Мираж

Вечером мы видим солнце еще некоторое время после того, как оно уже скрылось за горизонтом. А далекие предметы нам представляются немного выше и ближе в сравнении с их реальным расположением.

Повторяю, рефракция световых лучей в атмосфере происходит постоянно и повсеместно. Чаще всего мы eё попросту не замечаем: преломление световых лучей незначительное, они не слишком искажают образы предметов, на которые мы смотрим, и практически мы их видим там, где они есть в действительности.

Чтобы такие искажения стали заметны, необходимы особые условия, при которых, как говорят оптики, происходит полное внутреннее отражение света в атмосфере. Чаще всего это бывает, когда воздух по вертикали резко расслаивается. Тогда свет от некоторых воздушных слоев отражается, как от зеркала. Вот здесь и лежит научная разгадка таких оптических явлений, как миражи. Иными словами, миражи — это мнимые изображения объектов, которые на самом деле нам не видны. И какими только эти изображения не бывают прямыми или перевернутыми, вытянутыми или, наоборот, сплющенными... А то и вовсе искаженными до неузнаваемости, и тогда наблюдатель может (что случалось раньше случается и сейчас по разным причинам с людьми, ставшими свидетелями необычного явления) представить себе что угодно и подумать о чем угодно...

Летом, в жаркие дни, когда солнце сильно нагревает земную поверхность, прилегающий к ней слой воздуха то же, естественно, нагревается и становится по этой причине менее плотным. Световые лучи отражаются от та кого слоя как от поверхности воды — так возникают условия для появления «озерного», или нижнего, миража.

«Озерный» мираж наносит огромный удар по психике человека, впервые попавшего в пустыню, особенно если он к тому же страдает от жары и жажды.

...Пышут жаром песок и камни. Воздух недвижим. Небо затянуто красноватой мглой, в которой потонула солнце, и потерялся горизонт. Людям, бредущим с караваном, трудно, они устали — где бы укрыться и найти прохладу? И вдруг перед ними на горизонте возникает озеро, их окрыляет надежда, они спешат к. озеру, а его все нет и нет. А то, глядишь, и совсем пропало, будущего никогда и не было. И действительно, не было! Раскаленный и разреженный у земной поверхности воздух превратился в атмосферное зеркало, в котором отразилось... небо. Легкие колебания отражающего приповерхностного воздушного слоя благодаря рефракции вызывают у страждущих путников иллюзию водной глади, подернутой рябью.

Как-то французский военный отряд шел по пустыне. Неожиданно перед ним на горизонте один за другим замаячило несколько всадников. Послали солдата в разведку, через некоторое время отряд с изумлением и страхом наблюдал, как там же, на горизонте, появился еще один всадник или нечто похожее на всадника невероятных, прямо-таки фантастических размеров. Казалось, в довершении всего, что он шествует по огромному, подернутому рябью озеру.

У страха глаза велики, говорит пословица. Случай с французским военным отрядом — наглядное тому подтверждение: фигуры всадников французским солдатам померещились. За всадников — что вполне естественно, поскольку отряд был военный и ждал встречи с противником,— они приняли стаю фламинго, проходивших гуськом в полосе миража, и своего солдата-разведчика. Ни самих фламинго, ни солдата отряд не видел, он видел искаженные до неузнаваемости их изображения.

 

2. Объяснение возникновения миражей

2.1. Объяснение  нижнего («озерного») миража

Если воздух у самой  поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность  относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности для рассматриваемого случая показано на рисунке 2.1,а. Заметим, что изменение показателя преломления с высотой представлено на рисунке для наглядности более значительным, чем это наблюдается в действительности.

В соответствии с установленным выше правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз (рис. 2.1,б). Пусть в точке А (рис. 2.1,в) находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее (см. штриховую прямую на рисунке 2.1,в). Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Представим теперь, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты. Благодаря отмеченному выше искривлению лучей наблюдатель увидит их перевернутыми (рис. 2.1,г) и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.

 

Рис.2.1,а) Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности, б) световые лучи вблизи поверхности земли

 

Рис.2.1,в) Озерный мираж, г) перевернутое изображение предметов.

2.2. Простые верхние  миражи

Теперь предположим, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями; изменение n с высотой h показано качественно на рисунке 2.2.1,а. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория   обращена    выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта (рис. 2.2.1,б). Недаром такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Показанное на рисунке 2.2.1,б прямое  изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом просто  убедиться, если рассмотреть гипотетический случай — показатель преломления воздуха на некоторой высоте h1 уменьшается скачком (рис.2.2.2,а). Для простоты кривизна земной поверхности не принимается во внимание. Лучи от объекта, прежде чем попасть к наблюдателю A испытывают полное внутреннее отражение от границы BC ниже которой в данном случае находится более плотный, а выше - менее плотный воздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности, разумеется, нет скачкообразной границы между слоями воздуха; переход совершается постепенно. Однако если он совершается достаточно резко, верхний мираж даст перевернутое изображение (рис. 2.2.2,6).

 

Рис.2.2.1,а) изменение n с высотой h, б) наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом.

 

Рис.2.2.2,а) показатель преломления воздуха на некоторой высоте h1 уменьшается скачком, б) если переход показателя преломления совершается достаточно резко, верхний мираж даст перевернутое изображение.

2.3. Двойные и  тройные миражи

Допустим, что показатель преломления воздуха уменьшается  с высотой сначала быстро, а затем медленно (рис. 2.3.1,а). В этом случае световые лучи в области / будут искривляться сильнее, чем в области //. В результате возникают два изображения (рис. 2.3.1,б). Световые лучи 1, распространяющиеся в пределах воздушной области / (те самые, которые сильно искривляются), формируют перевернутое изображение объекта. Лучи 2, распространяющиеся в основном в пределах области //, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

 

Рис.2.3.1,а) показатель преломления воздуха уменьшается с высотой сначала быстро, а затем медленно

 

Теперь представим себе, что существуют три последовательные воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и, наконец, третья, где показатель преломления снова уменьшается медленно. В этом случае возможен тройной мираж. На рисунке 2.3.2,а представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой; цифрами /, //, /// обозначены соответствующие воздушные области (начиная от приповерхностной). На рисунке 2.3.2,б показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее прямое изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области /. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадая в воздушную область //, эти лучи испытывают достаточно сильное искривление. Наконец, лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта .

 

Рис.2.3.2,а) преломления с высотой, б) возникновение тройного миража.

Двойной мираж может  возникнуть также в случае, когда у самой поверхности воздух сильно нагрет, выше охлажден, а еще выше снова нагрет. Показатель преломления воздуха с высотой сначала возрастает, а затем начинает уменьшаться (рис.2.3.3,а). В данном случае ход световых лучей от объекта к наблюдателю может иметь вид, показанный рисунке 2.3.3,б (как обычно, через А   обозначен наблюдатель). На рисунке выделены две воздушные области: область, где показатель преломления растет с высотой, и область, где показатель преломления с высотой уменьшается. Судя по рисунку, наблюдатель увидит два изображения объекта — одно выше линии горизонта, а другое (перевернутое) ниже. Первое изображение формируют лучи 1, а второе — лучи 2.

Под влиянием ветра и  вертикальных воздушных потоков слой холодного воздуха может искажаться, изменять толщину, перемещаться по высоте. Поэтому как верхнее, так и нижнее изображения будут изменяться со временем, создавая картину сменяющих друг друга видений.

Так возникает знаменитая «Фата-Моргана».

 

Рис.2.3.3,а) Показатель преломления воздуха с высотой сначала возрастает, а затем начинает уменьшаться, б) ход световых лучей от объекта  к наблюдателю.

 

2.4. Миражи сверхдальнего видения

 

Природа этих миражей  изучена менее всего. Ясно, что  атмосфера должна быть очень прозрачной, свободной от загрязнений и водяных паров. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой

высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Данная ситуация похожа на ту, какую мы рассматривали на рисунке 2.11,а. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, оказывается как бы «запертым» внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Обратим внимание, что траектория луча на этом рисунке все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных «световодов», которые иногда создает природа. Впрочем, такое объяснение нельзя считать исчерпывающим. Возможно, что при каких-то условиях в атмосфере образуются своеобразные воздушные линзы, а также возникают вторичные миражи (миражи от миражей). Возможно, наконец, что определенную роль в возникновении сверхдальних миражей играет ионосфера (слой ионизованных газов на высотах от 70...100 км), которая способна отражать световые волны.

 

3. Искусственные миражи

3.1. Искривление светового луча в оптически неоднородной среде

В. В. Майер в своей  книге «Простые опыты по криволинейному распространению света» предлагает опыт наблюдения распространения света в оптически неоднородной среде. Он предлагает взять две смешивающиеся жидкости с разными показателями преломления, окрасить жидкости соответствующим образом и аккуратно расположить одну над другой. Жидкости будут взаимно диффундировать друг в друга, и постепенно между ними образуется переходный слой с плавным изменением показателя преломления в вертикальном направлении. Остается лишь пустить в этот слой узкий световой пучок и пронаблюдать, как он будет распространяться.

В расположенную горизонтально  плоскопараллельную кювету размером 50 X 120 X 350 мм³ вначале залейте подкрашенную хвойным концентратом воду. На конец большой воронки наденьте резиновый шланг и закрепите воронку над кюветой в лапке штатива (воронку можно держать рукой, если опыт вы готовите вдвоем). Пальцами пережмите шланг и залейте в воронку подкрашенный раствор поваренной соли. Затем погрузите шланг в воду и направьте его выходное отверстие на стенку кюветы возле ее дна. Постепенно ослабляйте зажим шланга. Вначале из отверстия шланга начнут выходить воздушные пузырьки, а потом станет вытекать раствор соли, который будет растекаться по дну кюветы и вытеснять воду вверх.

Спешить здесь не нужно: следует все сделать так, чтобы  жидкости не перемешались. Когда раствор соли полностью перейдет из воронки в нижнюю часть кюветы, вновь пережмите шланг   и   осторожным,   но   быстрым   движением удалите его из жидкостей.

 

Рис. 3.1.1. Распространение света в оптически неоднородной среде: в кювете вверху находится вода, внизу — насыщенный раствор поваренной соли, падающий на кювету слева световой пучок, был сделан видимым благодаря табачному дыму.

 

Дальше все сравнительно просто. Установите осветитель, сфокусируйте свет в виде узкого пучка и направьте его па боковую стенку кюветы так, чтобы он падал на границу раздела жидкостей снизу. Если жидкости окрашены одинаково и залиты в кювету аккуратно, то граница раздела между ними получится очень четкой, и видна она будет только вблизи. В этом случае в темноте вы увидите красивый зеленый пучок света, который испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела жидкостей, если падает на эту границу под углом, большим предельного (рис. 3.1.1).

3.2. Собственный  опыт

В 0,5 литре прокипяченной  воды растворила 350 г сахара. В кювету размером 25 X 100 X 240 мм³,на дне которой лежит зеркало, сначала заливают раствор поваренной соли. Затем медленно и осторожно, по лезвию ножа тоненькой струйкой наливают поверх солевого раствора воду. Если сделать это осторожно и без спешки, то граница раздела будет четкой, а смешивание жидкостей минимальным.