Миражи: оптические явления в атмосфере¶
Мираж — оптическое явление в атмосфере, при котором наблюдатель видит искажённые, перемещённые или полностью ложные изображения удалённых объектов, возникающие из-за преломления света в слоях воздуха с неоднородной температурой и, следовательно, различным показателем преломления. Термин происходит от французского mirage (от латинского mirari — «удивляться»). Явление наблюдается в пустынях, над раскалёнными дорогами, над морской поверхностью и в полярных регионах.
¶Физическая природа
Причина миражей — неоднородность показателя преломления воздуха. Показатель преломления зависит от плотности газа, а та — от температуры и давления. В приземном слое воздуха температурный градиент может быть чрезвычайно высоким: например, над раскалённой песчаной поверхностью температура у земли на 30–50 °C выше, чем на высоте нескольких метров. Такой градиент создаёт резкое изменение показателя преломления с высотой, и лучи света от удалённых объектов изгибаются по криволинейным траекториям.
Наблюдатель, воспринимающий свет по прямым линиям, проецирует изображение объекта в направлении последнего отрезка пути луча. Если лучи от объекта идут к наблюдателю снизу вверх, изображение оказывается ниже реального объекта; если сверху вниз — выше. При сильном градиенте лучи могут полностью загибаться вверх, и наблюдатель видит перевёрнутое изображение неба на месте пустой поверхности — так возникает «озеро» в пустыне.
¶Виды миражей
Миражи классифицируют по характеру температурного профиля и геометрии изображения.
¶Нижние (обычные) миражи
Возникают, когда у земли воздух горячее, чем выше. Лучи загибаются вверх, изображение объекта смещается вниз и часто переворачивается. Именно нижние миражи создают иллюзию водной поверхности: перевёрнутое изображение неба на фоне песка воспринимается как озеро. Над морем такие миражи дают эффект «воздушного миража» — расплывчатого отражения берега или корабля.
¶Верхние (фата-миражи)
Обратный случай: воздух у земли холоднее, чем выше (инверсия температуры). Лучи загибаются вниз, изображение объекта поднимается над реальным. Наиболее известный пример — «корабль в небе» над горизонтом, когда видна нижняя часть судна, находящегося за пределами прямой видимости. Фата-миражи характерны для холодных морей и полярных широт.
¶Удвоенные и множественные миражи
При сложном температурном профиле с несколькими слоями инверсии изображение объекта может появляться дважды или более — одновременно прямое и перевёрнутое. Такие случаи описаны в полярных экспедициях, где наблюдатели видели «повторяющиеся» айсберги и береговые линии.
¶Неподвижные (стоячие) миражи
Возникают при особом профиле температуры, когда лучи образуют замкнутые или почти замкнутые траектории. Изображение объекта появляется на фиксированном месте, часто на фоне неба, и остаётся неподвижным независимо от движения наблюдателя. Такие миражи редки и требуют устойчивого температурного слоя.
¶Условия возникновения
Для образования миража необходимы:
- Резкий температурный градиент в приземном слое воздуха.
- Ровная однородная поверхность (песок, лёд, вода), обеспечивающая стабильный градиент.
- Дальность видимости не менее нескольких километров — на коротких дистанциях искажение незаметно.
- Спокойная атмосфера без сильной турбулентности, разрушающей слоистую структуру воздуха.
Наиболее благоприятные условия — в пустынях в полдень, над асфальтовыми дорогами в жаркий день, над ледяными полями при низкой солнечной инсоляции.
¶Исторические наблюдения
Миражи описывались с античности. Аристотель в «Метеорологике» упоминал явление, связанное с испарением и отражением света. В средневековой арабской литературе миражи (сараб) были известны путешественникам пустыни. В эпоху Нового времени миражи стали предметом научного изучения: французский физик Декандоль в XIX веке описал оптику миражей, а работы по атмосферной оптике в XX веке (в частности, исследования В. Френеля и позднее — работы по градиентной оптике) позволили количественно описать явление.
В полярных экспедициях XIX–XX веков миражи неоднократно вводили в заблуждение: участники экспедиций сообщали о «видимых» островах и берегах, которые при приближении исчезали. Так называемый «Земля Каменного века» (Stoneland) в Антарктике, описанная в 1909 году, предположительно была миражем.
¶Практическое значение
Миражи имеют значение для ряда прикладных областей:
- Военное дело. В пустынных кампаниях миражи искажают наблюдения и прицеливание; с другой стороны, над горячей поверхностью можно видеть объекты за горизонтом.
- Навигация. Фата-миражи позволяют обнаруживать объекты за пределами прямой видимости, что исторически использовалось моряками.
- Атмосферная оптика. Миражи служат естественной лабораторией для изучения градиентной оптики и дистанционного зондирования атмосферы.
¶См. также
¶Источники
- Миннарт М. «Свет и цвет в природе»
- Френель О. «Опыты об оптических явлениях в атмосфере»
- Аристотель. «Метеорологика»
- Ландсберг Г. «Физика атмосферы»