Удлинение дня, расширение и сужение горизонта, миражи в океане

Из-за рефракции Солнце, Луна и звезды видны даже тогда, когда в действительности они несколько ниже горизонта. Это следует учитывать при определении высоты светил.

Рефракция световых лучей приводит к расширению горизонта и увеличению длины дня (рис. 1.5). Удлинение дня увеличивается с ростом широты места. На северном полюсе Солнце появляется не в день весеннего равноденствия, а иногда на семь дней раньше и исчезает на семь дней позже осеннего равноденствия.

Рис. 1.5. Расширение и сужение горизонта

При необычно больших градиентах плотности в нижних слоях воздуха может возникать аномальная рефракция. При инверсии температуры (увеличении температуры с высотой), особенно если она сопровождается быстрым уменьшением влажности, преломление лучей будет больше, чем обычно. Объекты кажутся приподнятыми. Видно очень далеко (иногда до 80 км) и водная поверхность кажется не только плоской, но даже вогнутой.

В небе могут плыть корабли. Их очертания зыбки, расплывчаты. Таков печально известный «Летучий голландец». Это верхний мираж. Мираж — оптическое явление, при котором объекты кажутся искаженными, сдвинутыми (поднятыми или пониженными), увеличенными, умноженными или перевернутыми из-за атмосферной рефракции.

Верхние миражи наблюдаются часто в высоких широтах, где вода более холодная, чем воздух над ней, т. е. в воздухе имеется инверсионное распределение температуры.

Сложные миражи называются Fata morgana. Когда падение температуры с высотой много больше, чем обычно, то рефракция меньше нормальной, или может быть даже в противоположном направлении, т. е. лучи могут искривляться вниз выпуклостью. Видимый горизонт кажется ближе к наблюдателю. Когда рефракция полностью изменена, может возникать нижний мираж.

Вблизи экватора, где вода теплее воздуха, горизонт сужается. Мореплаватели здесь воочию убеждаются в том, что Земля круглая. Иногда кажется, что нос судна находится уже на линии горизонта. Судно, появляющееся из-за горизонта, оказывается рядом. Все рядом и все крупное. Волны у экватора представляются более крупными, чем они есть на самом деле.

Радуга, гало, венцы. Радуга - всем известная дуга концентрических цветных полос, видимых, когда солнечные лучи освещают падающие из кучеводождевых облаков капли дождя (рис. 1.6, вкладка). Наблюдается радуга в вечернее время, часто после грозы. Центр дуги — антисолярная точка (в 180° от Солнца). Солнце, наблюдатель и антисолярная точка должны быть на одной линии. Радиус самой яркой радуги — 42°.

Вызвано это рефракцией, внутренним отражением, дифракцией и дисперсией солнечного света на каплях. Красный цвет находится на внешней стороне, синий и фиолетовый — на внутренней стороне. Часто заметна и вторая радуга радиусом около 50°. Порядок цветов в ней обратный. В редких случаях слабая радуга заметна на той же стороне, что и Солнце. Ее радиус и порядок цветов тот же, что и в первой радуге.

Подобное может быть и при свете Луны. Цвета полос в этом случае очень слабые. Поскольку ливневые дожди над океаном наиболее часты ночью, у мореплавателей есть возможность увидеть лунные радуги.

Гало. Рефракция, или комбинация рефракции и отражения света ледяными кристаллами высоких ледяных облаков (Cs, см. лекцию 8) может создавать гало. Наиболее обычная для него форма — цветное кольцо радиусом 22° или, реже, — 46° с Солнцем или Луной в центре. Гало обычно слабо окрашено, красный цвет находится внутри (рис. 1.7, вкладка). Гало может иметь и более сложные формы — столбы, кресты и их сочетания.

Гало может быть прогностическим признаком приближения теплого фронта, а, следовательно, ухудшения погоды.

Венцы. Когда Солнце (или Луна) видно сквозь тонкий слой облаков, оно оказывается окруженным ярким светом, называемым венцом (короной или ореолом). Венцы отличаются от гало много меньшим радиусом. Кроме того, они непосредственно примыкают к светилу. Порядок цветов у них обратный — красный цвет на внешней стороне.

Ярко окрашенный венец говорит о том, что капли, на которых он образуется, имеют одинаковые размеры. В противном случае венцы белесые.

Радиус венца обратно пропорционален размеру капель. Большие размеры венца указывают на маленькие капли. Если венец уменьшается в размерах, то это означает, что капли увеличиваются, и может начаться дождь.

Цвет неба, облаков, Солнца, Луны, зеленый луч. Интенсивность рассеянного света в соответствии с (1.1) изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Синие волны примерно в два раза короче красных волн, они рассеиваются в 16 раз сильнее красных и окрашивают небо в синий цвет.

Крупные частицы, которыми изобилуют нижние слои атмосферы, рассеивают одинаково все длины волн. Иными словами, они рассеивают белые лучи. Поэтому небо не синее, а голубое, а иногда и белесое, когда воздух замутнен. Цвет неба, таким образом, свидетельствует о чистоте атмосферного воздуха.

Облака состоят из капель и кристаллов, которые велики по сравнению с длинами видимых волн. Поэтому освещенные Солнцем, они кажутся ослепительно белыми.

При тумане, выпадающих осадках, в облаках видимость ограничена из-за большого встречного потока рассеянной радиации. В полярных районах известно оптическое явление под названием белая мгла. Ледяные кристаллы, сверкающие в солнечных лучах, дают такое большое количество рассеянной радиации, что ничего не видно иногда уже на расстоянии вытянутой руки.

Цвет Солнца меняется с изменением его высоты от белого днем до желтого и, наконец, красного вечером. Красный цвет Солнца у горизонта объясняется тем, что солнечные лучи в этот момент проходят в атмосфере примерно в 40 раз больший путь, чем при положении Солнца в зените. Проходя сквозь такую толщу атмосферного воздуха, солнечные лучи теряют в результате рассеяния синие, а затем голубые и другие волны и до поверхности Земли доходят только красные волны.

Уменьшается количество энергии, о чем уже говорилось (лекция 2) и меняется спектральный состав солнечного света. Аналогично выглядит Луна у горизонта. Облака у горизонта тоже кажутся красными.

Мореплаватели в открытом море могут увидеть зеленый луч. Рефракция (искривление) солнечных лучей в атмосфере сопровождается их дисперсией (разложением по спектру). Световые лучи искривляются выпуклостью в сторону менее плотного воздуха, т.е. обычно вверх. Последний луч заходящего Солнца, разлагаясь в спектр, образует веер цветных лучей. Угол расхождение крайних лучей видимого спектра (фиолетовых и красных) составляет в среднем 38".

Чем меньше длина волны луча, тем более сильную рефракцию он испытывает, тем сильнее он будет приподниматься за счет рефракции. Когда Солнце погружается под горизонт, происходит быстрая смена цветов от красного к зеленому и последний луч заходящего Солнца оказывается яркого изумрудного цвета. Синий и фиолетовый лучи теряются в синем небе.

Продолжительность зеленого луча всего несколько секунд. Для его наблюдения необходимы открытый горизонт, чистый воздух, свободная от облаков сторона горизонта со стороны Солнца и отсутствие волнения. Это явление можно наблюдать и утром.