Рефракція світла в атмосфері

Рефракцією світла в атмосфері називається те викривлення траєкторії світлового променя, що відбувається внаслідок зміни густини повітря з висотою. З цієї причини промені світла поширюються в атмосфері не прямолінійно, а в загальному випадку по деякій складній кривій лінії. Це викривлення траєкторії є причиною багатьох явищ. Зауважимо, що рефракція світла є лише частковим випадком рефракції, якій піддані всі електромагнітні хвилі (наприклад, радіохвилі), а також і акустичні хвилі, що поширюються в атмосфері.

У середньому для області видимих променів =1,000294. У табл.1 приведені його значення для різних довжин хвиль.

Значення показника заломлення в сухому повітрі (t = 0°, ρ = 760 мм) для різних довжин хвиль (нм)

Довжина хвилі λ ,нм	Показник заломлення
400	1,0002983
500	1,0002943
550	1,0002931
600	1,0002922
700	1,0002910
800	1,0002902

Показник заломлення залежить від тиску і температури повітря, причому залежність від останньої є вирішальною. Деякий вплив робить також вологість повітря, але у видимій області спектра вона настільки мала, що нею можна нехтувати.

Р озіб'ємо всю атмосферу на ряд тонких концентричних шарів, усередині кожного з яких покладемо густину сталої (рис.2). Зі сказаного можна зробити висновок, що показник заломлення від шару до шару з висотою зменшується. Промінь, переходячи з вище розташованого шару в сусідній, розташований нижче, і заломлюючи, буде наближатися до напрямку схилу, тобто викривлятися в напрямку до земної поверхні. Виведемо рівняння траєкторії променя в цьому найпростішому випадку. Розглянемо послідовні шари 1, 2, 3 і т.д. і позначимо показники заломлення для них через n₁, п₂, п₃ і т.д. Нехай, далі, на границі переходу із шару 1 у шар 2, із шару 2 у шар 3 і т. д. кути падіння будуть і₁ і₂ і₃, а кути заломлення е₁, е₂,е₃. Тоді, мабуть, можна написати

, і т.д. (6)

З іншого боку, з і і т.д. маємо

, і т.д. (7)

де і т.д. — радіус-вектори.

Виключаючи із рівностей (6) і (7) кути е₁,е₂ і т.д., одержимо:

або

або

В загальному випадку

(8),

що і дає рівняння траєкторії променя.

Міражі

В особливих випадках стану атмосфери в ній утворяться шари, що різко відрізняються за своєю густиною, причому на границі розподілу цих шарів відбувається досить сильна зміна густини, а з нею і показника заломлення. У таких випадках виникають особливого роду численні і різноманітні за формою явища, що одержали назву міражі.

Явище міражу полягає в тому, що ми бачимо не одне зображення якого-небудь віддаленого предмета, як звичайно, а трохи розташовані одне над іншим, причому деякі з цих зображень можуть виявитися переверненими в зворотному напрямку. Такий характер явища свідчить про те, що промені, що йдуть від предмета, проходять в атмосфері різними шляхами й в око від кожної точки предмета може потрапити кілька променів, по напрямках дотичних до яких ми і проектуємо предмет. Відмітимо, що іноді сам предмет, зображення якого ми відмічаємо, може і не знаходитися в полі зору (він схований під обрієм). Це може, мабуть, відбуватися тільки в тих випадках, коли на границі розподілу між шарами відбувається повне відбивання променів, що падають на неї. Таке відбивання може спостерігатися в атмосфері тільки тоді, коли при переході променя із середовища з більшим значенням показника заломлення в середовище з меншим показником кут падіння променя виявляється більшим кута повного внутрішнього відбивання, тобто коли кут падіння променя на границю розподілу більше значення , що задовольняє співвідношенню (9) , де відповідно показники заломлення в більш густому і менш густому шарах. Тому що розходження в значеннях показників n₂ і n₁ невелике, то і значення граничного кута буде дуже мало відрізнятися від 90°; наприклад, навіть при різниці густини, викликаної температурним стрибком на границі розподілу близько 10°С, кут буде більше 89,5°.

Розрізняють нижні міражі, якщо відбите зображення розташовується нижче предмета, і верхні міражі, якщо відбиті зображення знаходяться вище предмета.

Схематично утворення нижнього міражу можна подати в такий спосіб (рис. 3). Нехай у результаті інтенсивного нагрівання сонячними променями земної поверхні біля неї утворився тонкий шар сильно перегрітого повітря, у якому густина, а тим самим і показник заломлення будуть малі і над яким розташовуються шари з більшою густиною. Звичайно, такий стан носить тимчасовий і не стійкий характер і легко може бути порушеним, у зв'язку з чим воно, звичайно, може мати місце тільки при відсутності вітру. У цьому випадку, якщо з точки В розглядати який-небудь предмет ΖΗ, то від будь-якої точки останнього, наприклад від точки Н, у наше око (точка В) можуть прийти два промені, один із яких, злегка викривляючи, проробить весь свій шлях у верхньому холодному і більш густому шарі (промінь ΗВ), а інший, направляючись вниз, відіб'ється в точці А на границі розподілу між шарами і прийде по шляху НАВ. Проектуючи точку Η по напрямку дотичної до цього променя, ми побачимо її зображення в точці Н'. Те ж може відбутися і для інших точок предмета ΖΗ, зображення якого буде видно нижче дійсного і притім у переверненому -вигляді.

Т аким предметом, відбите зворотне зображення якого можна спостерігати, часто є ділянка небесного зводу в обрію. Його зображення, сприймане оком, вуалює частина ландшафту у виді блакитнуватої поверхні, сприйманої як водна поверхня, тому, візуючи який-небудь предмет, розташований вдалині, ми бачимо його тоді як би плаваючим на водній поверхні (відбитому зображенні частини неба), що розташовується спереду. Таке явище часто спостерігається в літню пору при затишності в степах, пустелях, над поверхнями асфальтованих доріг і т.п. Своєрідні зміни форми сонячного або місячного дисків, що іноді спостерігаються при їхньому заході, також до деякої міри пояснюються рефракцією.

Верхній міраж утвориться при зворотних умовах, коли (частіше в зимовий час) земна поверхня, а з нею і прилягаючий до неї шар повітря сильно переохолоджуються. Якщо границя переходу від цього охолодженого шару повітря до розташованого вище більш теплим шарам досить різко виражена, то створюються умови, сприятливі для відбивання від неї променів, що йдуть від спостережуваного предмета (рис.4), причому виявляється можливим поява декількох зображень предмета, як прямих, так і зворотних. Це визначається тим, скільки променів потрапить в око і. якими шляхами вони пройдуть в атмосфері.

Викривлення форми Сонця і Місяця під час сходу і заходу

Іноді, коли Сонце знаходиться низько над обрієм, можна спостерігати дивне його викривлення обрисів. Часто кути видимого сегмента закруглені, іноді здається, що диск складається з двох частин, з'єднаних разом; часом під Сонцем виявляється смужка світла, що піднімається в міру того, як сонячний диск опускається. Буває, що Сонце сідає не за обрій, а на відстані декількох хвилин дуги над ним. Здається, що такі викривлення з'являються частіше ввечері, ніж вранці, і пояснення цьому варто шукати в метеорологічних факторах. У тихі безхмарні дні шари повітря з різною густиною менше перемішуються, так що викривлення в обрисах сонячного диска можна прийняти за ознаку стійкого стану атмосфери і, отже, гарної погоди. Якщо Сонце занадто сліпить очі, то при спостереженні рекомендується тримати перед оком листок срібного або звичайного паперу з маленькою круглою дірочкою, або темне скло

Найцікавіша стадія цього явища настає звичайно лише за 10 хвилин до заходу (або продовжується через 10 хвилин після сходу). Зверніть увагу на різні відтінки кольору сонячного диска — ближче до обрію він темно-червоний, а у верхній частині поступово стає жовтогарячим і жовтим. Можна помітити також, як витягаються іноді великі сонячні плями, що спостерігаються.

Дуже цікаво, хоча і важко, сфотографувати це явище; знімки Сонця, зняті за допомогою звичайного фотоапарата, виявляються занадто маленькими. Задовільні фотографії можна одержати лише за допомогою телескопа, у якого фокусна відстань не менш 75 см і діаметр об'єктива від 3 до 10 см. Знімати потрібно з дуже короткою витримкою — менше 1 секунди, що відкидає необхідність пересувати телескоп за Сонцем.

Оптичні викривлення, описані вище, пояснюються не чим іншим, як звичайним міражем, і тут варто знову підкреслити різницю між верхніми і нижніми міражами.