Як працюють оптичні сонячні ілюзії: «антисумеречные промені», «сонячний стовп» і «ефект Тиндаля»

 

Сонячні промені вриваються в нашу атмосферу зі швидкістю триста тисяч кілометрів на секунду. Зустрічаючи на своєму шляху планету, вони здатні створювати оптичні ілюзії небувалої краси. До деяких з них, наприклад, сутінковим променів, ми давно звикли і перестали звертати на них особливу увагу, інші, не настільки буденні, очевидці навпаки схильні розцінювати як потойбічні явища або появу НЛО, – проте і у них є нескладне пояснення. Щоб докопатися до суті, почнемо з простого.

Як працюють сутінкові промені?

Перш за все, для появи на світанку або заході сутінкових променів (в англійському варіанті – «Crepuscular rays»), сонячне світло повинен зустріти на своєму шляху хмари або вершини гір, які розділять його на пучки світла, що розходяться з однієї точки майже на третину неба. Сутінкові промені так добре видно людському оку завдяки тому, що область простору освітленого сонцем повітря чітко відокремлена від затіненого простору. Другий пункт, без якого неможливо побачити ці промені – наявність у високих шарах атмосфери певної концентрації водяної пари або пилу, частинки якої відображали і розсіювали б в нашому напрямку світло. Насправді сонячні промені є паралельними, незважаючи на ілюзію, ніби вони сходяться до сонця, як гігантське віяло. Таким же чином ми бачимо, як рейки залізниці далеко зникають в одній точці.

У Німеччині про сутінкових променях кажуть «Сонце п’є воду», в Голландії – «Сонце стоїть на ніжках», англійці охрестили це явище «Сходами Іакова» (або за біблійною легендою – «Сходами Іакова»), іноді навіть – «Сходами ангелів» або «Божьми пальцями», «Вратами до небес» або «Сходами на небо». У племені Маорі є легенда про героя Мауї Потики (Maui Potiki), який обв’язав сонце мотузками, щоб подовжити дні. Тому у них сутінкові промені називаються «Мотузки Мауї» («taura a Maui»).

Крім того, червона, жовта, малинова палаюча фарба сутінкових променів пояснюється тим, що завдяки кисневій атмосфері (в кристалічному вигляді цей газ як раз кольору індиго) блакитний і зелений коротколновой світло спектра сонячного випромінювання розсіюється молекулами повітря.

Як працюють антисумеречные промені?

Саме сутінкові промені народжують таке рідкісне і дивно ефектне явище, як антисумеречные промені (в англійському варіанті – «anticrepuscular rays»), що здаються спочатку чимось неприродним. Та й не всім везе їх побачити – для цього треба не забути обернутися, відірвавши погляд від барвистого заходу, що вже саме по собі непросто.

Розсіюючись через так званий «аерозоль» в атмосфері, сонячні промені, які зустріли на своєму шляху вершину гірської гряди або хмари з розривами, відхиляються у напрямку до «антисолярної» точці, – тобто до точки на східному горизонті, яка є діаметрально протилежною тій західній точці, в якій сідає сонце. Точні спостереження фізиків вказують на те, що сутінкові і антисумеречные промені на заході і на сході відповідають один одному попарно – і, по суті, являють собою одні і ті ж сонячні промені, які обігнули небесну сферу і проектувалися у вигляді кіл. У таких променів найкраще видно яскраві кінці, а їх дугаста форма – ні що інше, як результат оптичної ілюзії, оскільки в дійсності вони паралельні. Цей оптичний обман пояснив ще Леонардо да Вінчі. Сутінкові і антисумеречные промені також іноді можуть бути видимими з-під води, – особливо в арктичних областях, завдяки крижаним тріщин у льоду і крижаним торосам (нагромождениям уламків льоду до 10-20 метрів у висоту, які утворюються в результаті стиснення крижаного покриву).

А от американським фотографам все-таки пощастило: на знімках відображені антисумеречные промені у околицях міста Боулдер (штат Каліфорнія, США), і захід сонця біля каньйону «Підкова» (Штат Юта, США). Детальніше про це унікальне явище можна прочитати в книзі М. Міннарта «Світло і колір в природі», перекладеної на російську в 1969 році.

Світловий, або сонячний стовп

У ангийском варіанті це звучить як «Light pillar». Сонячний стовп – це цілком вивчений оптичний ефект, який представляє собою вертикальну смугу світла, яка тягнеться вгору від призахідного або висхідного сонця. Це явище викликається крижаними кристалами (шестикутними плоскими або ж столбовидными) з плоскими, майже горизонтальними паралельними поверхнями. Зависаючи в холодному повітрі, ці плоскі кристали, ломлячи сонячне світло, здатні викликати сонячний стовп, вид якого залежить від взаємного розташування кристалів:

• Плоскі шестикутні «працюють», якщо світило знаходиться на висоті шести градусів над горизонтом (або позаду нього);
• Столбовидные кристали «включаються» в гру сонячного світла, якщо світило піднімається на висоту в двадцять градусів над горизонтом.
• Нерідко світлові стовпи формуються навколо Місяця, вогнів великих міст і інших яскравих джерел світла. Виходячи від низько розташованих джерел світла, стовпи зазвичай виходять набагато довше, ніж сонячні або місячні. І чим ближче спостерігач знаходиться по відношенню до світлового стовпа, тим менше на його зовнішньому вигляді позначається просторове розташування кристалів.

 

Ефект Тиндаля

Іноді цей цікавий оптичний ефект ще називають «розсіюванням Тиндаля» (в англійському варіанті – «Tyndall effect»), названий по імені відкрив його Джона Тіндаля (народився в 1893 році в Ірландії), – англійського фізика, члена Лондонського королівського товариства. Тіндаль так само вивчав будову і рух Альпійських льодовиків, і завдяки його відкриттям в національному парку Торрес-дель-Пайне (в Чилі) в його честь був названий льодовик Тіндаль. Його книги по розсіюванню світла в мутних середовищах, акустиці, магнетизму, поглинання теплового випромінювання газами і парами переведені на багато мов світу.

Суть ефекту Тиндаля проста: при проходженні пучка світла через оптично неоднорідне середовище – будь то будь-які непрозорі, великі чи дрібні скупчення предметів, зазвичай можна спостерігати розсіяння світла у вигляді світиться конуса, добре видимого на темному тлі (так званий конус Тіндаля).

Цей ефект характерний для тютюнового диму, туману, металів, розбавлених латексів та інших розчинів колоїдних систем. Частки цих матеріалів і навколишнє середовище розрізняються за показником заломлення. Так ми можемо спостерігати туманним ранком розсіювання сонячних променів в лісовій гущавині.

А на цьому фото – склянка борошна, розчиненої у воді. Спостерігачеві здається, що борошно має синій колір, проте вона так і залишилася білою – просто синій світло розсіяний її частками сильніше, ніж червоний світло. На ефект Тиндаля, до всього іншого, заснований цілий ряд оптичних методів для визначення форми, розміру та концентрації макромолекул і колоїдних частинок в різних середовищах.