Феномены книги чудес

Комментарий доктора физико-математических наук А. С. Гурвича

Согласно древней британской легенде, у знаменитого короля Артура была сестра-волшебница, по имени Фата-Моргана. Она любила создавать воздушные замки, в которые завлекала путников, чтобы их погубить. От имени этой коварной колдуньи и произошло название одного из интереснейших оптических явлений в атмосфере — фата-моргана. Путешественники, сбившиеся с дороги в пустыне из-за призрачных оазисов, мореплаватели, с суеверным страхом взиравшие на «Летучего голландца», те, кто с изумлением наблюдали несуществующие города, горы, острова, — все эти люди сталкивались с явлениями, возникающими из-за неоднородностей в атмосферном воздухе.

Показатель преломления атмосферы зависит от плотности воздуха. А сама она обычно представляет собой как бы слоеный воздушный пирог, состоящий из слоев с разной температурой. Чем выше на данной высоте температура воздуха, тем меньше его плотность, значит, и меньше показатель преломления. И чем больше перепад (градиент) температуры, тем резче изменяется показатель преломления, тем сильнее искривляется ход луча света. При этом словно бы образуется гигантская воздушная «линза». Она, конечно, отличается от тех, которые «работают» в фотоаппаратах или очках. Ведь стеклянная линза имеет постоянный коэффициент преломления, а атмосферная все время движется, и коэффициент преломления ее постоянно меняется. Кроме того, и проецируемый ею объект, и его наблюдатель находятся внутри этой воздушной линзы. Поэтому наблюдатель и видит изображение несколько искаженным, хотя в большей или меньшей степени отражающим действительность.

Некоторые фокусы феи Морганы (или, говоря современным языком, особенности действия атмосферной «линзы») подробно исследованы американскими физиками А. Фрейзером и У. Махом. Они отметили удивительное свойство «атмосферных линз создавать различные видения и видоизменять информацию, переносимую светом, по мере его распространения сквозь толщу воздуха».

Если температура воздуха с высотой возрастает, то горизонтальная поверхность (например, воды) воспринимается как искривляющаяся кверху. Эта поверхность как бы поднимается по мере удаления от наблюдателя. И тогда возникают города и острова в небе, летающие по воздуху корабли, марширующие солдаты и т. п. А если же с высотой температура падает, то горизонтальная поверхность, наоборот, кажется изогнутой вниз. Наблюдатель видит только верхнюю часть миража. Благодаря этому явлению, возможно, возникла легенда о людях, «ходящих по воде аки по суху».

Один из ученых сам наблюдал на пляже (и даже сфотографировал) такой мираж весной 1972 г. Он с изумлением увидел собственными глазами, как двое ребят прогуливались по. воде между яхтами. Сцена, по словам ученого, была настолько правдоподобной, что после этого ему было бы нетрудно поверить рассказам о людях, идущих по воде. Рассказам, которые можно найти не только в Библии, но и в античных мифах, в буддийской литературе. На самом же деле мальчики во время отлива гуляли по длинной песчаной отмели, но их ступни и сама отмель оказались за оптическим (кажущимся наблюдателю) горизонтом и поэтому не были ему видны. Остальная же часть фигур была как бы «подвешена» над поверхностью воды, благодаря чему и возникла полная иллюзия хождения по ней. Такие миражи могут появиться над водой ранним утром, когда она теплее прилегающего воздуха и как бы подогревает его.

А как происходит искажение размеров предмета? Если температура с высотой изменяется равномерно, то изображение перемещается вверх или вниз, однако пропорции его не нарушаются. Но так бывает очень редко. Обычно все гораздо сложнее. Ведь наблюдатель находится на земле. У самой поверхности (в слое толщиной не более нескольких сантиметров) передача тепла обеспечивается в основном молекулярной теплопроводностью и излучением, в то время как выше преобладает конвекция (перемешивание воздуха), которая выравнивает перепады температуры. Наибольшая разница в температурах наблюдается у самой земли, и с высотой она убывает (причем обычно неравномерно). В результате мираж возникает с искажением пропорций объекта.

Представьте себе озеро или залив при солнечной погоде после полудня. Теплый воздух устремляется с берегов к воде, которая охлаждает его. При этом наибольший перепад температур будет, естественно, у поверхности воды: здесь воздух окажется всего холоднее. А чем выше, тем меньше разница в температуре соседних слоев воздуха. В результате может возникнуть мираж, при котором изображение поднимается вверх и сплющивается по вертикали.

Когда же поверхность земли или воды теплее прилегающего воздуха и он в результате подогревается снизу, то происходит увеличение изображения. Так часто получается у поверхности воды рано утром, а также над раскаленной солнцем землей (знаменитые миражи в пустыне).

В зависимости оттого, как изменяется температура с высотой (где-то более плавно, где-то резко), меняется и характер миражей. Чем сложнее форма атмосферных «линз», тем причудливее мираж. «Линза» может перевернуть изображение, наложить друг на друга его части, наконец, «изготовить» это изображение во множестве экземпляров (примерно так «играет» порою с объективом камеры кино- или телеоператор). А нечеткость изображений объясняется оптическими дефектами атмосферной «линзы» из-за неоднородностей плотности и температуры, связанных с беспорядочным движением воздуха.

Фата-моргана способна превратить горизонтальную поверхность земли, воды или снега в вертикальную стену. Игра освещенности может привести к появлению на этой стене всевозможных фантастических башен, колонн, окон. А если основой для миража служит что-то реальное — город, корабль, поле боя, — то и возникают города в небе, «летучие голландцы», воздушные армии и сражения…

Миражи наблюдаются тогда, когда световые лучи сильно искривляются. А для этого они должны пройти большое расстояние в атмосфере, и притом почти параллельно поверхности земли. Поэтому желательны большие открытые пространства, чтобы ничто не мешало фата-моргане. Очень «удобны» для нее и прибрежные районы суши (здесь чаще возникают значительные перепады температур). Не потому ли описания сказочных островов, неведомых земель чаще встречаются в легендах и преданиях приморских народов?

Мираж виден тогда, когда он отличается от окружающей местности. Если на фоне поля и возникнет мираж луга, то человеческий глаз его просто не увидит. Именно поэтому так часты видения городов и островов. Ведь привлекает и поражает необычное — корабли, «плывущие» над землей, вода в пустыне, люди, парящие в воздухе, города, висящие над полем или лесом, и т. д.

Когда наблюдатель идет, вместе с ним перемещается и мираж (по-научному — оптический горизонт). Это особенно часто наблюдается на шоссе: вдали как будто вода разлита на дороге, и она все время «убегает» от машины. Точно так же в пустыне «вода» окружает порой путника со всех сторон и движется вместе с ним. К вечеру, когда пустыня остывает, перепады температур уменьшаются и вместе с ними уменьшается кривизна пути световых лучей — мираж удаляется от путешественников.

Надо сказать, что бывают и звуковые миражи. Иными словами, в атмосфере может происходить не только передача и увеличение изображений, но и передача и усиление звука. И не исключена возможность, что в каком-то месте зрительное изображение совместится со звуковым «сопровождением». Тогда, например, вид сражения может сопровождаться шумом битвы. Следует обратить внимание на то, что люди видели сражающиеся армии на небе в основном в периоды войн, к тому же в прошлом, когда воздух был достаточно чистым, прозрачным. Современные боевые действия не для феи Морганы!

Но и в наше время иногда наблюдаются звуковые миражи. Известен, например, такой случай. При экспериментальном взрыве нескольких сот тонн взрывчатки звук от этого взрыва был едва слышен уже на расстоянии около 30 километров. А вот в одном поселке, расположенном примерно в 300 километрах от места взрыва, в некоторых домах вылетели стекла в окнах. Это самый настоящий звуковой мираж, да еще весьма «действенный».