Миражи

Древние египтяне верили,

что мираж - это призрак страны,

которой больше нет на свете.

О миражах известно все и ничего. С однойстороны, трудно найти человека, который хоть раз в жизни не видел бы самый простой мираж — голубое озерцо на раскаленном шоссе. С другой — тысячи людей наблюдали в небе буквально висящие города, причудливые замки и даже целые армии, но вот тут у специалистов нет объяснений этому природному феномену. Изучать миражи практически невозможно, ведь они не появляются по заказу.

Мираж - оптическое явление в атмосфере, благодаря которому в зоне видимости появляются изображения предметов, которые при обычных условиях скрыты от наблюдения.

Из большого многообразия миражей выделим несколько видов:

• «озерные» миражи, называемые также нижними миражами;
• верхние миражи;
• двойные и тройные миражи;
• миражи сверхдальнего видения.
• космические миражи.

Так называемые "озерные", или нижние, миражи - самые распространенные и простые. Они возникают над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой в пустынях и знойных степях. Французский ученый Гаспар Монж, принимавший участие в египетском походе Наполеона, описывает свои впечатления от озерного миража так:

“Когда поверхность земли сильно накалена Солнцем и только-только начинает остывать перед началом сумерек, знакомая местность больше не простирается до горизонта, как днем, а переходит, как кажется, примерно в одном лье в сплошное наводнение.Деревни, расположенные дальше, выглядят, словно острова среди погибшего озера. Под каждой деревней ее опрокинутое изображение, только оно не резкое, мелких деталей не видно, как отражение в воде, колеблемое ветром. Если станешь приближаться к деревне, которая кажется окруженной наводнением, берег мнимой воды все удаляется, водный рукав, отделявший нас от деревни, постепенно суживается, пока не исчезнет совсем, а озеро теперь начинается за этой деревней, отражая в себе селения, расположенные дальше”. Нижние («озерные») миражи возникают над сильно нагретой поверхностью.

Миражи второго класса, лучи которых загибаются за линию горизонта. Их называют верхними (они возникают прямо в небе) или миражами дальнего видения, их наблюдают в северных широтах. Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения: прямое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, а другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом, Иногда возникает еще одно — третье изображение. Хорошая фантазия на тему верхнего миража есть у Николая Васильевича Гоголя:

“За Киевом показалось великое чудо! Вдруг стало видимо далеко во все концы света. Вдали засинел Лиман, за Лиманом разливалось Черное море. Бывалые люди узнали и Крым, горою подымавшийся из моря, и болотный Сиваш. По правую руку видна была земля Галицкая.
- А это что такое? - допрашивал собравшийся народ, указывая на далеко мерещившиеся на небе и больше похожие на облака серые и белые верхи... ТоКарпатские горы! - говорили старые люди...”

Конечно, из Киева никто Крыма и Карпат не видел. Носуществуют удивительные миражи - их относят к третьему классу и зовут миражами сверхдальнего видения. Для них тысячекилометровые расстояния не помеха.

Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге «Атмосфера» описывает пример подобного миража:

«Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится... Это было утро сражения при Ватерлоо!»

Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Заметим, что расстояние от Вервье до Ватерлоо по прямой линии более 100 км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на существенно больших расстояниях — до 1000 км. «Летучего голландца» следует отнести именно к таким миражам. Вот какой случай описан в книге “Оптические явления в природе” (М., “Просвещение”, 1974):

“В ночь на 27 марта 1898 года среди Тихого океана экипаж бременского судна “Матадор” был напуган видением. Около полуночи экипаж заметил приблизительно в двух милях судно, которое боролось с сильным штормом. Это было тем более удивительно, что кругом стоял штиль. Судно пересекало курс “Матадора”, и были мгновения, когда казалось, что столкновение кораблей неизбежно... Экипаж “Матадора” видел, как во время одного сильного удара волны о неизвестное судно в каюте капитана потух свет, который виднелся все время в двух иллюминаторах. Через некоторое время судно исчезло, унося с собой ветер и волны.
Дело разъяснилось позже. Оказалось, что все это происходило с другим судном, которое во время “видения” находилось от “Матадора” на расстоянии 1700 км”.

Ниже мы объясним физику миражей отмеченных видов. Теперь же рассмотрим земную рефракцию — искривление лучей, идущих к наблюдателю от объектов, находящихся на земной поверхности.

Искривление светового луча в оптически неоднородной среде. Полезно понаблюдать на опытах, как распространяется узкий световой пучок в оптически неоднородной среде.

Данный опыт позволяет заключить: если свет распространяется в среде, показатель преломления которой уменьшается в направлении снизу вверх, то независимо от начального направления луча он всегда будет искривляться так, чтобы его траектория была обращена выпуклостью вверх. Если бы показатель преломления уменьшался в направлении сверху вниз, то тогда выпуклая сторона изогнутого светового луча была бы обращена вниз. Обобщая, можно сформулировать следующее важное правило: в оптически неоднородной среде световой луч изгибается так, что его траектория всегда оказывается обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды.

Радиус кривизны светового луча.

Насколько резко будет искривляться световой луч в среде с непрерывно изменяющимся показателем преломления? Это зависит от того, насколько быстро изменяется показатель преломления при переходе от одних точек среды к другим.

Характеризует быстроту изменения показателя преломления с расстоянием -градиент показателя преломления. В данном случае речь идет о градиенте показателя преломления в вертикальном направлении (в горизонтальном направлении показатель преломления не меняется, значит, в этом направлении его градиент равен нулю). Чем больше градиент показателя преломления, тем меньшё радиус кривизны пучка R и, следовательно, тем круче изгибается световой пучок.

В предельном случае, когда показатель преломления изменяется не плавно, а скачком, т. е. когда появляется четкая граница между двумя областями с разными значениями показателя преломления о отвечает бесконечно большому градиенту показателя прелом, световой луч испытывает не изгиб, а излом, и на границе двух сред он резко изменяет свое направление, преломляясь и отражаясь или же только отражаясь.

Оьяснение 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.

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".

Истории о миражах...