• пн-пт 8:00–20:00
  • сб 8:00–19:00

ФИЗИКА. Физика миражей

Дата публикации: 1 июля 2019

Понятие миража:
Мираж (фр. mirage — букв. видимость) — оптическое явление в атмосфере: преломление потоков света на границе между резко различными по плотности и температуре слоями воздуха. Для наблюдателя такое явление заключается в том, что вместе с реально видимым отдалённым объектом (или участком неба) также видно и его отражение в атмосфере.
Когда мы говорим о чем-то неуловимом, нереальном, пригрезившемся, мы используем слово «мираж». Подобно сказке, он восхищает нас, влечет к себе и бесследно исчезает, когда мы пробуем к нему приблизиться. Для уставшего путника в пустыне он может представиться долгожданным оазисом. Но бесполезно надеяться отдохнуть и освежиться в таком оазисе — это всего лишь мираж.
Миражи очень разнообразны. Они позволяют видеть даже объекты, например, города, которые на самом деле находятся далеко от наблюдателя, скрыты от него за горизонтом. Эти видения появляются вдруг у линии горизонта или повисают над ней в воздухе. Иногда они появляются в перевернутом виде, иногда оказываются сдвоенными.

Миражи в литературе:
В мире литературы хорошо описывается так называемый «озерный» мираж . Представьте себе раскаленную пустыню: кругом, куда ни посмотришь — горячий песок. И вдруг, впереди, где-то у линии горизонта, возникает озеро. Это чудо представляется совершенно реальным. В воображении возникает даже плеск воды. Но вот вы проходите один, другой и третий километры, а озеро все так же где-то впереди, и вокруг по-прежнему одни пески. Отлично передал настроение человека , пленившегося миражом и обманутого им, К.Д.Бальмонт .
Хорошая фантазия на тему верхнего миража есть у Николая Васильевича Гоголя:

“За Киевом показалось великое чудо! Вдруг стало видимо далеко во все концы света. Вдали засинел Лиман, за Лиманом разливалось Черное море. Бывалые люди узнали и Крым, горою подымавшийся из моря, и болотный Сиваш. По правую руку видна была земля Галицкая.
— А это что такое? — допрашивал собравшийся народ, указывая на далеко мерещившиеся на небе и больше похожие на облака серые и белые верхи… ТоКарпатские горы! — говорили старые люди…”

Конечно, из Киева никто Крыма и Карпат не видел. Носуществуют удивительные миражи — их относят к третьему классу и зовут миражами сверхдальнего видения. Для них тысячекилометровые расстояния не помеха.

Миражи в Легендах:
В давние времена миражи считали проделками злых духов. Например, легенда о «летучем голландце» — корабле-призраке, встреча с которым предвещала несчастье. Легенда порождена страхом, охватывающим матросов, когда в тихую штильную погоду перед ними вдруг возникал бесшумно несущийся на всех парусах корабль.

Или, согласно одной легенде, коварная фея Моргана любила охотиться за человеческими душами, подстерегать в пустыне караваны, очаровывать караванщиков прекрасными призрачными видениями — сверкающими дворцами, пышными садами, роскошными фонтанами. Усталые путники устремлялись к этим садам и дворцам, сбивались с дороги и погибали в песках.

Виды миражей:
      Нижние(озерные)  миражи;
 Верхние миражи;
 Миражи сверхдальнего видения; 
                                                                           
Объяснение миражей:

  • Искривление светового луча в оптически неоднородной среде:

Полезно понаблюдать на опыте, как распространяется узкий световой пучок в оптически неоднородной среде. Возьмем  раствор воды и поваренной соли с плавно изменяющейся в вертикальном направлении плотности (а значит и  показателем преломления). Плотность будет уменьшаться в направлении снизу вверх. Через боковую стенку сосуда направим внутрь жидкости узкий световой луч вверх. Заметим, что световой луч будет изгибаться и его направление будет приближаться к горизонтальному (выпуклостью вверх). Затем направим луч вниз. При переходе в слои жидкости с более высокими показателями преломления угол луча с вертикалью будет уменьшаться,  следовательно луч будет направлен выпуклостью вверх к менее плотной среде. Теперь возьмем луч, вошедший строго горизонтально в сосуд. Его распространение будет изгибаться книзу- в сторону слоев оптически более плотных(выпуклостью вверх). Это будет происходить из-за разностей скоростей   в различных точках волнового фронта светового луча.(скорость в точке А и Б различна. А>Б)
Данный опыт позволяет заключить: если свет распространяется в среде, показатель преломления которой уменьшается в направлении снизу вверх, то независимо от начального направления луча он всегда будет искривляться так, чтобы его траектория была обращена выпуклостью вверх. Если бы показатель преломления уменьшался в направлении сверху вниз, то тогда выпуклая сторона изогнутого светового луча была бы обращена вниз. Обобщая, можно сформулировать следующее важное правило: в оптически неоднородной среде световой луч изгибается так, что его траектория всегда оказывается обращена выпуклостью в сторону уменьшения показателя преломления среды.

  • Объяснение нижнего(озерного) миража:

Если воздух у поверхности земли сильно нагрет, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных массах, т.е. показатель преломления увеличивается снизу вверх. Значит согласно правилу изгиба светового пучка, траектория световых лучей вблизи земной поверхности будет обращена выпуклостью вниз. При построении дальнейшего хода луча получится мнимое перевернутое изображение. А изображение похожее на воду будет мнимым изображением неба.
«Озерный» мираж можно наблюдать, глядя на убегающую вдаль         асфальтовую или бетонную дорогу, сильно нагретую летним солнцем. В
жаркий день хорошо видны лужи воды впереди на дороге, хотя в действительности дорога сухая.

  • Простые верхние миражи:

Теперь предположим, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель  может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Не даром такие миражи называют верхними. Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом просто убедиться, если рассмотреть гипотетический случай — показатель преломления воздуха на некоторой высоте, уменьшается скачком. Для простоты кривизна земной поверхности не принимается во внимание. Лучи от объекта, прежде чем попасть к наблюдателю А испытывают полное внутреннее отражение от границы ВС ниже которой в данном случае находится бюлее плотный, а выше — менее  плотный воздух. Верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действиительности, разумеется, нет скачкообразной границы между слоями воздуха; переход совершается постепенно. Однако если он совершается достаточно резко, верхний мираж даст перевернутое изображение.(изображение также строится на продолжении лучей)

  • Двойные и тройные миражи:

Допустим, что показатель преломления воздуха уменьшается с высотой сначала быстро, а затем медленно. В этом случае световые лучи в первой области будут искривляться сильнее, чем во второй. В результате возникают два изображения. Световые лучи, распространяющиеся в пределах воздушной области (те самые, которые сильно искривляются), формируют перевернутое изображение объекта. Лучи, распространяющиеся в основном в пределах области 2й, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Теперь представим себе, что существуют три последовательные воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и, наконец, третья, где показатель преломления снова уменьшается медленно. В этом случае возможен тройной мираж. На рисунке представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой; цифрами 1, 2, 3 обозначены соответствующие воздушные области (начиная от приповерхностной). На рисунке показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее прямое изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области 1. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадая в воздушную область 2, эти лучи испытывают достаточно сильное искривление. Наконец, лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта.

Двойной мираж может возникнуть также в случае, когда у самой поверхности воздух сильно нагрет, выше охлажден, а еще выше снова нагрет.

  • Миражи сверхдальнего видения;

Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть очень прозрачной, свободной от загрязнений и водяных паров. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым.
Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге «Атмосфера» описывает пример подобного миража: «Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!»
Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Заметим, что расстояние от Вервье до Ватерлоо по прямой линии более 100 км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на существенно больших расстояниях — до 1000 км. «Летучего голландца» следует отнести именно к таким миражам. Вот какой случай описан в книге “Оптические явления в природе” (М., “Просвещение”, 1974):

“В ночь на 27 марта 1898 года среди Тихого океана экипаж бременского судна “Матадор” был напуган видением. Около полуночи экипаж заметил приблизительно в двух милях судно, которое боролось с сильным штормом. Это было тем более удивительно, что кругом стоял штиль. Судно пересекало курс “Матадора”, и были мгновения, когда казалось, что столкновение кораблей неизбежно… Экипаж “Матадора” видел, как во время одного сильного удара волны о неизвестное судно в каюте капитана потух свет, который виднелся все время в двух иллюминаторах. Через некоторое время судно исчезло, унося с собой ветер и волны.
Дело разъяснилось позже. Оказалось, что все это происходило с другим судном, которое во время “видения” находилось от “Матадора” на расстоянии 1700 км”.
Вывод:
1.Все миражи подразделяются на три вида:

  • Верхние миражи
  • Нижние миражи
  • Миражи сверхдальнего видения

2.Возникновение миражей происходит из-за неодинаковых температур в разных слоях атмосферы(формируется оптически неоднородная среда) и  искривления светового луча при прохождении через эти слои.(при преломлении через оптически неоднородную среду)