22.3. Оптические явления в облаках, туманах и осадках

В облаках, туманах и выпадающих осадках возникают разнооб­разные оптические явления в виде малых кругов вокруг Солнца, Луны, звезд (венцы, глории и др.). в виде больших кругов вокруг этих же светил, в виде ложных Солнц, Лун, разнообразных свето­вых дуг на небосводе (гало) и радуг. Согласно теории рассеяния, все перечисленные явления возникают при диф­ракции и интерференции солнечных или лунных лучей на каплях и кристаллах облака, тумана или выпадающих осадков. Какое из яв­лений будет возникать, определяется преобладающим размером элементов облака или осадков, а точнее величиной параметра µ, ха­рактеризующего отношение размера (радиуса г) рассеивающих час­тиц к длине волны падающего света λ:µ = 2πг/λ. При аэрозольном рассеянии угловое распределение яркости рассеянного света (форма индикатрисы рассеяния) и, в частности, положение максимумов яр­кости рассеянного света зависят от величины λ. Известную роль при этом играет и показатель преломления рассеивающих частиц. Когда µ достигает значений, соответствующих мелким каплям или крис­таллам облаков или туманов, на индикатрисе рассеяния появляют­ся дифракционные максимумы, угловые размеры которых опреде­ляют размеры венцов. Происхождение венцов аналогично проис­хождению околосолнечного ореола. Был обнаружен довольно чет­кий максимум яркости рассеянного света под углом рассеяния 180°, соответствующий глории. При укрупнении капель облаков и осад­ков до размеров 10 мкм и более появляются дифракционные максимумы с угловыми размерами, соответствующими положению на не­босводе радуг различных порядков. Рассеяние света на кристаллах льда размерами более 10—20 мкм порождает дифракционные мак­симумы, соответствующие положению гало. Нельзя назвать четких границ размеров капель или кристаллов, при которых происходит смена одного явления другим. Переход осуществляется постепенно, а главное, что в облаках всегда присутствуют капли и кристаллы всевозможных размеров (спектр размеров). Для возникновения каждого явления важно, чтобы в облаке или тумане преобладали капли или кристаллы определенного размера.

Возникновение и яркость оптических явлений зависит, помимо µ, от оптической толщины облака, тумана или завесы выпадающего дождя. Яркие венцы, глории, радуги и гало могут наблюдаться толь­ко в тонких облаках, оптическая толщина которых не превышает единицы. При таких малых оптических толщинах многократное рассеяние света не играет заметной роли и не размывает дифракци­онных максимумов и минимумов, возникающих при однократном рассеянии света. По этой же причине яркие радуги появляются при умеренных и слабых дождях, а не при сильных, образующих плот­ную завесу. Яркие и многочисленные радуги наблюдаются в брыз­гах фонтанов и струях поливальной машины или пульверизатора, поскольку капли крупные, а оптическая толщина завесы из капель дождя небольшая. То же самое можно сказать и о возникновении ярких гало.

При дальнейшем увеличении размеров капель и кристаллов происходит постепенный переход от рассеяния (дифракции) к пре­ломлению и отражению света в каплях и кристаллах. Законы тео­рии рассеяния переходят в законы, установленные на основе пред­ставлений геометрической оптики. Не имея возможности привести полностью выводы теории рассеяния о возникновении оптических явлений в облаках, ограничимся достаточно наглядными и про­стыми их объяснениями, основанными на законах геометрической оптики.