Один и тот же солнечный свет может сделать небо голубым, окрасить облако в белый цвет, образовать радужную дугу или создать иллюзию водной глади над дорогой. Причина не в разных видах света, а в том, как свет взаимодействует с молекулами воздуха, каплями воды, кристаллами льда и слоями атмосферы с разной температурой. Чтобы понять это разнообразие, полезно различать три механизма: рассеяние, преломление и дифракцию. В реальных условиях они могут действовать одновременно, но обычно один из них определяет вид наблюдаемого явления.
- Что происходит со светом в атмосфере
- Молекулы и аэрозоли рассеивают свет по-разному
- Как возникают ореолы и короны
- Ореол: преломление в ледяных кристаллах
- Корона: дифракция на мелких каплях
- Радуга: преломление и отражение внутри капель
- Мираж: изгиб луча в неоднородном воздухе
- Сравнение основных явлений
- Как наблюдать и различать явления
- Частые вопросы
- Ореол и корона — это одно и то же?
- Почему радуга всегда видна напротив Солнца?
- Почему мираж похож на воду?
- Можно ли по цвету неба точно определить загрязнение воздуха?
Что происходит со светом в атмосфере
Свет — электромагнитное излучение. Видимый диапазон занимает приблизительно область от 0,4 до 0,7 микрометра, а частицы и неоднородности в воздухе могут быть как намного меньше этих длин волн, так и сравнимы с ними или крупнее. Отношение размера частицы к длине волны влияет на характер взаимодействия. Не менее важны форма частиц, их состав, направление солнечных лучей и положение наблюдателя.
Рассеяние меняет направление распространения света. Преломление означает изменение направления луча при переходе через среду с другим показателем преломления или при плавном изменении этого показателя внутри воздуха. Дифракция возникает, когда волна огибает препятствие или взаимодействует с частицами, размер которых сопоставим с длиной волны. Эти определения помогают связать видимую картину с физическим процессом, а не объяснять все явления одним словом «отражение».
Молекулы и аэрозоли рассеивают свет по-разному
Молекулы воздуха намного меньше длины волны видимого света. Для такого случая характерно рэлеевское рассеяние: при прочих равных короткие волны рассеиваются сильнее длинных. Именно поэтому рассеянный свет дневного неба обычно выглядит голубым. На закате солнечный луч проходит через более длинный путь в атмосфере, и часть коротковолнового света успевает рассеяться в стороны; прямой свет у горизонта может казаться красным или оранжевым.
Это объяснение не означает, что любой закат будет ярко-красным. На цвет влияют облака, влажность, пыль, дым и другие аэрозоли, а также состояние атмосферы вдоль пути луча. Частицы аэрозоля нередко сравнимы с видимой длиной волны или превосходят её. Для них важнее становится рассеяние Ми: оно часто направлено преимущественно вперёд, а его цветовая зависимость не совпадает с простой картиной рассеяния на молекулах.
Как возникают ореолы и короны
Ореол и корона могут выглядеть как светлые или цветные круги вокруг Солнца либо Луны, однако их физические причины различны. Ореолы связаны прежде всего с преломлением света в ледяных кристаллах высоких облаков. Короны возникают в основном из-за дифракции света на мелких каплях облаков или тумана. Поэтому похожее положение вокруг светила ещё не означает одинакового механизма.
Ореол: преломление в ледяных кристаллах
В перистых и некоторых других высоких облаках встречаются кристаллы льда, часто имеющие форму шестигранных призм. Проходя через грани таких кристаллов, солнечный свет преломляется. Для распространённого гало радиусом около 22 градусов существенен ход лучей через грани, расположенные под характерным углом друг к другу. Угол отсчитывают от направления на светило до видимого кольца, а не вдоль поверхности облака.
Наблюдателю обычно видна не отдельная ледяная призма, а результат действия множества кристаллов, по-разному ориентированных в облаке. Углы отклонения лучей создают светлую окружность вокруг источника. Иногда её край имеет слабую окраску, но выраженные цвета чаще заметны в радуге или короне. Солнце для наблюдения кольца может быть ослепительно ярким, поэтому смотреть на него напрямую опасно: безопаснее замечать гало около Луны или закрывать солнечный диск непрозрачным предметом, не направляя взгляд на него.
Корона: дифракция на мелких каплях
Корона обычно выглядит как небольшая последовательность цветных колец непосредственно вокруг Солнца или Луны. Световые волны, прошедшие около капель облака, взаимодействуют друг с другом; в одних направлениях они усиливаются, а в других ослабляются. Так возникают светлые и тёмные участки, а разделение цветов связано с различием длин волн. В отличие от гало, корона чаще бывает компактной и может заметно меняться при изменении размера капель.
Размер колец связан с размером рассеивающих частиц: при прочих равных более мелкие капли дают более широкую дифракционную картину, а более крупные — более тесную. Это качественная зависимость, а не надёжный способ определить размер капель на глаз: на наблюдение влияют распределение частиц по размерам, неоднородность облака и яркость источника. Если капли сильно различаются по размеру, цветные кольца могут размываться.
Радуга: преломление и отражение внутри капель
Радуга появляется, когда солнечный свет входит в водяные капли, преломляется, отражается внутри них и выходит наружу. Капля действует как маленькая оптическая система, а свет разных цветов выходит в несколько разных направлениях. Наблюдатель видит дугу, потому что нужные лучи приходят к нему от капель, расположенных под соответствующими углами относительно направления, противоположного Солнцу.
У первичной радуги угловой радиус составляет приблизительно 42 градуса для красного света и около 40 градусов для фиолетового. Поэтому красный цвет находится на внешней стороне дуги, а фиолетовый — на внутренней. Вторичная радуга возникает после двух внутренних отражений в капле; она обычно слабее первичной и имеет обратный порядок цветов. Наблюдатель не может подойти к радуге как к предмету: её положение зависит от направления на Солнце и от капель, которые в данный момент посылают свет в его сторону.
Для появления радуги Солнце должно находиться позади наблюдателя, а дождевые капли — перед ним. Именно поэтому радугу часто ищут в стороне, противоположной Солнцу. Когда Солнце стоит высоко, дуга оказывается низко и может быть скрыта горизонтом; при низком Солнце видимая часть дуги способна быть больше. Эти условия объясняют, почему радуга возникает не при каждом дожде и не в любом направлении.
Мираж: изгиб луча в неоднородном воздухе
Мираж нередко называют оптическим обманом, но его причина физична: показатель преломления воздуха зависит от его плотности, а плотность связана, среди прочего, с температурой. Если нижние слои атмосферы прогреты сильнее верхних или, наоборот, распределение температуры иное, показатель преломления меняется с высотой. Луч света постепенно изгибается, и наблюдатель видит изображение объекта в необычном месте. Это не отражение от настоящей водной поверхности.
Нижний мираж часто наблюдают над сильно нагретой дорогой или другой раскалённой поверхностью. Воздух у земли там теплее и менее плотный, чем выше; градиент показателя преломления может заставить лучи изгибаться так, что в поле зрения возникает перевёрнутое или смещённое изображение неба. Издали оно похоже на блестящую лужу. Дорога при этом может оставаться совершенно сухой.
Верхние миражи связаны с другой вертикальной структурой температуры и показателя преломления. Они способны смещать или деформировать изображения объектов, находящихся за горизонтом или близко к нему. Вид искажения зависит от конкретного профиля воздуха; поэтому не всякое далёкое, размытое или необычно вытянутое изображение следует считать миражом без дополнительных наблюдений.
Сравнение основных явлений
| Явление | Главный механизм | Среда или частицы | Характерный признак |
|---|---|---|---|
| Голубое дневное небо | Рассеяние | Молекулы воздуха | Короткие волны рассеиваются сильнее длинных |
| Гало около 22° | Преломление | Кристаллы льда в облаках | Кольцо с большим угловым радиусом |
| Корона | Дифракция | Мелкие капли воды | Небольшие цветные кольца около светила |
| Радуга | Преломление и внутреннее отражение | Дождевые капли | Дуга напротив Солнца, цвета располагаются в определённом порядке |
| Мираж | Преломление в градиенте воздуха | Слои воздуха разной плотности | Смещение или деформация изображения объекта |
Как наблюдать и различать явления
Для наблюдений полезно сначала отметить положение Солнца или Луны, затем оценить размер и форму светового рисунка и только после этого предполагать его причину. Большое кольцо вокруг светила указывает на гало, небольшие цветные кольца — на возможную корону, а цветная дуга напротив Солнца — на радугу. Мираж распознают не по цвету, а по необычному смещению или искажению удалённых объектов, часто у поверхности земли.
- Учитывайте направление. Радуга находится в стороне, противоположной Солнцу; гало и корона располагаются вокруг источника света.
- Сравнивайте масштаб рисунка. Гало около 22° заметно крупнее компактной короны, хотя оценка на глаз приблизительна.
- Наблюдайте условия. Высокие ледяные облака благоприятны для гало, облака с мелкими каплями — для корон, дождь при Солнце за спиной — для радуги.
- Не смотрите на Солнце напрямую. Яркий солнечный свет способен повредить зрение; наблюдение нужно вести с безопасным ограничением прямого взгляда.
Одна сцена может включать несколько процессов. Например, аэрозоли меняют яркость и оттенок неба, а ледяные кристаллы одновременно преломляют часть солнечного света и образуют гало. Поэтому таблица показывает доминирующий механизм, а не утверждает, что остальные взаимодействия полностью отсутствуют.
Частые вопросы
Ореол и корона — это одно и то же?
Нет. Ореол обычно формируется при преломлении света в ледяных кристаллах, а корона — при дифракции на мелких каплях. Они различаются механизмом и обычно видимым размером: гало радиусом около 22 градусов значительно крупнее короны.
Почему радуга всегда видна напротив Солнца?
Для первичной радуги капли направляют свет к наблюдателю под определёнными углами относительно точки, противоположной Солнцу. Поэтому радуга занимает часть окружности вокруг этой точки. Наблюдатель, переместившись, увидит другую совокупность капель и фактически другую радугу.
Почему мираж похож на воду?
Нижний мираж может направить к глазу свет от неба так, что он создаёт яркую отражённую на вид область у поверхности. Зрительная система интерпретирует её как блеск воды, хотя настоящей лужи может не быть.
Можно ли по цвету неба точно определить загрязнение воздуха?
Нет. Цвет зависит от множества факторов: состава и количества аэрозолей, влажности, облачности, положения Солнца и длины пути света в атмосфере. Один визуальный признак не заменяет измерений качества воздуха.
Атмосферные оптические явления показывают, насколько по-разному свет взаимодействует с воздухом. Молекулы преимущественно рассеивают короткие волны, капли создают дифракционные картины и радуги, ледяные кристаллы формируют гало, а температурные слои изгибают лучи и порождают миражи. Если учитывать размер частиц, их форму и геометрию наблюдения, разнообразные небесные картины становятся понятными следствиями физических законов.
