Загадка явища зеленого променя
Ласкаво просимо У СВІТ ЗАГАДОК, ОПТИЧНИХ ІЛЮЗІЙ ТА ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ РОЗВАГ Чи варто довіряти всьому, що ви бачите? Чи можна побачити, що ніхто не бачив? Чи правда, що нерухомі предмети можуть рухатися? Чому дорослі та діти бачать один і той самий предмет по-різному? На цьому сайті ви знайдете відповіді на ці та багато інших питань.
Вітання! Хочеш стати одним із нас? Визначся Якщо ти вже один із нас, то вхід тут.
«Венесуела» іспанською означає «маленька Венеція».
Загадка явища зеленого променя
Багато хто чув про існування або самі спостерігали явище зеленого променя, що виникає при заході Сонця: після того, як під горизонт опускається основна частина його диска, колір краю, що зникає, послідовно змінюється від оранжево-жовтого до зеленого (а іноді і блакитного). Процес триває менше секунди (0,3-0,5 с). Явище пояснюється тим, що внаслідок рефракції останніми видимими сонячними променями в атмосфері Землі виявляються зелені та блакитні ділянки спектра, для яких ефект рефракції сильніший.
Нижче йтиметься про інше явище, що має близьку назву, - спалах зеленого променя. Спалах зеленого променя у вигляді горизонтально витягнутої області світіння відбувається відразу після заходу Сонця, відрізняється високою яскравістю та характерним смарагдово-зеленим кольором. Область світіння відірвана від краю диска Сонця і має більшу протяжність, ніж видима перед тим остання окраєць Сонця.
Явище має тривалість більше 2-3 секунд, доходячи до 10 секунд. Зазвичай воно спостерігається з палуби корабля над морським горизонтом, але спостерігають і з суші, навіть у горах. Знаючи заздалегідь момент і азимут сходу Сонця,дивовижний спалах смарагдового кольору вдається побачити не тільки після заходу, а й перед сходом Сонця. Тривалість спалаху настільки велика, що навіть вистачає часу, щоб її сфотографувати. B Sky and Telescope, (Feb. 1992, p. 200) Б.Е.Шефер повідомляє, що з вершини гори Сьєрро Тололо в Чилі він спостерігав чудовий спалах зеленого променя протягом 14 секунд. На Гаваях подружжя А. і М. Мейнелов спостерігала спалах зеленого променя, незважаючи на сильне почервоніння Сонця, що заходить. Такі особливі випадки, на думку Б.Е.Шефера, неможливо пояснити у межах уявлень про ефект традиційного зеленого променя. З іншого боку, загадкове явище спалаху зеленого променя поки що не отримало жодного пояснення.
Основні особливості явища
Перш ніж починати говорити про конкретну оптичну схему, підсумуємо основні особливості явища, що спостерігається.
1) Ефект спостерігається у тропіках. [Прим. Хоча фото вгорі явно не на користь цього твердження.]
2) Лінія спостереження проходить поблизу напряму на обрій там, де Сонце зникло під час заходу чи має зійти при сході. Тому область свічення спалаху по вертикалі відстоїть трохи від краю сонячного диска. Враховуючи, що тривалість спалаху зеленого променя перевищує 2-3 с, можна оцінити, що область світіння простягається більш ніж на 1-1,5 кутових хвилин над краєм диска Сонця.
3) Зображення нерізке, ніби розфокусоване, і до того ж витягнуте по горизонталі. Горизонтальна протяжність області світіння значно перевищує вертикальний розмір.
4) Тривалість світіння спалаху збільшується зі збільшенням висоти спостереження.
5) Колір світіння - смарагдово-зелений.
Зазвичай під час пошуку механізму утворення явища спалаху зеленого променя не розглядають всюсукупність цих фактів, та й багато хто з них стали відомі лише недавно.
Мал. 1Проходження променя світла від Сонця через атмосферу до спостерігача А. В області 1 пунктиром показано хмара частинок, розташоване в шарі на певній висоті. В області 2 промінь світла відчуває повне внутрішнє віддзеркалення.
Шляхи пояснення явища спалаху зеленого променя
У природі відоме явище, яке чимось нагадує розглянуте. За наявності паморозі, зваженої в атмосфері, часто спостерігається утворення кольорових кілець або вінців навколо Сонця або Місяця. Інтенсивність свічення велика, тому що сонячні вінці спостерігаються на фоні денного неба. На відміну від гало, яке спостерігається частіше, але не має виду окремих райдужних кілець, а являє собою протяжну область білястого світіння (т. до. це розмита сукупність вінців різного розміру), чисті вінці утворені дифракцією світла на частках, що мають приблизно однакові розміри . Оскільки кут диффракції, що спостерігається, становить 0,5-5°, то можна оцінити, що розмір цих частинок лежить в інтервалі 10-100 мікрон. Якщо за наявності вінця відбудеться, наприклад, захід Сонця за обрій, то за певних умов деякий час може бути видно частину вінця над горизонтом. Ситуація подібна до тієї, коли буває видно частина веселки, хоча Сонце у своїй може бути спостерігача закрито хмарою.
У природі відоме явище, яке чимось нагадує розглянуте. За наявності паморозі, зваженої в атмосфері, часто спостерігається утворення кольорових кілець або вінців навколо Сонця або Місяця. Інтенсивність свічення велика, тому що сонячні вінці спостерігаються на фоні денного неба. На відміну від гало, яке спостерігається частіше, але не має виду окремих райдужних кілець, а єпротяжну область білуватого світіння (т. до. це розмита сукупність вінців різного розміру), чисті вінці утворені дифракцією світла на частках, що мають приблизно однакові розміри. Оскільки кут диффракції, що спостерігається, становить 0,5-5°, то можна оцінити, що розмір цих частинок лежить в інтервалі 10-100 мікрон. Якщо за наявності вінця відбудеться, наприклад, захід Сонця за обрій, то за певних умов деякий час може бути видно частину вінця над горизонтом. Ситуація подібна до тієї, коли буває видно частина веселки, хоча Сонце у своїй може бути спостерігача закрито хмарою.
За аналогією з цим можна собі уявити геометричну схему утворення явища дифракції сонячного світла на розташованій над поверхнею Землі хмарі частинок однакового розміру (область 1 на рис. 1). Світло спостерігатиметься після того, як Сонце зайде за обрій. При підходящому доборі розмірів часток можна задовольнити ряду характеристик явища спалаху зеленого променя, перерахованих вище. Найбільшу складність тут становить пояснення тривалості спалаху та її смарагдово-зеленого кольору.
Однак крім розгляду ефектів взаємодії променів сонячного світла з атмосферою на великих висотах (область 1 на рис. 1) може бути альтернативний підхід, коли розглядаються ефекти, навпаки, у нижній точці траєкторії променів (область 2 на рис. 1).
Спостереження спалахів зеленого променя справляють незабутнє враження, і багато астрономів і фізиків намагалися дати пояснення цьому явищу. Наскільки серйозно цією проблемою займався знаменитий експериментатор Роберт Вуд, можна прочитати в його фізичній оптиці, в якій описано спеціальний лабораторний досвід. При шаруватій суміші з трьох відповідних рідин у кюветі через рефракціюспостерігалося відхилення променя світла від горизонталі, при цьому під час променя відбувалося відхилення і вгору, і вниз протягом усього одного метра. Саме цей ефект своєрідного міражу частини Сонця, що заходить за горизонт, може бути покладено в основу пояснення спалаху зеленого променя.
В атмосфері Землі часто складаються умови, що викликають сильну рефракцію променів світла і навіть їхнє повне внутрішнє відображення від градієнів, або стратифікованих шарів щільності і температури, в атмосфері. Найбільш відомі серед них ефекти відблисків над гарячим шосе, а також явище міражу.
У нижній частині траєкторії променів (область 2 на рис. 1) можуть відбуватися інші явища. Наприклад, в ІЗМІРАНІ д.ф.-м.н. А.В.Попов запропонував розглянути таку схему. При проходженні сонячного променя поблизу морської поверхні рефракція світла може відбуватися на вершинах найбільш високих хвиль, що працюють як оптичні призми. Ця гіпотеза могла б пояснити зелене забарвлення променя як результат його проходження через значну товщу морської води, що має, як відомо, мінімум поглинання в зеленій ділянці спектру. Конкретний розрахунок шляху променів за цією схемою поки що не проводився.
1) Поділ моментів спостереження самого Сонця та променів,випробували повне внутрішнє відбиток, у разі очевидно. Оцінимо кількісно тимчасове зрушення між ними, а також залежність тривалості явища від висоти спостереження h. Відомо, що вище точка спостереження над рівнем моря, тим далі від неї розташовується область горизонту. При цьому область горизонту досить протяжна, хоча для спостерігача горизонт і виглядає як край деякого екрану. Відстань до неї, як відомо, з гарним наближенням зростає пропорційно, і чим вона далі, тим, природно, більший її розмір за інших рівних умов і тим довше для спостерігача вона висвітлюється променями Сонця. Висота верхньої палуби великого корабля в 2-3 рази більша, ніж нижньої, тому слід очікувати, що у цих двох випадках тривалість спостереження явища відрізняється у 1,4-1,7 раза. При спостереженні з гір заввишки 3-4 тис. метрів оцінка тривалості спалаху збільшується у 10-20 разів (що й спостерігав Б.Е.Шефер).
2) Просторовий поділ Сонця та області світіння. Зі збільшенням висоти точки спостереження зростає не лише тривалість спалаху зеленого променя, а й кутова відстань області свічення від краю сонячного диска, яка також є пропорційною .
3) Ефект сферичного дзеркала. Точки свічення розглянутого відблиску від неоднорідно стратифікованої атмосфери розташовані на поверхні сфери - коаксіальної поверхні океану. Висвітлює її майже паралельний пучок променів, що йде від невеликої частини сонячного диска, до моменту повного заходу може висвітлювати область відблиску. Відбиваючись від цього сферичного дзеркала, він утворює уявне зображення краю Сонця, тобто міраж. Тому воно нам здається розмитим. Через косе падіння променів виникає ефект астигматизму, який призводить до розфокусування та витягування.зображення по горизонталі. Це відповідає фактам, зазначеним вище.
4) Залежність від довжини хвилі. Зрозуміло, що розглянуте вище сферичне дзеркало є відомою ідеалізацією. Через флуктуації неоднорідності атмосфери, впливу ефектів вітру, плямистої структури температури океану і т. п. дзеркало не є суцільною поверхнею, а його елементи розташовуються в певній області висот. Точка спостереження знаходиться на відстані, яка набагато більша за розміри неоднорідностей. У умовах слід врахувати ефект розсіяння світла на неоднорідностях. Відомо, що якісно, як при косому відображенні променів світла від матової поверхні, за цих умов інтенсивність розсіяного світла пропорційна. Що стосується молекулярного розсіяного сонячного світла на неоднорідностях атмосфери встановлено, що a=4, у результаті колір піднебіння виходить блакитним. При меншому значенні колір розсіяного сонячного світла відповідає меншому зсуву в короткохвильову частину спектра і може стати зеленим (навіть смарагдово-зеленим). Цей висновок потребує експериментальної перевірки.
Таким чином, прийнявши схему повного відображення сонячного світла на негативному градієнті коефіцієнта заломлення атмосфери в точці видимого горизонту, можна спробувати пояснити всю сукупність фактів спалаху зеленого променя, що спостерігаються, як ефект своєрідного міражу західної частини диска Сонця. Уявлення про спалах зеленого променя, що розвивається, і його механізм знаходиться поза традиційними підходами. Передбачуване пояснення всієї сукупності ефектів, що спостерігаються, дозволяє вести організацію і планування дослідження явища в якісно новому напрямку, проводити різні експерименти та спостереження щодо уточнення та перевірки ефектів. Переконливі аргументи могли бдати спектральні спостереження зеленого спалаху.