Оптическая физика,
похоже, вознамерилась лишить нас всего самого таинственного и волшебного.
Посудите сами — «ложное солнце», предвещавшее беду войску князя Игоря,
оказалось банальным оптическим явлением гало, а жуткий призрак на горе Брокен —
обыкновенной глорией.
Впрочем, не все так
просто: когда находятся ответы на старые загадки, появляются новые — какие, на
лекции в рамках Конгресса выпускников НГУ рассказал старший научный сотрудник
Института квантовой оптики общества Макса Планка и Мюнхенского университета
Людвига Максимилиана Александр Анатольевич Аполонский
Человеческий глаз — это
прекрасный оптический инструмент, обладающий чувствительностью, достичь которой
не под силу пока даже современной цифровой технике. И он полностью адаптирован
к солнцу — в зависимости от того, смотрим ли мы на объект днем или вечером, в
ясную погоду или при сумерках, в нашем зрении срабатывают разные механизмы.
Цвет не является строгим физическим параметром, зависящим лишь от длины волны
отраженного от предмета излучения (или прошедшего сквозь него), он включает
также физиологические и психологические факторы. Например, цвет может
восприниматься по-разному в зависимости от окружения — красный квадратик кажется
большее, если расположен на белом фоне, и ярче — когда сияет на черном. А
нагретый вблизи какой либо поверхности воздух может преломляться и создавать
миражи. Александр Анатольевич объяснил, благодаря чему возникают и какие
загадки таят в себе радуга и радугоподобные явления.
Радуга
— дуга?
Вы когда-нибудь
задумывались, как появляется радуга, почему в ней выделяют только семь цветов,
отчего она то яркая, то бледная, еле заметная, то раскинулась на все небо, то
почти помещается в ладони? Видели ли вы одновременно две радуги? А знаете ли,
что их может быть и больше?
 |
|
Радуга
первого порядка, снятая вблизи полосы дождя |
 |
|
Бесцветная
радуга на взвеси мелких капель воды |
На многих языках
название этого природного явления звучит как «дождевая дуга», и не зря, ведь
стена из капель воды — необходимое условие его возникновения, так же, как и
солнце. Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт. В своем трактате он
объяснил, что она появляется благодаря преломлению и отражению солнечных лучей в
каплях дождя при определенном угле падения. Затем Исаак Ньютон доказал, что
цветность радуги — это свойство света (а не вещества, как считалось в его
время), связанное с дисперсией — зависимостью показателя преломления от длины
волны. Он показал, что каждая капля является крохотной призмой, которая
разлагает «белый» солнечный луч в спектр, состоящий из разных цветов. Ньютон
первый определил, что их в радуге 7 (на самом деле он увидел лишь 5 или 6 ярких
«полосок», но так как верил в гармонию, то дополнил их до более «идеального»
числа). Цветов у радуги не 7, а столько, сколько способен увидеть конкретный
человек, все зависит от спектральной чувствительности глаза смотрящего.
Хоть для ее появления и
нужна стена дождя, но, как ни странно, радуга – это эффект одной капли, от
формы и величины которой зависит то, насколько «выгнутой» получится
разноцветная полоска. Если капля сферическая, то перед нами предстанет большой
полукруг, если приплюснутая — радиус его будет меньше. А при относительно
равном количестве сферических и плоских капель радуга может раздваиваться.
 |
|
Двойная
радуга |
 |
|
Раздвоенная
(twin) двойная радуга |
Яркость этого
оптического явления определяется размером капли: чем она меньше, тем бледнее
изображение. Наибольшую резкость радуга приобретает при каплях размером 200
микрон (1 микрон - 0,001 миллиметра), однако в природе такой четкой картины мы
никогда не увидим. Дождь состоит из множества капель воды разных диаметров.
Цветные лучи, которые посылает каждая из них, наш глаз соединяет в одно,
«усредненное» изображение.
Интересная картина
возникает при частицах воды, имеющих размер от 100 микрон до одного миллиметра
— тогда мы можем отчетливо увидеть основную дугу, радугу второго порядка и
темное пространство между ними. Падая, свет преломляется в капле, а затем он
может выйти и частично отразиться, и так иногда повторяется несколько раз.
Свет, который отражается в капле два раза, образует радугу 2-го порядка, n раз — n-ного. Однако вторая дуга будет в три раза
менее яркая, чем первая, а все последующие — еще бледней. По этой причине
ученые до сих пор не могут сказать, сколько же всего радуг можно увидеть в
природных условиях. На сегодняшний день известны только четыре, причем 3-я и
4-я были зафиксированы совсем недавно — лишь в 2011 году (чтобы их увидеть,
нужно смотреть в сторону солнца, которое должно быть спрятано за какой-нибудь
преградой — например, деревом или углом дома).
 |
|
Простейший
вид гало |
Оказывается, что
разноцветная изогнутая полоска — это не вся радуга. Прозрачный невидимый конус
под ней тоже является неотъемлемой частью этого явления, а темное пространство
между дугами первого и второго порядка — предельный, наименьший угол
отклонения, куда чисто физически не могут попасть солнечные лучи. Более того,
на самом деле радуга — это не дуга, а окружность. Наблюдать ее целиком можно
только с большой высоты — например, с борта самолета.
«Ложное
солнце» гало
Зимой справа и слева от
солнца нередко можно увидеть яркие свечения, либо обрамляющий небесное светило
круг, красноватый внутри. Это оптическое явление гало. Если перевести его
название с греческого — «ложное солнце».
Гало возникает
благодаря микроскопическим льдинкам в облаках в верхних слоях тропосферы.
Замороженная вода образует очень красивые структуры – шестиугольники. Проходя
через них, солнечные лучи отклоняются на угол, который зависит от длины волны,
и окрашивают пространство.
Это оптическое явление
— более богатый физический эффект, чем радуга. На сегодняшний день известно
более 100 его разнообразных структур, многие из которых до сих пор не имеют
объяснения. То, какой подвид гало мы наблюдаем в данный момент, зависит от
формы и расположения ледяных кристаллов. Некоторые из них способны отражать и
преломлять свет так, что он разлагается в спектр, и в результате получается
свечение, похожее на радугу (правда в отличие от последней, цвета в нем могут
повторяться).
«Брокенский
призрак» глория
А теперь представьте,
что сейчас раннее туманное утро. Вы стоите на уступе скалы. За вашей спиной
поднимается солнце. Впереди — расщелина, утопающая в тумане. И вдруг перед вами
возникает гигантский призрак человека с радужным нимбом над головой.
 |
|
Глория,
или Брокенский призрак |
Не спешите пугаться.
Фантастическое зрелище, которое вам открылось, — это оптическое явление глория.
Его также можно увидеть с мачты корабля или из кабины самолета, или даже с
космической международной станции.
Описанную выше тень
часто наблюдали на вершине немецкой горы Брокен, поэтому она получила название
«Брокенский призрак». Классик теории рассеяния света, голландский астроном и
математик Хекдрик Кристофель ван де Хюлст первым попытался дать ей научное
описание.
Чтобы образовать
глорию, луч должен упасть на каплю на самой ее периферии, отразиться и выйти из
нее, но перед этим необходимо, чтобы он проскользнул по ней в виде
поверхностной волны. Чтобы могло появиться это оптическое явление, размер всех
капель в тумане должен быть около 10 микрон. Интересная особенность глории: для
каждого она индивидуальна. Вы будете видеть свой радужный нимб над своей тенью,
а человек, стоящий рядом с вами — свой.
Удивительно, что геометрическая
оптика бессильна объяснить такое классическое явление как глория, она не дает
того самого двухградусного раствора углов, при котором мы ее наблюдаем», —
утверждает Александр Анатольевич. Да и в природе других оптических явлений
остается много вопросов: можно ли в увидеть радуги 5-го , 6-го, n-го порядка,
сколько всего структур может быть у гало и чем они объясняются, как с помощью
этих небесных оптических эффектов диагностировать состояние экологии?
«Капельки, покрытые
сажей, дают отличающиеся радуги, по которым можно восстановить, насколько
сильно и чем загрязнен воздух», — рассказывает ученый.