Атмосферні оптичні явища — це візуальні явища, які відбуваються в атмосфері Землі внаслідок відбивання, заломлення та дифракції світла твердими частинками, краплями рідини та іншими матеріалами, присутніми в атмосфері. Такі явища включають широкий спектр, починаючи від блакитного кольору самого неба, міражів і веселок, сонячних псів і сонячних стовпів.
Відбивання і заломлення
Той факт, що кольори з’являються в атмосфері, є наслідком того, як біле світло розбивається на складові частини — червоний, оранжевий, жовтий, зелений, синій, індиго та фіолетовий (спектр) — під час його взаємодії з матеріалами в атмосфера. Ця взаємодія має одну з трьох загальних форм: відбиття, заломлення та дифракція.
Відбиття відбувається, коли світлові промені потрапляють на гладку поверхню і повертаються під кутом, рівним куту вхідних променів. У деяких випадках відбиття може пояснити походження кольору, оскільки певні частини білого світла легше поглинаються або відбиваються, ніж інші. Наприклад, об’єкт, який здається зеленим, робить це тому, що цей об’єкт поглинає всі довжини хвилі білого світла, крім хвилі зеленого, яке відбивається.
Для пояснення оптичних явищ часто використовують одну з форм відображення — внутрішнє відображення . При внутрішньому відбиванні світло потрапляє на одну поверхню прозорого матеріалу (наприклад, краплі води), відбивається від внутрішньої поверхні матеріалу, а потім вдруге відбивається від матеріалу. Колір веселки можна частково пояснити з точки зору внутрішнього відбиття.
Заломлення - це згинання світла, коли воно проходить під кутом від одного прозорого матеріалу до другого прозорого матеріалу. Процес заломлення пояснює той факт, що об’єкти під водою мають інший розмір і розташування, ніж вони в повітрі. Світлові хвилі, проходячи через воду, а потім через повітря, згинаються, змушуючи око створювати візуальне зображення об’єкта.
Міраж
Напевно всі з вас, без винятку, читали, чи десь чули історію про оазиси, озера чи навіть про цілі моря в пустелях, котрі неочікувано для спостерігача подалі зникали. Це і є явище, яке називають міраж. Атмосфера породжує міражі, діючи як лінза, а не як дзеркало. Тільки ця лінза, на відміну від лінз в окулярах, не має форми, так як і сам об’єкт, і спостерігач знаходяться всередині неї. Причиною появи цього ефекту є світло, точніше сказати, одна із його здатностей: рефракція – здатність променя змінювати напрям в залежності від довколишнього середовища.
Як нам відомо з курсу оптики, промінь світла поширюється прямолінійно, але тільки в однорідному середовищі. Якщо на шляху світла виникають границі різних середовищ, то промінь заломлюється, тобто відхиляється від початкового шляху. Це можна спостерігати на прикладі лабораторного експерименту. В акваріум виливають прісну воду, згодом насичений розчин солі. Через різну густину середовищ солона вода опускається вниз. Таким чином ми отримуємо два різні середовища з досить чіткою межею переходу, яку можна побачити навіть неозброєним оком. Крізь це середовище пропустимо промінь світла. Якщо його пропустити вздовж одного з шарів, то світло пройде як завжди прямолінійно. Та коли ми змінимо кут падіння, то побачимо вигин променя світла.
Рисунок 1.1. Вигин променя світла під час проходження крізь різні середовища.
Міраж має ту ж природу. Тільки замість рідин з різними густинами виступає повітря: більш щільне - холодне і розріджене - тепле.
Я впевнена, що практично кожний бачив таке явище як озерний міраж. Його ще називають нижнім. Це один з найбільш розповсюджених видів цієї оптичної ілюзії, який можна побачити як в жаркій пустелі, так і в місті. Якщо в жаркий день звернути свою увагу вздовж рівної дороги, то можна побачити калюжі з відображенням. Насправді їх фізично там немає. Це обман зору. Те, що ми бачимо є не що-небудь інше, як шматочок неба. Це відбувається тоді, коли шари повітря біля поверхні землі розігріті на стільки, що промені світла відбиваються від предмету зазнають сильного викривлення в сторону холодного повітря. Описавши дугу поверхні, вони йдуть знизу вверх. Саме тоді можна побачити предмети ніби то віддзеркаленими в воді
Але міражі бувають різними. Не так часто можна зустріти вид оптичної ілюзії як верхній міраж. Його можна спостерігати над поверхнею води або полярних регіонів. Це відбувається коли повітря над поверхнею землі більш холодне, а більш тепле знаходиться вище. Тобто температура повітря стає вищою зі збільшенням висоти. Таке явище значно цікавіше своїм різноманіттям, оскільки ми можемо спостерігати не тільки відображення фізичних видимих об’єктів, а й те, що знаходиться далеко за горизонтом.
Бокові міражі. Цей вид міражу може виникнути тоді, коли різні шари повітря в атмосфері знаходяться не звично – горизонтально, а під кутом або вертикально. Таке явище ми можемо спостерігати на сході сонця влітку біля скалистих берегів моря або озера. Коли скала вже нагріта від променів сонця, а повітря над водою все іще холодне. Завдяки такій оптичній ілюзії люди інколи можуть спостерігати «привидів», які переважно є всього лиш їхнім відображенням в повітрі. Свідком такого явище стала Кароліна Бодлі :«жарким серпневим днем 1962 року я збирала квіти. Раптом декілька метрів від себе я побачила фігуру. Вона тремтіла і погойдувалась, була досить масивною. Перелякавшись, я впустила букет квітів і тільки тоді помітила, що в привида також був букет квітів. Він також впустив його. Це було моє власне відображення. Я так детально відрізнила всі відтінки, деталі, колір тіла. Мені здавалось, що я бачила себе в дзеркалі»
Напевно одним з найдивовижніших видів міражу є Фата Моргана. Це складне оптичне явище в атмосфері, яке складається з кількох видів міражу при яких віддалені предмети здаються збільшеними в кілька разів і з різними викривленнями. Для цього найбільш таємничого виду міражу переконливих пояснень поки що немає. Якщо наприклад відштовхуватись від теорії Фрейзера-Маха, то для виникнення Фата Маргани потрібно, щоб залежність температури повітря від висоти була не лінійною. Спочатку температура зростає зі збільшенням висоти, але згодом незалежно від швидкості росту зменшується. Дуже схожий температурний профіль, тільки з більш стрімким заломленням вчені називають повітряною лінзою.
