Миражи и солнечное гало

Представьте, что вы добываете нефть и газ в Арктике во время полярной ночи, когда солнце не всходит месяцами. До весны и долгожданного рассвета — две недели, но вдруг над горизонтом показался алый краешек светила. Полярная ночь закончилась раньше? Не тут-то было. Солнце скользнуло по горизонту, но не взошло ни завтра, ни через неделю. На самом деле, оно не всходило и в первый раз. Это был мираж. Откуда он взялся в Арктике и какими еще оптическими явлениями богат этот суровый регион — разбиралась «Энергия+».

Можно ли из Исландии увидеть Гренландию

В древнем норвежском языке для северных миражей были специальные названия — хиллингар и хафгердингар. Первое — это наблюдение берегов и кораблей, которые далеко за горизонтом. По легенде, так исландские мореходы открыли Гренландию. В ясные дни они видели вдали странные горы и ледники и однажды отправились посмотреть, что же там скрывается. В трехстах километрах от родного берега они нашли огромный неизвестный остров. 

Второй тип северных миражей получил отдельное название за сюрреализм: далекие скалы и льдины вырастают в высокие башни фантастических форм, а корабли летают по небу кверху килем. В древности миражи считались предвестниками несчастий и явлениями сверхъестественными. На деле причина их появления кроется буквально в воздухе.

Как возникают северные миражи

Мы видим не сами объекты, а отраженные или испущенные ими лучи света, которые обычно распространяются по прямым линиям. Из-за шарообразности Земли лучи от далеких объектов «застревают» за горизонтом. Но иногда они огибают выпуклости планеты из-за атмосферных оптических явлений. Происходит это благодаря преломлению света в воздухе, которое намного слабее, чем в воде, и обычно незаметно. Однако холодный воздух преломляет свет сильнее теплого, и этого небольшого отличия бывает достаточно для возникновения миражей. Воздушные массы разной температуры для света — это разные оптические среды.  

Попадая из одной среды в другую, луч меняет направление. Если вторая среда преломляет слабее первой, луч «наклоняется» ближе к границе раздела сред. Лучи, падающие на границу под малыми углами, не могут покинуть более плотную среду и целиком отражаются от границы обратно, как от зеркала, — это называется полным внутренним отражением. 

На Севере случаются температурные инверсии, когда теплые воздушные массы из южных широт находятся высоко над холодным океаном и льдом и не охлаждаются так же быстро, как воздух у поверхности. Луч света, поднимающийся к небу под очень малым углом, не превышающим десятую долю градуса, не может попасть из холодного воздуха в теплый и отклоняется вниз, огибая земную поверхность, — так мы видим объекты за линией горизонта.

Какие миражи бывают на Севере

Когда «зеркало» формируют две разнородные воздушные массы с максимально четкой границей, получается перевернутое изображение, например корабли, плывущие вверх килем по небесам. Но обычно зеркало не столь совершенно. Если граница между воздушными массами размытая, она работает как линза, создающая сильное вертикальное увеличение. На больших масштабах вступает в дело и шарообразность Земли: граница раздела становится вогнутым зеркалом, увеличивающим изображения предметов и по вертикали, и по горизонтали.

Иногда воздушные массы образуют «слойку», в которой лучи света испытывают многократное искривление и отражение. Тогда образуется сильно растянутое по вертикали изображение далекого предмета, составленное из прямых и перевернутых участков и известное как мираж фата-моргана. Ветер и восходящие воздушные потоки меняют расположение слоев, заставляя фату-моргану «танцевать».

Когда на границе дня и полярной ночи в атмосфере формируется «слойка» из воздушных масс — теплая приповерхностная, холодная посередине и теплая высотная, — может возникнуть так называемый эффект Новой Земли. Солнечные лучи, по касательной попадающие в холодный слой, оказываются «запертыми» в нем. Испытывая многократные отражения от границ слоев, они огибают земной шар и способны преодолеть до нескольких сотен километров «вглубь» полярной ночи. Наблюдатель, до которого они дотянулись, увидит ложный восход.

Эффект Новой Земли впервые задокументирован в 1597 году, когда исследователь Баренц прибыл с экспедицией к этому острову. 24 января, за две недели рассчитанного срока, из-за горизонта показалось солнце. Очевидцам не поверили, и начались споры: не ошиблись ли они с расчетами, использовав юлианский календарь вместо грегорианского? Три дня спустя ложный восход увидели все, хотя до настоящего восхода оставалось больше недели. Экспедиция прошла успешно, и Баренцево море назвали в честь ее капитана. Но ложный восход еще три века оставался загадкой.

Песнь льда и солнца

Воздух — не единственный иллюзионист Севера. В морозную погоду мельчайшие ледяные кристаллы, взвешенные в атмосфере, рисуют на небе узоры: круги вокруг Солнца, паргелии, зенитные дуги и другие разнообразные формы. Эти оптические явления называются солнечными гало и появляются благодаря тому же, что и миражи — преломлению и отражению света. Но миражи, как и воздух, текучи, а гало проявляет форму, в которой есть постоянство и симметрия, заложенная кристаллической решеткой льда.

Грани ледяных кристаллов и узорчатых снежинок, вырастающих из них, образуют углы 90 или 120 градусов. Именно постоянство этих углов и многообразие способов прохождения солнечных лучей через кристаллы и задает формы гало. Разнообразие вносит и ориентация кристаллов в пространстве, которая бывает упорядоченной. Например, шестиугольные пластинки, образующиеся при конденсации влаги в морозном воздухе, часто разворачиваются аэродинамическими силами горизонтально, — их плоскость параллельна поверхности Земли.

Солнце с ушами, круги и радуга без дождя

Когда плоскости большого количества кристаллов параллельны поверхности Земли, а солнце низко над горизонтом, появляются паргелии — ложные солнца. Световой луч попадает на боковую грань кристалла, проходит через его плоскость и на выходе из другой боковой грани отклоняется вбок. «Коллективная работа» множества ледяных кристаллов создает яркие пятна на небе, расположенные примерно в 22 градусах справа и слева от Солнца. В старину паргелии называли «солнцем с ушами». Иногда их яркости достаточно, чтобы освещенные ими предметы отбрасывали тени.

Если шестиугольные ледяные столбики и их сростки кувыркаются в воздухе, занимая все возможные ориентации в пространстве, вокруг солнечного диска образуется ровная светящаяся окружность — 22-градусное гало. Оно имеет такую же схему преломления, что и паргелии: луч проходит через боковые грани кристаллов. Верхние и нижние участки круга создаются кристаллами-столбиками, торцы которых в этот момент перпендикулярны земной поверхности.

«Примерно час над Арктикой висело гало: три огненных шара соединялись между собой сияющими световыми мечами, — описывает явление Антон, — То солнце, что располагалось по центру, было немного вытянутым, как лепесток или капля. Очевидцы долго не могли оторвать взгляд — такое световое шоу не каждый день застанешь».

Еще один вариант преломления лучей — когда они падают на плоскость кристалла, а выходят через боковую грань горизонтально ориентированной шестиугольной пластинки. Скользящие солнечные лучи при этом отклоняются почти вертикально вниз, и образуется зенитная дуга, или «перевернутая радуга». Этот вид гало всегда высоко над горизонтом, и для ее наблюдения нужна привычка иногда поглядывать на небо. Оно того стоит: никакого дождя, а в небе радуга, яркая и «неправильная» — выгнута вверх. 

Ледяные кристаллы бывают не только шестигранными, но и пирамидальными. Эта редкая форма с другими углами между гранями порождает отдельную галерею световых узоров на небе. Некоторые формы гало до сих пор не объяснены детально, хотя, конечно, они порождаются более сложными комбинациями преломления, отражения и ориентации ледяных кристаллов в воздухе.