Свет от фонарей столбом вверх. Оптические атмосферные иллюзии – игра света

Атмосферные оптические явления поражают воображение красотой и многообразием создаваемых иллюзий.

Наиболее эффектными являются столбы света, ложные солнца, огненные кресты, глория и брокенский призрак, которые часто люди незнающие принимают за Чудо или Богоявление.

Столбы света – это оптический эффект, представляющий собой вертикальные полосы света, тянущиеся от яркого объекта вниз или вверх.

С точки зрения физики, иллюзия вызывается ледяными кристаллами (шестиугольными плоскими или столбовидными) с практически горизонтально-параллельными плоскими поверхностями. Такие кристаллы образуются в перистых облака, а чаще – перисто-слоистых облаках высоких слоев атмосферы. Но чем ниже температура воздуха, тем возможно образование взвеси ледяных кристаллов и на более низких слоях атмосферы. Поэтому зимой частота встречи с данным явлением выше. Световые столбы похожи на дорожку света, только не на воде, а в небе. Удивительную иллюминацию в небе способны зажечь не только Солнце, Луна, Венера, но и обыкновенный уличный фонарь.

Появление в небе столба света предвещает возникновение других оптических явлений, которые образуются с помощью кристаллов льда – гало и ложные солнца .

Крайне редко световой столб сопровождает такая иллюзия, как . В идеале, он представляет собой замкнутую окружность, проходящую через Солнце.

Игры света (ложные солнца, ложные луны, огненные кресты и др.) возникает, когда лучи светила попадают на грани ледяных кристаллов и отражаются, словно в зеркале, либо преломляются как в призме.

Например, появление в небе светлого горизонтального круга параллельного горизонту, обусловлено отражением лучей солнца от граней кристалла. Это отражение видят наши глаза, но «воспроизводят» изображение Солнца не там, где оно находится в действительности, а на линии, прямо идущей от глаз и примерно на той же высоте, что и действительное Солнце. Множество отражений солнечных лучей от кристаллов сливаются, и наши глаза видят сплошную светлую окружность, параллельную горизонту.

Появление огненного креста в небе , объясняется следующим образом – от Солнца (находящегося низко над горизонтом или которое село) поднимается высоко столб света. Он пересекается с видимой частью гало-круга, и в небе мы видим крест. Часто на фоне заката он имеет красноватый оттенок.

Если Солнце стоит невысоко над горизонтом, и ледяные шестигранные кристаллы расположились в атмосфере вертикально, то вероятность наблюдать ложные солнца в небе (светящиеся пятна размером с действительное Солнце) достаточно велика.

Вышеописанные природные явления называют сложными гало , они достаточно редки и находятся под пристальным наблюдением ученых. Их изучение позволяет определять, какое количество ледяных кристаллов и капель воды находится в облаках, какой величины частицы, образующие атмосферные слои.

Латинское gloria (ореол), дало имя еще одному удивительному атмосферному явлению – разноцветным кольцам вокруг тени наблюдающего , отбрасываемой на облако, обогащенное каплями воды. Глорию сравнивают с радугой в миниатюре. Угловой размер иллюзии колеблется от 5 до 20° и почти всегда выглядит как полный круг. Физики полагают, что глория образуется за счет дифракции света, отраженного каплями влаги. Чтобы увидеть глорию, нужен яркий источник света и облако, например, на вершине гор можно найти подходящие условия. Ваша тень, отбрасываемая на облако, будет окружена разноцветными кольцами – глорией. Потрясающие фото иллюзии получаются с борта самолета. Если Солнце располагается так, что видна тень самолета на облаке, то ее буду окружать радужные кольца.

Глория частая спутница Брокенского призрака – оптической иллюзии, названной в честь горы Брокен, расположенной в Германии. Это самая высокая точка горного массива Гарц окружена туманом 306 дней в году. А сам Брокенский призрак представляет собой тень, отбрасываемую на туман или облако. Движение тумана создает впечатление, что тень двигается, даже если сам человек стоит неподвижно, а трехмерность «туманной» тени не позволяет наблюдателю оценить ее истинный размер (она кажется огромной).

Столбы света над фонарями.

Если зимой в тихую, морозную ночь вы выйдете на городскую площадь, освещенную фонарями, и если существуют некоторые благоприятные обстоятельства, о которых будет сказано чуть позже, то, может быть, вам посчастливится быть свидетелем редкого эффектного зрелища: вы увидите над площадью лес светящихся столбов. Световой столб стоит над каждым фонарем строго вертикально и уходит далеко вверх. Можете обойти фонарь со всех сторон, световой столб останется на своем месте.

В книге М. Миннарта «Свет и цвет в природе» кратко говорится об этом явлении. Там сказано, что оно наблюдается в Канаде и в России и что причина его - отражение света мелкими ледяными частицами, взвешенными в воздухе. От этого еще довольно далеко до детального объяснения механизма возникновения световых столбов.

То, что в создании световых столбов участвуют мелкие снежинки или льдинки, находящиеся в атмосфере, не вызывает никаких сомнений. Освещенные фонарем снежинки и льдинки блестят, как будто сами светятся. Но почему светится только столб, стоящий над фонарем?

Проделав простой эксперимент, вы убедитесь, что появление столбов связано со стереоэффектом. Вы смотрите на фонарь, закрыв правый глаз, и вместо столба видите вертикальную полоску сверкающих снежинок, находящихся в воздухе между глазом и фонарем, но несколько выше его. Такую же полоску вы видите, когда смотрите, закрыв левый глаз,- это сверкают снежинки в другой области, а именно в той, которая находится между правым глазом и фонарем. Теперь откроем оба глаза: два изображения, две сверкающие полоски сливаются, и вы видите световой столб. Уже над фонарем. Еще раз подчеркнем - это своего рода оптический обман, вы видите две разные светящиеся полоски, два разных объема воздуха со своими сверкающими частицами - один перед правым глазом, а другой перед левым.

А теперь подумаем: почему сверкающие полоски вертикальны и почему снежинки сверкают только тогда, когда попадают в вертикальную плоскость, проходящую через глаз и через источник света? Почему не видны снежинки за пределами этой плоскости?

Снежинки - это, как правило, плоские звездочки: в центре маленький шестиугольник, от его углов растут шесть лучей с веточками, параллельными кромкам шестиугольника. От этих веточек отрастают другие, и в итоге звездочка может принять довольно сложные формы. Процесс кристаллизации влаги идет от центра снежинки, и это позволяет понять, какие промежуточные формы принимает звездочка.

В начальной стадии частички льда прилипают к углам правильного шестиугольника и их цепочки от двух соседних углов растут навстречу друг другу. Из таких цепочек вырастает новый геометрически подобный шестиугольник большего размера, или, иными словами, первоначально возникший шестиугольник увеличивается.

Но вот наступает такой момент, когда растущие цепочки не успевают встретиться, а на углах уже начинают нарастать новые цепочки. И тогда на углах получаются микроскопические плоские ледяные елочки с веточками, параллельными сторонам шестиугольника. Дальше на лучах нарастают новые палочки, и звездочка становится все более сложной.

Если влаги в атмосфере мало, процесс заканчивается на сравнительно ранней стадии и в воздухе рождаются мелкие снежинки в виде шестиугольников и самых простейших звездочек. Как мы увидим дальше, это и есть одно из «некоторых благоприятных обстоятельств», необходимых для возникновения световых столбов.

Теперь поговорим о том, как ведут себя эти мельчайшие снежинки при медленном падении в тихую погоду.

Строго говоря, следовало бы провести исследования падающих снежинок в реальных условиях, скажем, с помощью киносъемки. Но, предположив, что поведение снежинки в основном определяется ее формой, можно экспериментировать с моделью сравнительно больших размеров. Такие эксперименты автор проделал совместно с инженером А. А. Бородиным, в опытах использовались модели снежинок, вырезанных из бумаги. Были получены следующие результаты:

1. «Снежинки» с двумя взаимно перпендикулярными осями симметрии авторотируют. Авторотацией в аэродинамике называется движение тела, сопровождаемое вращением за счет взаимодействия с атмосферой.

3. Чем больше удлинение «снежинки», или отношение большей оси к меньшей, тем при той же ее площади вращение идет быстрее.

4. Правильные шестиугольники и шестиконечные звездочки вращаются вокруг оси, соединяющей противолежащие углы и лучи. Именно так авторотировали и наши бумажные «снежинки».

На первом рисунке изображен фонарь на столбе и наблюдатель, причем предполагается, что плоскость чертежа проходит через центр светящейся части фонаря (например, через центр шара из белого матового стекла) и через глаз наблюдателя. В этой же плоскости находятся четыре снежинки - 1, 2, 3, 4. Их оси вращения перпендикулярны к плоскости чертежа, а сами снежинки показаны в виде коротких черточек в тот момент своего вращения, когда свет от фонаря, отражаясь от снежинки, как от зеркала, попадает в глаз. Показанные четыре снежинки сверкают по два раза за оборот, а точнее, немного чаще или реже, так как, падая, меняют свое местоположение.

Точки 1, 2, 3, 4 со штрихами. Это - кажущееся положение световых точек; они создают иллюзию световой линии. По положению точки 4 видно, что световой столб может иметь участок ниже фонаря, если только он не слишком засвечивается прямым светом самого фонаря.

Падая и вращаясь, снежинки посылают световые вспышки в глаз до тех пор, пока не уйдут из вертикальной плоскости «глаз - фонарь» или пока их ось вращения не отклонится от перпендикуляра к этой плоскости.

Скорость падения снежинки невелика, а угловая скорость и, следовательно, число световых всплесков в секунду могут быть довольно большими.

На втором рисунке схематично показано, как расположены в плане фонарь и левый (л) и правый (п) глаза наблюдателя, а также несколько снежинок, посылающих световые вспышки в сторону наблюдателя. Для наглядности диаметр фонаря, а следовательно, и углы сильно преувеличены.

Сделано это для того, чтобы яснее показать: снежинки, которые видит наблюдатель, располагаются в пределах некоторых углов. То есть наблюдатель видит не линии, а светящиеся полосы, которые и создают в итоге иллюзию световых столбов. Нетрудно сообразить, что число снежинок, которые находятся между фонарем и глазом и блеск которых видит наблюдатель, будет тем больше, чем больше углы αл и αп. Можно даже подсчитать долю этих видимых снежинок в общем числе снежинок, падающих на землю в пространстве, которое ограничено вертикальными плоскостями, проходящими через линию, a-л и b-л (для левого глаза) и c-п и d-п (для правого глаза). Доля эта довольно велика, примерно она равна (αл+αп):360.

Может быть также подсчитано относительное число снежинок, которые находятся за пределами углов αл и αп, но тем не менее в каком-то определенном положении направляют отраженный свет точно в глаза наблюдателя (положение оси авторотации такой снежинки отмечено цифрой 5 на втором рисунке). Расчеты показывают, что за пределами углов αл и αп вероятность существования снежинок в таком положении чрезвычайно мала. Именно поэтому наблюдатель и видит яркий свет, отраженный авторотирующими снежинками только в пределах сравнительно небольших углов αл и αп видит световые столбы.

Н. Фадеев