Задумывались ли вы над тем, почему в дневное время на небе не видны звезды? Ведь воздух и днем так же прозрачен, как и ночью. Все дело здесь в том, что в дневное время атмосфера рассеивает солнечный свет.

Представьте, что вы находитесь вечером в хорошо освещенной комнате. Сквозь оконное стекло яркие фонари, расположенные снаружи, видны достаточно хорошо. Но слабо освещенные предметы разглядеть почти невозможно. Однако стоит только выключить в комнате свет, как стекло перестает служить препятствием для нашего зрения.

Нечто похожее происходит и при наблюдениях неба: днем атмосфера над нами ярко освещена и сквозь нее видно Солнце, однако не может пробиться слабый свет далеких звезд. Но после того, как Солнце погружается под горизонт и солнечный свет (а с ним и свет, рассеянный воздухом) «выключается», атмосфера становится «прозрачной» и можно наблюдать звезды.

Иное дело в космосе. По мере подъема космического корабля на высоту плотные слои атмосферы остаются внизу и небо постепенно темнеет.

На высоте около 200—300 км, там, где обычно совершают полеты пилотируемые космические корабли, небо совершенно черное. Черное всегда, если даже на видимой его части в данный момент находится Солнце.

«Небо имеет совершенно черный цвет. Звезды на этом небе выглядят несколько ярче и четче видны на фоне черного неба»,— так описывал свои космические впечатления первый космонавт Ю. А. Гагарин.

Но все же и с борта космического корабля на дневной стороне неба видны далеко не все звезды, а только самые яркие. Глазу мешает ослепительный свет Солнца и свет Земли.

Если посмотреть на небо с Земли, мы отчетливо увидим, что все звезды мерцают. Они как бы то затухают, то разгораются, переливаясь при этом разными цветами. И чем ниже над горизонтом расположена звезда, тем сильнее мерцание.

Мерцание звезд тоже объясняется наличием атмосферы. Прежде чем достичь нашего глаза, свет, излучаемый звездой, проходит сквозь атмосферу. В атмосфере же всегда имеются массы более теплого и более холодного воздуха. От температуры воздуха в той или иной области зависит его Плотность. Переходя из одной области в другую, световые лучи испытывают преломление. Направление их распространения изменяется. Благодаря этому в некоторых местах над земной поверхностью они концентрируются, в других оказываются сравнительно редкими. В результате постоянного движения воздушных масс эти зоны все время смещаются, и наблюдатель видит то усиление, то ослабление яркости звезд. Но так как различные цветные лучи преломляются не одинаково, то моменты усиления и ослабления разных цветов наступают не одновременно.

Кроме того, определенную роль в мерцании звезд могут играть и другие, более сложные оптические эффекты.

Наличие теплых и холодных слоев воздуха, интенсивные перемещения воздушных масс сказываются и на качестве телескопических изображений.

Где наилучшие условия для астрономических наблюдений: в горных районах или на равнине, на берегу моря или в глубине материка, в лесу или в пустыне? И вообще, что лучше для астрономов — десять безоблачных ночей на протяжении месяца или всего одна ясная ночь, но такая, когда воздух идеально прозрачен и спокоен?

Это лишь малая часть тех вопросов, которые приходится решать при выборе места для строительства обсерваторий и установки крупных телескопов. Подобными проблемами занимается особая область науки — астро-климатология.

Разумеется, наилучшие условия для астрономических наблюдений — за пределами плотных слоев атмосферы, в космосе. Кстати, и звезды здесь не мерцают, а горят холодным спокойным светом.

Привычные созвездия выглядят в космосе точно так же, как и на Земле. Звезды находятся на огромных расстояниях от нас, и удаление от земной поверхности на какие-нибудь несколько сотен километров ничего не может изменить в их видимом взаимном расположении. Даже при наблюдении с Плутона очертания созвездий были бы точно такими же.

В течение одного витка с борта космического корабля, движущегося по околоземной орбите, в принципе можно увидеть все созвездия земного неба. Наблюдение звезд из космоса представляет двоякий интерес: астрономический и навигационный. В частности, очень важно наблюдать звездный свет, не измененный атмосферой.

Не менее важное значение имеет в космосе и навигация по звездам. Наблюдая заранее выбранные «опорные» звезды, можно не только ориентировать корабль, но и определять его положение в пространстве.

На протяжении длительного времени астрономы мечтали о будущих обсерваториях на поверхности Луны. Казалось, полное отсутствие атмосферы должно создавать на естественном спутнике Земли идеальные условия для астрономических наблюдений как во время лунной ночи, так и в условиях лунного дня.

Источник задания: Решение 4555. ОГЭ 2017 Физика, Е.Е. Камзеева. 30 вариантов.

Задание 20. Под рефракцией в тексте понимается явление

1) изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы

2) изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли

3) поглощения света при его распространении в атмосфере Земли

4) огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения от прямолинейного распространения

Решение.

Прежде чем луч света от удалённого космического объекта (например, звезды) сможет попасть в глаз наблюдателя, он должен пройти сквозь земную атмосферу. При этом световой луч подвергается процессам рефракции, поглощения и рассеяния.

Рефракция света в атмосфере - оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов (например, наблюдаемых на небе звёзд). По мере приближения светового луча от небесного тела к поверхности Земли плотность атмосферы растёт (рис. 1), и лучи преломляются всё сильнее. Процесс распространения светового луча через земную атмосферу можно смоделировать с помощью стопки прозрачных пластин, оптическая плотность которых изменяется по ходу распространения луча.

Из-за рефракции наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения (рис. 3). Угол между истинным и видимым направлениями на объект называется углом рефракции. Звёзды вблизи горизонта, свет которых должен пройти через самую большую толщу атмосферы, сильнее всего подвержены действию атмосферной рефракции (угол рефракции составляет порядка 1/6 углового градуса).

Опыты Птолемея по преломлению света

Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) - автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника, Птолемей написал еще книгу «Оптика», в которой изложил теорию зрения, теорию плоских и сферических зеркал и описал исследование явления преломления света.
С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звезды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звездный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по ломаной линии, то есть происходит рефракция (преломление света). Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой.
Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провел следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на нем две подвижные линейки l 1 и l 2 (см. рисунок). Линейки могли вращаться около центра круга на общей оси О.
Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.

Птолемей не нашел «формулы» взаимосвязи для этих двух рядов чисел. Однако если определить синусы этих углов, то окажется, что отношение синусов выражается практически одним и тем же числом даже при таком грубом измерении углов, к которому прибегал Птолемей.

III. Из-за рефракции света в спокойной атмосфере кажущееся положение звезд на небосклоне относительно горизонта...

Астрономы называют вспышки "спорадическими явлениями" — они внезапны и непредсказуемы. Причем из наблюдений известно, что красным карликам присуща весьма интенсивная вспышечная активность. Они относятся к менее массивным звездам, чем наше Солнце, и тоже считаются пригодными на роль "колыбелей жизни". Недавно ученые выяснили причину этого феномена.

Интерес к феномену вспышек у красных карликов вполне закономерен — дело в том, что подобная мощная вспышка может стать гибельной для зарождающейся или развитой биоты. А ведь у красных карликов есть планеты, на некоторых из которых имеются вполне нормальные условия для существования жизни.

На фоне звезд-гигантов красные карлики выглядят слабо светящимися звездочками, поэтому их наблюдения производятся в ограниченном ближнем ареале. В нашей Галактике, в созвездии Большой Медведицы, находится двойная звездная система, состоящая из двух красных карликов — их разделяет расстояние в 190 астрономических единиц. В масштабах Солнечной системы это четырехкратное расстояние от Солнца до Плутона.

Эта звездная система носит название Глизе 412 и изучена довольно основательно. Ее звезды, красные карлики, таковы: первая — Глизе 412 A по массе дотягивает до половины массы Солнца, а светится гораздо слабее — достигает лишь 2 процентов от светимости нашей звезды. Вторая звездочка Глизе 412 B гораздо менее массивна и не обладает постоянной светимостью. Это очень тусклая звезда класса М6 в сто раз слабее своей соседки Глизе 412 A! Но ярчайшие моменты звездных вспышек обнаруживают подобные переменные звезды, это воистину их "звездный миг" — сильнейший всплеск яркости свечения обнаруживается в наблюдениях.

Теория звездных вспышек объясняет эти явления преобразованиями в сложной иерархии звездных магнитных полей, которые управляют звездной активностью. На Солнце это хорошо видно: образуется новый комплекс активности с пятнами, он растет и видоизменяется, и когда всплывает новый сильный магнитный поток, происходит пересоединение силовых линий, и в проводящей плазменной среде реализуется мощнейшее энергетическое преобразование на Солнце, которое видится как вспышка. Этот выброс обладает гигантской кинетической энергией и улетает от Солнца со скоростями более 1000 км/с. На красных карликах происходят гигантские вспышки, конвективная плазменная среда этих звезд по той же схеме электрического разряда порождает вспышечную активность.

Вахтанг Тамазян, профессор Университета де Сантьяго де Компостела (Галисия, Испания), с группой коллег из Испании и Армении выявили и исследовали исключительно мощный пример такого вспышечного процесса: переменная звезда WX UMa увеличила свою яркость в 15 раз за 160 с. Температура ее поверхности, равная 2 800 К, в области вспышечного события достигла 18 000 К — такова поверхностная температура голубых гигантов спектрального класса B! Но голубые гиганты питают свою чудовищную светимость постоянным притоком энергии из глубин звезды. В случае красного карлика эта температура обнаруживает разогрев корональной вспышечной петли, активного образования в верхней атмосфере красного карлика, светимость которой инициирует реализованная энергия магнитного поля.

Аналогичное изменение яркости корональной петли на Солнце было обнаружено в космическом эксперименте Коронас-Ф в ИЗМИРАН им. Н. В. Пушкова РАН, открытие отмечено Государственной премией. Обычно корона Солнца нагрета примерно до 2 миллионов градусов, в эксперименте Коронас-Ф пронаблюдали нагрев до 20 миллионов градусов. На красных карликах, типичных вспыхивающих звездах, так реализуются нестабильности их сложных магнитных полей. Регистрировать эти явления нелегко по причине слабой светимости, поскольку далее 60 световых лет от Земли красные карлики невозможно наблюдать, это предел современных технических возможностей.

Звездная пара, в которую входит звезда WX UMa, дает исследователям уникальную возможность "исследовать, связаны ли частота вспышек и взаимное положение пары вращающихся друг вокруг друга светил", — подчеркивает Вахтанг Тамазян. Изучение двойной системы, где красные карлики взаимодействуют друг с другом гравитационно, позволяет исследовать вопрос связности вспышечных процессов и расширить представления о физической природе уникальных вспышек на красных карликах.

Одновременно с наблюдением звезды WX UMa коллектив астрономов изучал дополнительно четыре двойные системы с красными карликами, наблюдая их вспышечную активность. Мощных вспышек наблюдения не зафиксировали, но тем не менее еще три карлика стали ярче при вспышках, и только один из них за время наблюдений подобной активности не проявлял. Итак, как выяснилось, вспышечные характеристики красных карликов не обладают выявленной периодичностью. В итоге ученые предположили, что раз за столь малое время было зарегистрировано большое количество вспышек в двойных системах, то, видимо, они появляются благодаря влиянию светила-компаньона.

Следует заметить, что бушующие вспышками красные карлики не похожи на наше гораздо более стабильное в этом отношении Солнце. Вспышечная активность Солнца зарождается на ветви роста каждого 11-летнего цикла, достигает апогея в максимуме цикла, спадая до минимальных проявлений в минимуме солнечной активности. Хотя исключения из общих тенденций уже наблюдались: в 2003 году незадолго до минимума прошла серия мощных солнечных вспышек, которая привлекла огромное внимание специалистов.

Такие сильные вспышки на Солнце называются рентгеновскими, балла М и Х. Исследования вспышек, как самых энергичных проявлений солнечной и звездной активности, тщательно фиксируются и анализируются по данным современных космических обсерваторий. Их природа становится все более понятной ученым, но прогноз вспышечных событий пока носит только вероятностный, а не точный характер. Но вполне возможно, что по мере совершенствования знаний такой прогноз может появиться…

Проходя через земную атмосферу, лучи света изменяют прямолинейное направление. Вследствие увеличения плотности атмосферы преломление световых лучей усиливается по мере приближения к поверхности Земли. В результате наблюдатель видит небесные светила как бы приподнятыми над горизонтом на угол, получивший название астрономической рефракции.

Рефракция является одним из главных источников как систематических, так и случайных ошибок наблюдений. В 1906г. Ньюкомб писал, что нет такой отрасли практической астрономии, о которой бы так много писали, как о рефракции, и которая была бы в таком неудовлетворительном состоянии. До середины 20 века астрономы редуцировали свои наблюдения по таблицам рефракции, составленным в 19 веке. Основным недостатком всех старых теорий было неточное представление о строении земной атмосферы.

Примем поверхность Земли АВ за сферу радиуса ОА=R, а атмосферу Земли представим в виде концентрических с ней слоёв ав, а 1 в 1 , а 2 в 2 …с плотностями, увеличивающимися по мере приближения слоёв к земной поверхности (рис.2.7). Тогда луч SA от какого-нибудь очень отдалённого светила, преломляясь в атмосфере, придёт в точку А по направлению S¢A, отклонившись от своего первоначального положения SA или же от параллельного ему направления S²A на некоторый угол S¢AS²=r , называемый астрономической рефракцией. Все элементы криволинейного луча SA и окончательное видимое его направление AS¢ будут лежать в одной и той же вертикальной плоскости ZAOS. Следовательно, астрономическая рефракция только повышает истинное направление на светило в проходящей через него вертикальной плоскости.

Угловое возвышение светила над горизонтом в астрономии называют высотой светила. Угол S¢AH = h¢ будет видимой высотой светила, а угол S²AH = h = h¢ - r есть истинная его высота. Угол z – истинное зенитное расстояние светила, а z ¢ является видимым его значением.

Величина рефракции зависит от многих факторов и может изменяться в каждом месте на Земле даже в течение суток. Для средних условий получена приближённая формула рефракции:

Dh=-0,9666ctg h¢. (2.1)

Коэффициент 0,9666 соответствует плотности атмосферы при температуре +10°С и давлении 760мм ртутного столба. Если характеристики атмосферы другие, то поправку за рефракцию, рассчитанную по формуле (2.1), необходимо корректировать поправками за температуру и давление.

Рис.2.7.Астрономическая рефракция

Для учёта астрономической рефракции в зенитальных способах астрономических определений во время наблюдения зенитных расстояний светил измеряют температуру и давление воздуха. В точных способах астрономических определений зенитные расстояния светил измеряются в пределах от 10° до 60°. Верхний предел обусловлен инструментальными ошибками, нижний – ошибками таблиц рефракции.

Зенитное расстояние светила, исправленное поправкой за рефракцию, вычисляется по формуле:

Средняя (нормальная при температуре +10°С и давлении 760мм рт. ст.) рефракция, вычисляемая по z ¢;

Коэффициент, учитывающий температуру воздуха, вычисляемый по значению температуры;

B – коэффициент, учитывающий давление воздуха.

Теорией рефракции занимались многие учёные. Первоначально в качестве исходного служило предположение, что плотность различных слоёв атмосферы уменьшается с увеличением высоты этих слоёв в арифметической прогрессии (Буге). Но вскоре это предположение было признано во всех отношениях неудовлетворительным, так как оно приводило к слишком малой величине рефракции и к слишком быстрому уменьшению температуры с высотой над поверхностью Земли.

Ньютон высказал гипотезу об уменьшении плотности атмосферы с высотой по закону геометрической прогрессии. И эта гипотеза оказалась неудовлетворительной. По этой гипотезе выходило, что температура во всех слоях атмосферы должна оставаться постоянной и равной температуре на поверхности Земли.

Самой остроумной оказалась гипотеза Лапласа, промежуточная между двумя вышеизложенными. На этой гипотезе Лапласа были основаны таблицы рефракции, которые ежегодно помещались во французском астрономическом календаре.

Земная атмосфера с её нестабильностью (турбуленция, вариации рефракции) налагает предел на точность астрономических наблюдений с Земли.

При выборе места установки крупных астрономических приборов предварительно всесторонне изучается астроклимат района, под которым понимается совокупность факторов, искажающих форму проходящего через атмосферу волнового фронта излучения небесных объектов. Если волновой фронт доходит до прибора неискажённым, то прибор в этом случае может работать с максимальной эффективностью (с разрешающей способностью, приближающейся к теоретической).

Как выяснилось, качество телескопического изображения снижается главным образом из-за помех, вносимых приземным слоем атмосферы. Земля благодаря собственному тепловому излучению в ночное время значительно охлаждается и охлаждает прилегающий к ней слой воздуха. Изменение температуры воздуха на 1°С изменяет его показатель преломления на 10 -6 . На изолированных горных вершинах толщина приземного слоя воздуха со значительным перепадом (градиентом) температуры может достигать несколько десятков метров. В долинах и на равнинных местах в ночное время этот слой значительно толще и может составлять сотни метров. Этим объясняется выбор мест для астрономических обсерваторий на отрогах хребтов и на изолированных вершинах, откуда более плотный холодный воздух может стекать в долины. Высоту башни телескопа выбирают такой, чтобы прибор находился выше основной области температурных неоднородностей.

Важным фактором астроклимата является ветер в приземном слое атмосферы. Перемешивая слои холодного и тёплого воздуха, он вызывает появление неоднородностей плотности в столбе воздуха над прибором. Неоднородности, размеры которых меньше диаметра телескопа, приводят к дефокусировке изображения. Более крупные флуктуации плотности (в несколько метров и крупнее) не вызывают резких искажений фронта волны и приводят в основном к смещению, а не к дефокусировке изображения.

В верхних слоях атмосферы (в тропопаузе) также наблюдаются флуктуации плотности и показателя преломления воздуха. Но возмущения в тропопаузе не влияют заметно на качество изображений, даваемых оптическими приборами, так как температурные градиенты там значительно меньше, чем в приземном слое. Эти слои вызывают не дрожание, а мерцание звёзд.

При астроклиматических исследованиях устанавливают связь между количеством ясных дней, регистрируемых метеослужбой, и числом ночей, пригодных для астрономических наблюдений. Наивыгоднейшими районами, по данным астроклиматического анализа территории бывшего СССР, являются некоторые горные районы среднеазиатских государств.

Земная рефракция

Лучи от наземных предметов, если они проходят в атмосфере достаточно большой путь, также испытывают рефракцию. Траектория лучей под влиянием рефракции искривляется, и мы видим их не на тех местах или не в том направлении, где они в действительности находятся. При некоторых условиях в результате земной рефракции возникают миражи – ложные изображения удалённых объектов.

Углом земной рефракции a называется угол между направлением на видимое и действительное положение наблюдаемого предмета (рис.2.8). Значение угла a зависит от расстояния до наблюдаемого предмета и от вертикального градиента температуры в приземном слое атмосферы, в котором происходит распространение лучей от наземных предметов.

Рис.2.8. Проявление земной рефракции при визировании:

а) – снизу вверх, б) – сверху вниз, a - угол земной рефракции

С земной рефракцией связана геодезическая (геометрическая) дальность видимости (рис.2.9). Примем, что наблюдатель находится в точке А на некоторой высоте h Н над земной поверхностью и наблюдает горизонт в направлении точки В. Плоскость НАН – горизонтальная плоскость, проходящая через точку А перпендикулярно радиусу земного шара, называется плоскостью математического горизонта. Если бы лучи света распространялись в атмосфере прямолинейно, то самая далёкая точка на Земле, которую может увидеть наблюдатель из точки А, была бы точка В. Расстояние до этой точки (касательная АВ к земному шару) и есть геодезическая (или геометрическая) дальность видимости D 0 . Круговая линия на земной поверхности ВВ – геодезический (или геометрический) горизонт наблюдателя. Величина D 0 обусловлена только геометрическими параметрами: радиусом Земли R и высотой h Н наблюдателя и равна D o ≈ √ 2Rh H = 3,57√ h H , что следует из рис.2.9.

Рис.2.9. Земная рефракция: математический (НН) и геодезический (ВВ) горизонты, геодезическая дальность видимости (АВ=D 0)

Если наблюдатель наблюдает некоторый предмет, находящийся на высоте h пр над поверхностью Земли, то геодезической дальностью будет расстояние АС = 3,57(√ h H + √ h пр) . Эти утверждения были бы верными, если бы свет распространялся в атмосфере прямолинейно. Но это не так. При нормальном распределении температуры и плотности воздуха в приземном слое кривая линия, изображающая траекторию светового луча, обращена к Земле своей вогнутой стороной. Поэтому самой далёкой точкой, которую увидит наблюдатель из А, будет не В, а В¢. Геодезическая дальность видимости АВ¢ с учётом рефракции будет в среднем на 6-7% больше и вместо коэффициента 3,57 в формулах будет коэффициент 3,82. Геодезическая дальность вычисляется по формулам

, h - в м, D - в км, R - 6378 км

где h н и h пр – в метрах, D – в километрах.

Для человека среднего роста дальность горизонта на Земле составляет около 5км. Для космонавтов В.А.Шаталова и А.С.Елисеева, летавших на космическом корабле «Союз-8», дальность горизонта в перигее (высота 205км) была 1730км, а в апогее (высота 223км) – 1800км.

Для радиоволн рефракция почти не зависит от длины волны, но помимо температуры и давления зависит ещё от содержания в воздухе водяного пара. При одинаковых условиях изменения температуры и давления радиоволны преломляются сильнее, чем световые, особенно при большой влажности.

Поэтому в формулах для определения дальности горизонта или обнаружения предмета лучом радиолокатора перед корнем будет коэффициент 4,08. Следовательно, горизонт радиолокационной системы оказывается дальше примерно на 11%.

Радиоволны хорошо отражаются от земной поверхности и от нижней границы инверсии или слоя пониженной влажности. В таком своеобразном волноводе, образованном земной поверхностью и основанием инверсии, радиоволны могут распространяться на очень большие расстояния. Эти особенности распространения радиоволн успешно используются в радиолокации.

Температура воздуха в приземном слое, особенно в его нижней части, далеко не всегда падает с высотой. Она может уменьшаться с разной скоростью, она может не изменяться по высоте (изотермия) и может увеличиваться с высотой (инверсия). В зависимости от величины и знака градиента температуры рефракция может по-разному влиять на дальность видимого горизонта.

Вертикальный градиент температуры в однородной атмосфере, в которой плотность воздуха с высотой не изменяется, g 0 = 3,42°С/100м. Рассмотрим, какой будет траектория луча АВ при разных градиентах температуры у поверхности Земли.

Пусть , т.е. температура воздуха убывает с высотой. При этом условии убывает с высотой и показатель преломления. Траектория светового луча в этом случае будет обращена к земной поверхности своей вогнутой стороной (на рис. 2.9 траектория АВ ¢). Такую рефракцию называют положительной. Самую дальнюю точку В ¢ наблюдатель увидит в направлении последней касательной к траектории луча. Эта касательная, т.е. видимый за счёт рефракции горизонт, составляет с математическим горизонтом НАН угол D, меньший угла d . Угол d – это угол между математическим и геометрическим горизонтом без рефракции. Таким образом, видимый горизонт поднялся на угол (d - D) и расширился, так как D > D 0 .

Теперь представим, что g постепенно уменьшается, т.е. температура с высотой убывает всё медленнее и медленнее. Наступит момент, когда градиент температуры станет равным нулю (изотермия), а дальше градиент температуры становится отрицательным. Температура уже не убывает, а растёт с высотой, т.е. наблюдается инверсия температуры. При уменьшении градиента температуры и переходе его через ноль видимый горизонт будет подниматься выше и выше и наступит момент, когда D станет равным нулю. Видимый геодезический горизонт поднимется до математического. Земная поверхность как бы распрямилась, стала плоской. Геодезическая дальность видимости – бесконечно большая. Радиус кривизны луча стал равным радиусу земного шара.

При ещё более сильной температурной инверсии D становится отрицательным. Видимый горизонт поднялся выше математического. Наблюдателю в точке А будет казаться, что он находится на дне огромной котловины. Из-за горизонта поднимаются и становятся видимыми (как бы парят в воздухе) предметы, находящиеся далеко за геодезическим горизонтом (рис.2.10).

Такие явления можно наблюдать в полярных странах. Так, с Канадского берега Америки через пролив Смита можно иногда видеть берег Гренландии со всеми строениями на нём. Расстояние до гренландского берега около 70км, в то время как геодезическая дальность видимости составляет не более 20км. Другой пример. С английской стороны пролива Па-де-Кале из Гастингса доводилось видеть французский берег, лежащий через пролив на расстоянии около 75км.

Рис.2.10. Явление необычной рефракции в полярных странах

Теперь допустим, что g =g 0 , следовательно, плотность воздуха с высотой не изменяется (однородная атмосфера), рефракция отсутствует и D=D 0 .

При g > g 0 показатель преломления и плотность воздуха с высотой увеличиваются. В этом случае траектория световых лучей обращена к земной поверхности своей выпуклой стороной. Такую рефракцию называют отрицательной. Последняя точка на Земле, которую увидит наблюдатель в А, будет В². Видимый горизонт АВ² сузился и опустился на угол (D - d ).

Из рассмотренного можно сформулировать следующее правило: если вдоль распространения светового луча в атмосфере плотность воздуха (а, значит, и показатель преломления) изменяется, то световой луч будет изгибаться так, что его траектория всегда обращена выпуклостью в сторону уменьшения плотности (и показателя преломления) воздуха.

Рефракция и миражи

Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения этого слова хорошо отражают сущность явления. Мираж – это изображение реально существующего на Земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету: верхние, нижние, боковые и сложные. Наиболее часто наблюдаются верхние и нижние миражи, которые возникают при необычном распределении плотности (и, следовательно, показателя преломления) по высоте, когда на некоторой высоте или у самой поверхности Земли имеется сравнительно тонкий слой очень тёплого воздуха (с малым показателем преломления), в котором лучи, идущие от наземных предметов, испытывают полное внутреннее отражение. Это происходит при падении лучей на этот слой под углом больше угла полного внутреннего отражения. Этот более тёплый слой воздуха и играет роль воздушного зеркала, отражающего попадающие в него лучи.

Верхние миражи (рис.2.11) возникают при наличии сильных температурных инверсий, когда плотность воздуха и показатель преломления с высотой быстро уменьшаются. В верхних миражах изображение располагается над предметом.

Рис.2.11. Верхний мираж

Траектории световых лучей показаны на рисунке (2.11). Предположим, что земная поверхность плоская и слои одинаковой плотности расположены параллельно ей. Так как плотность убывает с высотой, то . Тёплый слой, играющий роль зеркала, лежит на высоте. В этом слое, когда угол падения лучей становится равным показателю преломления (), происходит поворот лучей назад к земной поверхности. Наблюдатель может видеть одновременно сам предмет (если он не за горизонтом) и одно или несколько изображений над ним – прямых и перевёрнутых.

Рис.2.12. Сложный верхний мираж

На рис. 2.12 представлена схема возникновения сложного верхнего миража. Виден сам предмет аb , над ним его прямое изображение а¢b¢ , перевёрнутое в²b² и снова прямое а²¢b²¢ . Такой мираж может возникнуть, если плотность воздуха уменьшается с высотой сначала медленно, затем быстро и снова медленно. Изображение получается перевёрнутым, если лучи, идущие от крайних точек предмета, пересекутся. Если предмет находится далеко (за горизонтом), то сам предмет может быть и не видим, а его изображения, высоко поднятые в воздух, видны с больших расстояний.

Город Ломоносов находится на берегу Финского залива в 40км от Санкт-Петербурга. Обычно из Ломоносова Санкт-Петербург не виден совсем или виден очень плохо. Иногда же Санкт-Петербург виден «как на ладони». Это один из примеров верхних миражей.

К числу верхних миражей, по-видимому, следует отнести хотя бы часть так называемых призрачных Земель, которые десятилетиями разыскивали в Арктике и так и не нашли. Особенно долго искали Землю Санникова.

Яков Санников был охотником, занимался пушным промыслом. В 1811г. он отправился на собаках по льду к группе Новосибирских островов и с северной оконечности острова Котельный увидел в океане неизвестный остров. Достичь его он не смог, но сообщил об открытии нового острова правительству. В августе 1886г. Э.В.Толь во время своей экспедиции на Новосибирские острова тоже увидел остров Санникова и сделал запись в дневнике: «Горизонт совершенно ясный. В направлении на северо-восток, 14-18 градусов, ясно увидели контуры четырёх столовых гор, которые на востоке соединялись с низменной землёй. Таким образом, сообщение Санникова подтвердилось полностью. Мы вправе, следовательно, нанести в соответствующем месте на карту пунктирную линию и надписать на ней: «Земля Санникова».

Поискам Земли Санникова Толь отдал 16 лет жизни. Он организовал и провёл три экспедиции в район Новосибирских островов. Во время последней экспедиции на шхуне «Заря» (1900-1902гг.) экспедиция Толя погибла, так и не найдя Земли Санникова. Больше Землю Санникова не видел никто. Возможно, это был мираж, который в определённое время года появляется в одном и том же месте. Как Санников, так и Толь, видели мираж одного и того же острова, расположенного в этом направлении, только значительно дальше в океане. Может быть, это был один из островов Де-Лонга. Возможно, это был громадный айсберг – целый ледяной остров. Такие ледяные горы, площадью до 100км 2 , путешествуют по океану несколько десятков лет.

Не всегда мираж обманывал людей. Английский полярный исследователь Роберт Скотт в 1902г. в Антарктиде увидел горы, как бы висящие в воздухе. Скотт предположил, что дальше за горизонтом находится горная цепь. И, действительно, горная цепь была обнаружена позднее норвежским полярным исследователем Раулем Амундсеном как раз там, где и предполагал её нахождение Скотт.

Рис.2.13. Нижний мираж

Нижние миражи (рис.2.13) возникают при очень быстром уменьшении температуры с высотой, т.е. при очень больших градиентах температуры. Роль воздушного зеркала играет тонкий приземный самый тёплый слой воздуха. Мираж называется нижним, так как изображение предмета размещается под предметом. В нижних миражах кажется, будто под предметом находится водная гладь и все предметы отражаются в ней.

В спокойной воде хорошо отражаются все стоящие на берегу предметы. Отражение в тонком нагретом от земной поверхности слое воздуха совершенно аналогично отражению в воде, только роль зеркала играет сам воздух. Состояние воздуха, при котором возникают нижние миражи, крайне неустойчивое. Ведь внизу, у земли, лежит сильно нагретый, а значит и более лёгкий воздух, а выше него – более холодный и тяжелый. Поднимающиеся от земли струи горячего воздуха пронизывают слои холодного воздуха. За счёт этого мираж меняется на глазах, поверхность «воды» кажется волнующейся. Достаточно небольшого порыва ветра или толчка и произойдёт обрушение, т.е. переворачивание воздушных слоёв. Тяжёлый воздух устремится вниз, разрушая воздушное зеркало, и мираж исчезнет. Благоприятными условиями для возникновения нижних миражей является однородная, ровная подстилающая поверхность Земли, что имеет место в степях и пустынях, и солнечная безветренная погода.

Если мираж есть изображение реально существующего предмета, то возникает вопрос – изображение какой водной поверхности видят путники в пустыне? Ведь воды в пустыне нет. Дело в том, что кажущаяся водная поверхность или озеро, видимые в мираже, в действительности являются изображением не водной поверхности, а неба. Участки неба отражаются в воздушном зеркале и создают полную иллюзию блестящей водной поверхности. Такой мираж можно увидеть не только в пустыне или в степи. Они возникают даже в Санкт-Петербурге и его окрестностях в солнечные дни над асфальтовыми дорогами или ровным песчаным пляжем.

Рис.2.14. Боковой мираж

Боковые миражи возникают в тех случаях, когда слои воздуха одинаковой плотности располагаются в атмосфере не горизонтально, как обычно, а наклонно и даже вертикально (рис.2.14). Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещён Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней ещё холодные. Боковые миражи неоднократно наблюдались на Женевском озере. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи.

Сложного вида миражи, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления как верхнего, так и нижнего миража, например при значительной температурной инверсии на некоторой высоте над относительно тёплым морем. Плотность воздуха с высотой сначала увеличивается (температура воздуха понижается), а затем также быстро уменьшается (температура воздуха повышается). При таком распределении плотности воздуха состояние атмосферы весьма неустойчивое и подвержено внезапным изменениям. Поэтому вид миража меняется на глазах. Самые обыкновенные скалы и дома вследствие многократных искажений и увеличения на глазах превращаются в чудесные замки феи Морганы. Фата-моргана наблюдается у берегов Италии, Сицилии. Но она может возникнуть и в высоких широтах. Вот как описал виденную им в Нижнеколымске фата-моргану известный исследователь Сибири Ф.П.Врангель: «Действие горизонтальной рефракции произвело род фата-морганы. Горы, лежащие к югу, казались нам в разных искажённых видах и висящими в воздухе. Дальние горы представлялись опрокинутыми вниз вершинами. Река сузилась до того, что противоположный берег казался находящимся почти у наших изб».