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 воду. |
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 (фото 5).
|
|
 |
| 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 (фото 4). 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 (фото 4), 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. 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.
 |
| Глория, или Брокенский призрак. |
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. Разгадывать эти и другие загадки смогут в будущем и нынешние студенты НГУ, а точнее, те из них кто решит связать свою жизнь с оптикой.
Диана Хомякова
Фото: 1 — Диана Хомякова, 2-3 — Mike Reyfman, 4-5 — I. Sadeghi, 6 — Вячеслав Коган, 7 — Dave Newton.
За помощь в подборе иллюстраций и получении разрешения на их опубликование редакция COPAH.info благодарит Александра Анатольевича Аполонского.
