба. Её геометрия зависит от положения наблюдателя, Солнца и капель: центр дуги находится на направлении, противоположном Солнцу. У первичной радуги угловой радиус составляет примерно 42° для красного края и около 40° для фиолетового. Поэтому красный цвет обычно находится с внешней стороны дуги, а фиолетовый — с внутренней.

Для наблюдения первичной радуги Солнце должно находиться позади наблюдателя, а капли воды — перед ним. Вторичная радуга возникает при двух внутренних отражениях света в капле; она слабее, а порядок цветов в ней обратный. Между основной и вторичной дугами обычно заметна более тёмная область, поскольку направления выхода лучей распределяются там иначе.

Гало: ледяные кристаллы вместо капель

Светлое кольцо вокруг Солнца или Луны часто связано не с дождевыми каплями, а с ледяными кристаллами в высоких облаках. Для распространённого гало радиусом около 22° существенна геометрия шестигранных кристаллов: луч преломляется при прохождении через грани, угол которых позволяет свету выйти в заметном диапазоне направлений. Это не тот же механизм, что создаёт радугу.

Кольцо гало часто выглядит беловатым, хотя ближе к внутреннему краю иногда различимы слабые оттенки. Угловой размер и расположение помогают отличить его от короны: гало обычно велико и связано с ледяными кристаллами, тогда как корона — сравнительно компактные цветные кольца, возникающие из-за дифракции на мелких каплях в облаке. Один только цвет не является надёжным признаком, поэтому важны форма и размер явления.

Наблюдать гало вокруг Солнца следует осторожно: смотреть прямо на светило опасно для зрения. Чтобы заметить кольцо, лучше закрыть Солнце непрозрачным предметом, не направляя на него бинокль, фотоаппарат с оптическим видоискателем или другой увеличивающий прибор. Для лунного гало это ограничение не актуально в той же степени, поскольку яркость Луны значительно меньше солнечной.

Корона и мираж: мелкие капли и неодинаково нагретый воздух

Цветные кольца облачной короны

Корона выглядит как небольшие цветные кольца вокруг Солнца или Луны, когда свет проходит рядом с облаком, содержащим множество мелких водяных капель. Волны огибают капли и складываются друг с другом; итоговое распределение света зависит от размеров капель. Поэтому корона обычно теснее прилегает к светилу, чем гало, образованное преломлением в ледяных кристаллах.

По внешнему виду короны нельзя точно определить размер капель без измерений: результат зависит также от того, насколько однородны их размеры и как устроено облако. Однако изменение заметности и ширины цветных колец может указывать, что свойства облачного слоя неодинаковы. Это полезный пример того, как оптический эффект несёт информацию о среде, но не заменяет приборных наблюдений.

Мираж как преломление в слоях воздуха

Мираж возникает, когда свет проходит через слои воздуха с разной температурой и плотностью. Оптические свойства воздуха меняются вместе с его состоянием, поэтому траектория луча постепенно изгибается. Наблюдатель мысленно продолжает пришедший луч по прямой и может увидеть смещённое или искажённое изображение удалённого объекта.

При нагревании поверхности земли нижний слой воздуха может оказаться теплее и менее плотным, чем воздух выше. В таких условиях возникает нижний мираж: изображение неба у поверхности дороги или пустыни может восприниматься как блестящая водная поверхность. Это не отражение неба от лужи, хотя зрительное впечатление на расстоянии похоже. В других температурных профилях изображения могут смещаться вверх или повторяться; такие случаи относятся к более сложным миражам.

Как различать явления: краткая сравнительная таблица

Таблица описывает типичные механизмы, а не заменяет наблюдение условий. В реальной атмосфере одновременно присутствуют облака, аэрозоли, неоднородности температуры и влажности; они могут ослаблять, усиливать или изменять видимый эффект. Кроме того, слабое явление легко спутать с другим, если оценивать только отдельный цвет или яркость.

Что можно заключить по оптическому явлению

Наблюдение позволяет выдвинуть физически обоснованную версию, но не всегда установить точные свойства атмосферы. Радуга говорит о каплях воды и подходящей геометрии освещения; гало указывает на ледяные кристаллы; мираж — на значимый градиент оптических свойств воздуха. Но ни один из этих признаков сам по себе не сообщает точную высоту облака, размер каждой капли или профиль температуры.

Для первичной оценки полезно задать четыре вопроса:

1. Где находится Солнце или Луна относительно наблюдателя?
2. Выглядит ли эффект как широкая дуга, большое кольцо, тесные цветные кольца или искажённое изображение?
3. Есть ли рядом дождь, туман, тонкая облачность или признаки ледяных облаков?
4. Меняется ли изображение при перемещении наблюдателя или при изменении угла взгляда?

Такой подход связывает видимый результат с возможным механизмом, но сохраняет важное различие между наблюдением и измерением. Атмосфера — меняющаяся среда, и похожие внешние картины иногда имеют разные причины. Именно поэтому точные выводы о состоянии воздуха получают с помощью наблюдений и приборов, а не по одному эффектному зрительному признаку.

Частые вопросы

Радуга всегда имеет форму полной окружности?

Геометрически радуга может образовывать окружность, но с поверхности земли нижнюю часть часто закрывает горизонт. Полный круг иногда виден с высоты, например с самолёта, если капли находятся ниже наблюдателя и ничто не перекрывает поле зрения. Видимая дуга определяется положением наблюдателя и освещённых капель.

Гало и корона — это одно и то же?

Нет. Обычное гало связано главным образом с преломлением света в ледяных кристаллах, а корона — с дифракцией на мелких каплях облака. Гало обычно имеет больший угловой размер, тогда как корона располагается ближе к Солнцу или Луне.

Почему мираж чаще замечают над горячей дорогой?

Асфальт может сильно нагреваться и нагревать прилегающий к нему воздух. Возникающий вертикальный градиент температуры меняет преломление света по пути к глазу и может создать видимость отражённого неба. Это не означает, что миражи возможны только над дорогами: важны условия в слоях воздуха, а не конкретный тип поверхности.

Можно ли по цвету неба определить погоду?

Цвет зависит от рассеяния, облачности, аэрозолей и освещения, поэтому сам по себе он не даёт надёжного прогноза. Для оценки погоды нужны другие сведения, включая наблюдения облаков и метеорологические измерения. Оптическое явление помогает понять некоторые свойства среды, но не заменяет прогноз.

Фактическая основа

Описание механизмов и терминов согласуется с общепринятыми сведениями по оптике атмосферы и классификацией гидрометеоров во Всемирном метеорологическом справочнике облаков (WMO International Cloud Atlas), а также с учебными материалами метеорологических и научных организаций о рассеянии света, радугах и атмосферных гало. Численные углы указаны как приблизительные значения для типичных геометрических условий.