ЧУДЕСА ИЗ АДП: А = Атмосферные оптические и световые явления. АЯ4 - Рефракция и преломление

ЧУДЕСА ИЗ АЗБУКИ ДИКОЙ ПРИРОДЫ.
А
Атмосферные оптические и световые явления.
Рефракция и преломление

"Ежедневное чудо - не чудо ...
... Но, над спелой росой нависая,
  вдруг встает ежедневное солнце.
  Ошарашивая. 
  Потрясая."
          (Р.Рождественский)

Солнечный свет, летящий со скоростью 300 тыс. километров в секунду и встречающий на своём пути Землю способен творить чудеса, достойные кисти художника. Часть таких чудес неживой природы мы видим так часто, что перестаём их замечать, а другая - повергает в изумление.
Вот к примеру. Мы привыкли, что небо голубое, и отмечаем в уме только случаи, когда оно серое в ненастье или особенно ярко разукрашенное закатным солнцем. А почему небо голубое? И как оно разукрашивается солнцем?  Вопросы детские, но только в середине 19-го века наука смогла на них ответить.
Когда солнечный свет пронзает атмосферу, то длинноволновые лучи (красно-оранжево-жёлтая часть спектра) сквозь газ свободно проникают, а коротковолновые (фиолетово-сине-голубая часть) в нем рассеиваются, окрашивая небо лазурью.

Но есть ещё одно объяснение небесной голубизны при чистом небосводе - ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА.
Но заметить его может не человеческий глаз, а специально приспособленный глаз пчелы или перелётной птицы. Или же - глазок фотоаппарата:

1. Поляризация света.
На снимке небо выглядит, как будто кто-то его "отфотошопил",
применив градиентную заливку от светло-голубого до почти фиолетового.
Но что интересно: в поляризованом свете градиентное затемнение идёт
не так, как мы привыкли видеть глазами, а наоборот - от краёв к центру!
Точнее - от светила к периферии.

По общепринятому определению АТМОСФЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ = это последствия преломления или дифракции солнечного или лунного света в атмосфере. Кроме того, бывают изменения световых потоков, вызванные астрономическими (например, затмения) или метеорологическими причинами (облачность, напр.). Поэтому мы будем разделять собственно оптические явления и игру света и тени. Сегодня осуществим общий экскурс с акцентом на атмосферную рефракцию, а четырём наиболее популярным оптическим явлениям будут посвящены самостоятельные посты.
Оказывается, есть фанаты не только среди футболистов и филателистов. Пытаясь разобраться с классификацией атмосферных явлений, обнаружил в Инете множество СПЕЦсайтов, блогов и форумов, посвященных отдельным их видам - с весьма подробной и разработанной теорией и классификацией, какой даже студентов-оптиков и метеорологов не обучают. Помните профессора Калифорнийского технологического института Либбрехта из позапрошлого поста, посвященного снежинкам? Вот, по кр.мере, минимум по одному подобному профессору приходится и на отдельные классы оптических атмосферных явлений - гало, радуги, миражи. Напр., Владимир Галынский из Беларуси ведёт спец.сайт и блоги, посвященные только одному явлению - гало. Он также создал "Википедию атмосферных оптических явлений".

      РАССЕИВАНИЕ
Утром и вечером солнечный луч вынужден пронзать куда более толстый слой атмосферы, чем в полдень, когда Солнце в зените. Рассеивание, соответственно, интенсивнее. И тогда почти вся коротковолновая часть спектра не доходит до глаза наблюдателя. Остаётся только самая длинноволновая, красно-оранжевая - именно такой цвет и приобретает вечерний небосвод, особенно облака.

2. Предгрозовая красная заря на Подкаменной Тунгуске.
Вариации красного зависят уже от мутности атмосферы. А мутность
и запылённость, в свою очередь - признак ветра или близкого ненастья

Самые красивые и яркие зори с необычными эффектами наблюдались во время вулканических извержений. Такими были 1883-й год (вулкан Кракатау, см. ниже), 1963-й (Агунга), 1982-й (Эль-Чичона), 1985-й (Мауна-Лоа), в меньшей степени 2010-й (исландский Эйяфьядлайёкюдль).
При извержении мексиканского вулкана Эль-Чичона в 1982 году масса частиц, выброшенных в стратосферу, составила несколько миллионов тонн, а продукты извержения достигли высоты 35 км! Пепел быстро осел на землю. Основную же массу выбросов составили мелкодисперсные аэрозоли.
Помимо твердых частиц вулканы выбрасывают огромное количество газов, в частности сернистого ангидрида. Последний, соединяясь с водяным паром, даёт в итоге серную кислоту. Капельки серной кислоты и мелкодисперсные аэрозоли образуют в стратосфере устойчивый аэрозольный слой Юнге. Рассеяние и дифракция световых лучей в стратосферном слое Юнге и обуславливает возникновение необычайных багряных зорь и других световых явлений, сопровождающих вулканические извержения.

2а. Вулканический закат

      Извержение подводного вулкана Кракатау в Малайском архипелаге (экваториальная Индонезия) началось 27 августа 1883 г. В результате извержения появился новый остров, а в атмосферу выброшено примерно 20 кубокилометров пепла и пыли. Длительное время необычные оптические явления наблюдались только в тропической зоне. Но затем вулканические облака перенеслись в Европу, и свидетелями небесных чудес с ноября 1883-го стали жители Англии, а потом и других стран. Цвет Солнца при восходе и заходе был насыщенно-зеленым! По мере поднятия над горизонтом светило становилось ярко-голубым и только через некоторое время принимало обычную окраску. Но весь день вокруг Солнца стоял красно-коричневый венец - кольца Бишопа. В сумерки над всей Европой появлялись серебристые облака. Зори были необыкновенно яркими с преобладанием пурпуровых тонов.

       ИЗЗАОБЛАЧНЫЕ ЛУЧИ = СВЕТОТЕНИ
Когда какие-либо объекты в небе или на Земле заслоняют Солнце, фильтруя его лучи - часто возникают захватывающие дух картины игры света и тени. Солнечные лучи, проходящие сквозь бреши в облаках образуют пучки солнечного света. Научное название звучит несколько неграмотно = иззаоблачные лучи:

3. Иззаоблачные лучи плюс иризация облаков. 
Иризация здесь - яркая оторочка облачного края

Если воздух наполнен легким туманом или пылью, мы видим лучи, проходящие сквозь прорывы в облаках либо прочерчивающие свой путь сквозь туман. Какой-то особенный умиротворяющий пейзаж получается в летнем лесу, когда яркие солнечные лучи пробиваются сквозь кроны деревьев:

3а. В Германии это явление называют поэтично: "Солнце пьет воду",
голландцы говорят: "Солнце стоит на ножках".
Англичане же именуют "лестницей ангелов"

Частенько в лесу можно наблюдать и радугу - но при совершенно ясном небе! Вместо водяных капелек белые солнечные лучи разлагает на радужный спектр густая листва:

3б. Лесная радуга = лестница ангелов.
Кстати, радугу в лесу можно наблюдать и на паутине пауков-крестовиков

       ХРОНИКА ЗАКАТА: КАК СОЛНЦЕ ТОНЕТ В МОРЕ
Вот почему-то закаты Солнца красочнее восходов (а у Луны наоборот). Каждый закат обладает неповторимой индивидуальностью и многообразием сопровождающих его оптических явлений. Это зависит от характеристик атмосферы - в первую очередь её коэффициентов ослабления и рассеяния (вспомните описание вулканических закатов). Наш палаточный пансионат МСоЭС в Песчаном (юго-западное побережье Крыма) - наилучшее место для наблюдения закатов: Солнце здесь тонет в море! И цвета великолепные благодаря отдаленности горизонта, а значит, и толщины воздушной линзы, через которую фильтруются лучи заходящего Солнца. На закатное шоу народ собирается со всего побережья.

По мере опускания к горизонту наше светило меняет цвет - в спектре всё более подавляется коротковолновая часть. Солнечный диск становится желтым и на него уже можно смотреть не прищуриваясь:

4. Хроника заката: Солнце опускается к горизонту. 31 июля 2011 г. 21:22
Крымский палаточный лагерь МСоЭС, юго-западный Крым.
(Фото Тани Ожаровской, Москва)

Когда же край Солнца касается воды и начинает "тонуть", с формой его диска происходят странные изменения: из идеально круглого он превращается в сплюснутый оранжевый или красный элипс. Это явление вызвано АТМОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ:

4а. Хроника заката: Солнце тонет в море. 31 июля 2011 г. 21:35
Крымский палаточный лагерь МСоЭС, юго-западный Крым.
(Фото Тани Ожаровской, Москва)

По мере того как "утонувшее" Солнце опускается глубже под горизонт, вечерняя заря ещё больше разгорается: возникает быстро расплывающееся розовое пятно - "пурпурный свет", достигающий наибольшего развития при глубине Солнца под горизонтом около 4-5 градусов:

4б. Хроника заката: "пурпурный цвет" неба. 31 июля 2011 г. 21:42
Крымский палаточный лагерь МСоЭС, юго-западный Крым.
(Фото Тани Ожаровской, Москва)

Но этим шоу не ограничивается. Если в иной день на горизонте маячат облака, то в сумерки можно увидеть продолжение вечернего шоу - красивую разновидность иззаоблачных лучей = сумеречные лучи и лучи Будды.

       СУМЕРЕЧНЫЕ И ПРОТИВОСУМЕРЕЧНЫЕ ЛУЧИ
На закате облака, лежащие над западным горизонтом, отбрасывают полосы тени на все небо, подобно гигантскому вееру. Эти полосы идут от воображаемой точки, где находится Солнце, закрытое облаками. Явление это весьма распространённое и привычное:

5. Сумеречные лучи. 15 октября 2012 г.
Лучи вечернего солнца, проходя сквозь бреши в туче,
образуют чётко-заметные отдельные пучки света.
Крымский палаточный лагерь МСоЭС, юго-западный Крым.
(Фото Ларисы Попковой, Вилино, АР Крым)

5а. Сумеречные лучи. 11 августа 2012 г.
Когда Солнце тонет в море, сумеречные лучи не исчезают. Над горизонтом
небосвод густо краснеет, а с запада на восток по всему небу тянутся
светлые радиальные полосы = лучи Будды. Правда, такое случается
нечасто - нужно, чтобы горизонт был облачным, а небо над головой -
ясное. На этом снимке пока не лучи Будды - солнце-то ещё не село.
Крымский палаточный лагерь МСоЭС, юго-западный Крым.
(Фото Владимира Билаша, Никополь)

ЛУЧИ БУДДЫ = это разновидность сумеречных. Веер чередующихся красных и темных лучей с центром в точке нахождения Солнца под горизонтом получил название лучей Будды. Как и сумеречные, по внешнему виду и происхождению они похожи на дневное иззаоблачное сияние. Особенно хорошо лучи Будды проявляются, если на западном горизонте есть высокие горы:

5б. Лучи Будды над Мачапучхаре (Непал)

Лучи Будды можно наблюдать и на восточном небосклоне - во время восхода:

5в. Лучи Будды над Ютой на восходе солнца

Но куда сверхъестественнее выглядит, когда "лучи Будды" появляются на востоке вечером! В этом случае начинают строить догадки - дескать, что это за светило прячется на вечернем закате в противоположном на 180 градусов от Солнца месте? Это ПРОТИВОСУМЕРЕЧНЫЕ ЛУЧИ.
Противосумеречные "восточные" лучи суть те же самые "западные" сумеречные или лучи Будды, но обежавшие всю небесную сферу. Прямо над головой они не видны, потому что воздух очень уж прозрачен, но у края восточного горизонта снова проявляются, сходясь в одну точку. Лучи эти на самом деле параллельны, однако сходятся вместе - потому как всё тот же эффект перспективы срабатывает. Сравните с меридианами на глобусе и догадайтесь, почему они - меридианы - не параллельны :-))

5г. Противосумеречные лучи.
Колорадо, США

 
5д. Противосумеречные лучи над Атлантическим океаном (Флорида, США).
На этом снимке они удачно сочетаются с поясом Венеры

       ПОЯС ВЕНЕРЫ
Конечно же вы его не один раз видели. Просто, вы его не замечали. В сумерки, если небо безоблачно, незадолго до восхода или сразу после заката Солнца небосвод над горизонтом имеет удивительно нежный розовый цвет. Эта полоса между темным небом, находящимся уже в земной тени, и пока еще голубым над головой называется Поясом Венеры. Пояс Венеры можно видеть из любого места земного шара, только при условии, что горизонт будет чистым.

6. Пояс Венеры туманным утром в Лунном Ущелье - винодельческом районе
северной Калифорнии (США)

6а. Редкий снимок утренней зари на западном горизонте.
Оранжевая Луна на западе садится в тень Земли. Над тенью - пояс Венеры.
Безоблачное небо окрашено восходящим Солнцем,
пока еще не выглянувшем из-за горизонта.
Гора Джелм, Вайоминг (США)

       ЛУННЫЕ СУМЕРЕЧНЫЕ ЛУЧИ
Сумеречные лучи исходят не только от Солнца, но изредка они сопровождают и восход Луны:

7. Сумеречные лучи при восходе Луны в шотландском городке Турсо.
На переднем плане - каменная башня замка Турсо, крепости 12-го века.
Снимок сделан с 3-минутной экспозицией, поэтому звёзды размыты в штрихи.
(Фото Стюарта Уатта, Турсо, Шотландия)

       ЗЕЛЁНЫЙ ЛУЧ
В моём восприятии зелёный луч ассоциируется с легендарной, но не существующей синей птицей счастья. В свое время работник нашего лагеря студент-биолог Серёжка Ивко (кстати, в 20 лет ставший обладателем президентского гранта для особо одарённой молодёжи, причем самым молодым из всей одарённой молодёжи в Украине!) ежевечерне бегал на берег наблюдать закат Солнца. Его идефиксом было увидеть знаменитый зелёный луч, который выпускает светило, когда "захлёбывается" в море. Не увидел. И мне ни разу не повезло. А выглядит этот редчайший луч так:

8. Зелёный луч от закатного Солнца 

 
8а. Зелёный луч над морем вблизи острова Helgoland в Германии.
(фото А.Сыромятникова, 22 июля 2010)

8б. Уникальный кадр: если присмотреться, то рядом с редкостным
зелёным лучом можно разглядеть ещё более редкостный синий луч.
А сам Солнечный диск трехъярусный - следствие особо сильного
проявления рефракции. Причем, подозреваю, что верхние ярусы -
это даже не Солнце, а его мираж, приподнятое над горизонтом
отражение вследствие всё той же рефракции

       СТРАННОСТИ АТМОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИИ
То, что Солнце на закате бывает приплюснутым (фото 4а), знают многие. Иногда Солнце приобретает ступенчатую форму, а изредка - многоярусную, как на фото 8б. Но таких "протуберанцев", как на снимке ниже, никто из астрономов и оптиков объяснить не может:

9. Странный рассвет над Буэнос-Айресом 10 октября 2011 г.
В пояснении к этому снимку на сайте NASA пишется: "То, что на картинке
выглядит как руки воображаемого монстра, может быть, например, низкими
облаками, достаточно плотными, для того чтобы рассеивать свет
не затеняя Солнце. Вдобавок нижний край Солнца может быть искажён
эффектом Этрусской вазы, или какие-то необычно отражающие свет
слои воздуха создали над водой мираж фата-моргана."
(фото и текст Луиса Архерича)

Упомянутый выше ЭФФЕКТ ЭТРУССКОЙ ВАЗЫ тоже интересное проявление рефракции. Между прочим, имя "Этрусская Ваза" дал этому оптическому явлению Жюль Верн. Такое необычное изменение лунного диска случается, когда свет искривляется на резкой границе между слоями холодного и теплого воздуха:

9а. Видеоряд восходящей Луны в форме Этрусской Вазы 22 февраля 2009 г.
"Этрусская ваза" - в центре видеоряда.
(фото Джона Стетсона)

       КОРОНА СОЛНЦА И БРИЛЛИАНТОВОЕ КОЛЬЦО
Корона - это тип плазменной атмосферы, которая окружает астрономическое тело. Cамый известный пример такого явления - солнечная корона во время полного затмения. Она простирается в космосе на тысячи километров и содержит ионизированное железо, температура которого составляет почти миллион градусов. Во время затмения его яркий свет окружает затемнённое Солнце и кажется, будто вокруг светила появляется корона из света.
Когда затмение кончается, выглянувший из-за Луны краешек Солнца ослепительно блестит, напоминая крупный алмазный камень в королевском перстне.
Корону и бриллиантовое кольцо можно увидеть только во время полного солнечного затмения:

10. Солнечная корона
(фото Рената Якубова, http://renat.biz)

10а. Бриллиантовое кольцо
(фото Рената Якубова, http://renat.biz)

Это далеко не все оптические явления, вызванные атмосферной рефракцией, астрономическими, вулканическими или метеорологическими причинами. Некоторые мало эффектны и интересны только специалистам, а некоторые настолько редки или трудноуловимы по техническим причинам, что удовлетворительной фотографии в тырнете найти пока не удалось.
Ближайшие посты будут посвящены эффектным оптическим явлениям, вызванным содержащимися в атмосфере водяными каплями и ледяными кристаллами - гало, радугам, глориям, световым столбам, а также удивительным проявлениям атмосферной рефракции - миражам.