Ошибки наблюдения
В соответствии с установленным выше правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке А 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. 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 и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.
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. 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. Не даром такие миражи называют верхними. Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. 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, уменьшается скачком. Для простоты кривизна земной поверхности не принимается во внимание. Лучи от объекта, прежде чем попасть к наблюдателю А испытывают полное внутреннее отражение от границы ВС ниже которой в данном случае находится бюлее плотный, а выше - менее плотный воздух. Верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действиительности, разумеется, нет скачкообразной границы между слоями воздуха; переход совершается постепенно. Однако если он совершается достаточно резко, верхний мираж даст перевернутое изображение.
Двойные и тройные миражи. Допустим, что показатель преломления воздуха уменьшается с высотой сначала быстро, а затем медленно. В этом случае световые лучи в первой области будут искривляться сильнее, чем во второй. В результате возникают два изображения. Световые лучи, распространяющиеся в пределах воздушной области (те самые, которые сильно искривляются), формируют перевернутое изображение объекта. Лучи, распространяющиеся в основном в пределах области 2й, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.
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 представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой; цифрами 1, 2, 3 обозначены соответствующие воздушные области (начиная от приповерхностной). На рисунке показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее прямое изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области 1. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадая в воздушную область 2, эти лучи испытывают достаточно сильное искривление. Наконец, лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта.
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. В данном случае ход световых лучей от объекта к наблюдателю может иметь вид, показанный на рисунке (как обычно, через А обозначен наблюдатель). На рисунке выделены две воздушные области: область, где показатель преломления растет с высотой (она окрашена в розовый цвет), и область, где показатель преломления с высотой уменьшается (она окрашена в желтый цвет).
Фата-Моргана. Свое название они получили в честь героини бретонского эпоса Фаты Морганы, в переводе с итальянского «феи Морганы». Говорят, что она, сводная сестра короля Артура, отвергнутая возлюбленная Ланцелота, поселилась от огорчения на дне моря, в хрустальном дворце, и с тех пор обманывает мореплавателей призрачными видениями. Если, например, следовать теории Фрайзера-Маха, то для возникновения фата-морган необходимо, чтобы зависимость температуры воздуха от высоты была нелинейной. Сначала температура возрастает с высотой, но с некоторого уровня скорость ее роста уменьшается. Подобный температурный профиль, только с более крутым «переломом», ученые называют воздушной линзой. Существование такого эффекта метеорологами обосновано, но утверждать, что именно он является причиной возникновения фатаморган, рано. По другой же теории - постоянно меняющиеся миражи, называемые Фата-Моргана, своим возникновением обязаны движущимся один над другим воздушным слоям различной плотности.
В Сицилии, у города Реджо-ди-Калабрия, Фата-Моргана появляется обычно на рассвете при отсутствии ветра. Вот одна из картин, которую можно увидеть. Над морем появляются ряды столбов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Вдруг на глазах у наблюдателя они соединяются в арки, похожие на древние акведуки. Иногда на арках образуется карниз, появляются бесчисленные крепостные башни, которые тут же сменяются колоннадой, колоннада-стеной с окнами, стена-хвойным лесом, и, наконец, видение исчезает.
Фата-Моргана особенно ярка и продолжительна в полярных странах. Один из исследователей Севера так описал Фата-Моргану, которую наблюдал с корабля на 80 с.ш.: "Над горизонтом показались самые причудливые формы, какие только можно себе представить. Они чередовались-колокольни, готические башни, кресты, мечи, горы, покрытые льдом. Принимали вид лесистой равнины, полной различных животных. Медведи, собаки, птицы танцевали в воздухе, иногда отрывались от земной поверхности и уносились высоко в небо... Невозможно описать это величественное зрелище... Видение за видением появлялось, словно по мановению волшебной палочки, и затем столь же быстро исчезало. Спектакль продолжался большую часть дня, но появившийся потом сильный северный ветер прекратил его"».
Помимо миражей существует еще ряд оптических явлений, вызывающих интересные восприятия. «Радуга - это красивое небесное явление - всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, что радуга- это улыбка богини Ириды. Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды. Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя - на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу и противосолнечной линией составляет 41-42 градуса. В момент восхода солнца противосолнечная точка (точка М) находится на линии горизонта и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности. Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около 52 градусов и обратным расположением цветов. При высоте Солнца 41 градус главная радуга перестает быть видимой и над горизонтом выступает лишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца более 52 градусов не видна и побочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах в околополуденные часы это явление природы никогда не наблюдается. У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелле воды и их количества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяющимися цветами, малые - дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли. Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях. Образование цветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложной природы белого света и его дисперсии в среде. Дифракционная теория радуги разработана Эри и Партнером». .
Рис. 13. Объяснения гало
На рисунке показано расположение различных типов гало на небе, которые видит смотрящий вертикально вверх наблюдатель, когда Солнце находится на юге. Светлый туман вокруг Солнца или Луны можно видеть довольно часто. Это бывает тогда, когда небо затянуто пеленой - лёгкими высокими перистыми облаками. Мельчайшие ледяные кристаллики и капельки воды, из которых эти облака состоят, как бы светятся, рассеивая лучи яркого источника света. (Так же блестят зимой замёрзшие окна, создавая ореол вокруг фонаря; подобный ореол можно увидеть и вокруг лампочки, если посмотреть на неё через лёгкую полупрозрачную ткань.) Но иногда, если облака достаточно тонкие и однородные, вокруг Солнца или Луны появляется не просто туманное свечение, а яркий круг, реже сразу несколько кругов - галó (от греч. «галос» -«круг», «диск»).
Гало - белые или радужные световые дуги и окружности вокруг диска Солнца или Луны. Они возникают вследствие преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега. Кристаллы, формирующие гало, располагаются на поверхности воображаемого конуса с осью, направленной от наблюдателя (из вершины конуса) к Солнцу. При некоторых условиях атмосфера бывает насыщена мелкими кристаллами, многие грани которых образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы. Такие грани отражают поступающие лучи света с отклонением на 22°, образуя красноватое с внутренней стороны гало, но оно может состоять и из всех цветов спектра. Реже встречается гало с угловым радиусом 46°, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае на образующих прямые углы гранях кристаллов. Ширина кольца такого гало превышает 2,5°. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен.
Рис. 14. Паргелии и сумеречные лучи
Паргелии. Изредка ледяные кристаллы, составляющие облака, располагаются так, что отдельные участки гало светятся более ярко, образуя паргелии (от греч. «пара» -- «возле» и «гелиос» - «солнце») - ложные солнца. Иногда в тихую погоду на закате или на восходе можно заметить по обе стороны от Солнца столбы света, как бы вздымающиеся к небу из-под Земли. Это лучи, отражённые от вертикально расположенных ледяных кристаллов, из которых образуются медленно опускающиеся перистые облака. Отдельные участки столбов бывают порой настолько яркими, что тоже создают ложные солнца. В сильный мороз такие столбы предвещают дальнейшее понижение температуры.В старину на Руси яркие участки столбов и гало и ложные солнца называли «уши»,«солнце с ушами»,«пáсолнца».
Сумеречные лучи - расходящиеся потоки солнечного света, видимые при освещении Солнцем пыли в высоких слоях атмосферы. .
Легко заметить, что если для миражей нужны присутствия иных сред, например, охлажденного или разогретого воздуха, то для радуги, гало, паргелия или сумеречных лучей этого явно недостаточно, а необходимо еще наличие диспергирующей (тонко измельченной) среды - капелек воды, тумана, ледяных кристалликов.
Водяной туман как детектор ионизирующего излучения. Мысль о том, что одну из диспергирующих сред можно использовать для выявления невидимого излучения, пришла в голову шотландскому физику Чарльзу Вильсону в начале ХХ века.
«Ка́мера Ви́льсона - один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно). Для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости) камеру помещают в магнитное поле, искривляющее треки. Камера Вильсона представляет собой ёмкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненная насыщенными парами воды, спирта или эфира. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся перенасыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.
Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам». Источник - Википедия.
Рис. 15. Камера Вильсона (1912 г.) и фотография треков
Написать отзыв
Вы должны быть зарегистрированны ввойти чтобы иметь возможность комментировать.