Атмосферна оптика

Коротко

• Блакить неба пояснюється релеївським розсіюванням: коротких, синіх хвиль повітря розсіює більше, ніж червоних.
• Гало й несправжні сонця виникають у льодяних кристалах, веселка — у краплях дощу.
• Міражі з’являються через викривлення променів у шарах повітря з різною температурою.
• Близька наука — актинометрія, що вимірює сонячну радіацію.

Більшість атмосферних оптичних явищ можна побачити без жодних приладів: досить подивитися на небо в ясний полудень, на захід сонця чи на дощову хмару за спиною. Атмосферна оптика пояснює, що саме відбувається зі світлом на шляху від Сонця до ока.

Чотири процеси

Усі явища, які вивчає ця галузь, зводяться до кількох способів, якими повітря та завислі в ньому частинки впливають на світло:

Процес	Що відбувається	Приклади явищ
Розсіювання	світло відхиляється молекулами й частинками	блакить неба, червоні зорі, сутінки
Заломлення	промінь викривлюється на межі середовищ або в неоднорідному повітрі	міражі, гало, веселка
Відбиття	світло відбивається всередині крапель і кристалів	веселка
Дифракція	світло огинає дрібні краплі	вінці навколо Сонця й Місяця

Колір неба і сутінки

Блакитний колір неба — наслідок релеївського розсіювання: молекули повітря розсіюють сині, короткохвильові промені значно сильніше, ніж червоні. Коли Сонце стоїть низько, його світло проходить крізь товстий шар атмосфери, синя складова розсіюється по дорозі, і диск здається червоним. Пил, дим, сажа й краплі хмар додають заграв і відтінків, особливо на світанку й у сутінках.

Веселка, гало, вінці

Веселка утворюється, коли сонячне світло заломлюється, розкладається на кольори й відбивається всередині дощових крапель. Її видно на протилежному від Сонця боці неба, тому найкраще — коли Сонце близько до горизонту.

Гало, несправжні сонця й стовпи світла виникають через розсіювання та заломлення в льодяних кристалах, завислих у повітрі. Форма й яскравість цих фігур залежать від розміру та форми кристалів. Вінці, полярні стратосферні хмари й «свічення після заходу» пов’язані з частинками інших розмірів.

Міражі

Міраж — зміщене або спотворене зображення віддалених предметів. Він з’являється, коли через різницю температур показник заломлення повітря змінюється з висотою і промені викривлюються. Найефектніший різновид, фата-моргана, виникає за температурної інверсії: кораблі, острови чи айсберги на горизонті й навіть за ним здаються витягнутими вгору, як казкові замки. До цієї ж групи належить ефект Нової Землі — Сонце сходить раніше або заходить пізніше, ніж має за розрахунком.

Ілюзії

Частину явищ породжує не лише фізика, а й сприйняття: сутінкові та протисутінкові промені, удавано більший Місяць біля горизонту. Останнє пояснював ще Ібн аль-Хайсам у «Книзі оптики» (1011–1022).

Історія і зв’язок із погодою

Перша книжка з метеорологічної оптики вийшла ще в XVI столітті, але систематичні праці з’явилися переважно після 1950 року. Широкому читачеві тему відкрила книжка Марселя Міннарта «Світло й колір у природі», англійське видання якої вийшло 1954 року. Окрема тема галузі — зв’язок оптичних явищ із погодою; найближча суміжна дисципліна — актинометрія.

Запитання

Чому небо блакитне, а Сонце на заході червоне?

Молекули повітря розсіюють короткохвильове синє світло сильніше, ніж довгохвильове червоне. Тому вдень з усіх боків неба до ока доходить переважно синє світло. Коли Сонце низько, його промені долають товстий шар атмосфери, синя частина розсіюється по дорозі, і до спостерігача доходить переважно червоне світло.

Чому Місяць біля горизонту здається більшим?

Це ілюзія сприйняття, а не оптичне збільшення. Ще арабський учений Ібн аль-Хайсам в XI столітті доводив, що ми оцінюємо розмір предмета за його уявною відстанню: біля горизонту між нами й Місяцем багато проміжних об’єктів, він здається далеким, а отже — великим.

Чим атмосферна оптика відрізняється від метеорологічної оптики?

В англомовній літературі метеорологічною оптикою іноді називають лише ту частину атмосферної оптики, що вивчає явища, видимі неозброєним оком. Атмосферна оптика ширша й охоплює вимірювання з високою просторовою та часовою роздільністю. На практиці ці терміни часто вживають як синоніми.

Див. також

• Заломлення світла Причина — різна швидкість світла в різних середовищах; у вакуумі вона найбільша.
• Атмосферна електрика Навіть у ясну погоду біля поверхні Землі існує електричне поле напруженістю близько 100–130 В/м.
• Геліограф Найпоширеніший тип — геліограф Кемпбелла–Стокса: скляна куля-лінза й паперова стрічка з годинними поділками.
• Принцип Гюйгенса — Френеля Христіан Гюйгенс 1678 року запропонував будувати новий фронт хвилі як обвідну вторинних хвильок; «Трактат про світло» вийшов 1690 року.
• Розділ «Метеорологія» Погода, атмосферні явища, клімат і способи їх спостереження.

Джерела

1. Атмосферна оптика — Вікіпедія (українська)
2. Atmospheric optics — Wikipedia (англійська)

Статтю написано редакцією словника за наведеними джерелами; дати й факти звірено між ними. Якщо джерела розходяться, це сказано в тексті.