Доктор
физико-математических наук В. ТИМОШЕНКО.
Луч, подобный
изумруду,
Золотого счастья
ключ -
Я его еще добуду,
Мой зеленый
слабый луч…
Н. Заболоцкий
Каждый из нас неоднократно видел, как на красном закатном небе скрывается за
горизонтом солнечный диск. Характерный цвет заката обусловлен преломлением и
рассеянием солнечного света в атмосфере Земли (см. "Наука и жизнь"
№ 9, 1993 г.). Однако мало кто знает про другое оптическое явление, также
возникающее при закате солнца и связанное с распространением света в земной
атмосфере, - появление зеленого луча. Это уникальное природное событие можно
наблюдать, когда линия горизонта расположена далеко, а воздух кристально
чист. В большинстве случаев зеленый луч удается увидеть лишь на мгновение над
водной гладью моря или океана и только иногда - в горах. Появление его в
средней полосе России - исключительно редкое событие и возможно лишь при
удачном сочетании большого числа благоприятных факторов. Автору данной статьи
удалось наблюдать и сфотографировать зеленый луч на Волге, в районе Нижнего
Новгорода.
Наиболее часто зеленый луч наблюдали моряки во время длительных плаваний и
считали, что его появление - хорошая примета, знак удачного завершения
путешествия. Люди верили, что тот, кому повезло увидеть зеленый луч, обретет
свое счастье. Существует легенда, пересказанная Жюлем Верном в романе
"Зеленый луч", согласно которой "тот, кому хотя бы однажды
посчастливится увидеть зеленый луч, станет обладателем неоценимого сокровища,
имя которому - "сердечная прозорливость". И тогда человеку будут не
страшны никакие заблуждения и иллюзии, ибо он сможет без труда читать в
собственном сердце и в сердцах других людей". Яркие сине-зеленые цвета
вспышки на краю Солнца оставляют неизгладимые впечатления и воспоминания на
всю жизнь. Они вдохновили поэта Николая Заболоцкого, наблюдавшего зеленый луч
на Балтийском море, на написание стихотворения, строфа из которого взята в
качестве эпиграфа к данной статье.
Скептики считают зеленый луч вымыслом или оптическим обманом. Некоторые
полагают, что это реакция человеческого глаза, утомленного созерцанием
солнца. Именно для последних знаменитый популяризатор науки Я. И. Перельман в
своей книге "Занимательная физика" не только подробно объясняет
причину природного явления "зеленый луч", но и приводит факты,
опровергающие различные заблуждения по этому поводу. Но только в наше время,
когда фотографическая техника дает возможность запечатлеть многочисленные
случаи появления зеленого луча, сомнения, похоже, должны оставить скептиков.
Причины возникновения этого необыкновенного зрелища можно легко понять,
опираясь на знания, полученные в средней школе. Известно, что солнечный свет
состоит из набора электромагнитных волн, каждая из которых обладает своей
частотой и длиной. Волна определенной частоты воспринимается человеческим
глазом как цвет: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и
фиолетовый (каждый охотник желает знать, где сидит фазан). Красный цвет
обладает наибольшей в данном спектре длиной волны, составляющей около 0,7-0,6
микрометра. Для зеленого и фиолетового цветов длина волны равна примерно 0,5
и 0,4 микрометра соответственно. Несмотря на такие, казалось бы, небольшие
различия в длине волны, лучи разного цвета по-разному распространяются в
веществе, в частности имеют различные скорости. Зависимость скорости световых
волн в веществе от их длины или частоты есть проявление более общей
зависимости скорости отклика вещества на частоту колебаний электрического
поля в световой волне. В физике такое явление называется дисперсией. В
большинстве веществ и сред, в том числе и в земной атмосфере, красный свет
распространяется с большей скоростью, чем сине-зеленый. Такая зависимость, называемая
нормальной дисперсией, соответствует меньшим показателям преломления для
красного света, чем для сине-зеленого. Напомним, что показатель преломления -
это величина, показывающая на сколько скорость света в веществе v меньше, чем
в вакууме: n = c/v, где с ≈ 3•108 м/c - скорость света в
вакууме.
Второе, что необходимо для понимания явления, это знание закона преломления
света. Согласно данному закону, при наклонном падении света на границу сред с
различными показателями преломления световой луч отклоняется от
первоначального направления распространения, то есть преломляется. При
попадании светового луча из области с меньшим значением n, например из
вакуума, где n = 1, в среду с большим значением n угол преломления всегда
меньше угла падения. Напомним, что оба угла отсчитываются от нормали
(перпендикуляра) к границе раздела областей. Так как показатели преломления
для волн разной длины различаются, то и углы преломления будут разными, а
именно: красный свет будет преломляться меньше, чем зеленый. Это, в
частности, служит причиной разложения белого света в спектр при его
пропускании через стеклянную призму. Подобное разложение солнечного света в
спектр имеет место и в атмосфере Земли. Однако наблюдается оно лишь в
отдельных случаях и в особых местах. Так, при заходе или восходе солнца его
лучи, видимые наблюдателем на Земле, наклонно падают из космического
пространства (вакуума). Поскольку плотность атмосферы нарастает при
приближении к поверхности Земли, то и показатель преломления света
увеличивается. Свет, распространяясь из космоса к земной поверхности,
постоянно преломляется, а значит, и разлагается в спектр, причем, как и в
стеклянной призме, меньше всего преломляются лучи красного света. Хотя
различие показателей преломления для красного и сине-зеленого световых лучей
в атмосфере крайне мало, но на больших расстояниях (сотни километров) эффект
их разделения вполне наблюдаем. Именно в этом и состоит причина появления
зеленого луча. Действительно, в то время как солнце уже реально находится за
линией горизонта и его красные лучи проходят выше наблюдателя, более
коротковолновые зеленые лучи, отклоненные сильнее, можно увидеть. Конечно,
голубые, синие и фиолетовые лучи, обладающие еще меньшей длиной волны,
преломляются гораздо сильнее, но увидеть их практически невозможно: они очень
сильно рассеиваются и поглощаются в земной атмосфере.
Основное препятствие для наблюдения зеленого луча - рассеяние на взвешенных
частицах тумана, пыли, дыма и других земных загрязнений воздуха, а также на
неоднородностях атмосферы. Кроме того, как уже упоминалось, длина пути
солнечного света от точки входа в атмосферу Земли до точки наблюдения должна
быть достаточно большой. Все эти условия легче всего выполняются при
наблюдении заката или восхода солнца на больших водных пространствах. Увидеть
зеленый луч в степи или в лесистой местности практически невозможно. То, что
данное явление можно было наблюдать на Волге, в средней полосе России, скорее
всего, связано с исключительно благоприятными погодными условиями, а также с
удачным выбором времени и места наблюдения. Дело происходило в самом начале
мая, когда из-за запоздавшей весны еще не началось массовое цветение
растений. Стояла ясная прохладная погода, воздух был чист и прозрачен. Я
находился на набережной Волги, сразу за местом, где в нее впадает Ока, за так
называемой стрелкой. С этой точки Волга просматривается на большом протяжении
вверх по течению.
Даже понимая все физические причины и естественное природное происхождение
зеленого луча, трудно избавиться от сильного эмоционального воздействия.
Поэтому, подобно морякам и поэтам, хочется верить, что появление этого чуда
природы над Волгой, в самом сердце России, послужит хорошим предзнаменованием
для страны и живущих в ней людей.
|