Зелений промінь
Доктор фізико-математичних наук В. ТИМОШЕНКО.
Промінь, подібний до смарагду, Золотого щастя ключ - Я його ще добуду, Мій зелений слабкий промінь...Н. Заболоцький
Кожен із нас неодноразово бачив, як на червоному заході сонця небо ховається за горизонтом сонячний диск. Характерний колір заходу обумовлений заломленням та розсіюванням сонячного світла в атмосфері Землі (див. "Наука і життя" № 9, 1993). Однак мало хто знає про інше оптичне явище, що також виникає при заході сонця і пов'язане з поширенням світла в земній атмосфері, - поява зеленого променя. Цю унікальну природну подію можна спостерігати, коли лінія горизонту розташована далеко, а повітря кришталево чисте. У більшості випадків зелений промінь вдається побачити лише на мить над водяною гладдю моря або океану і лише іноді - в горах. Поява його в середній смузі Укаїни - виключно рідкісна подія і можлива лише за вдалого поєднання великої кількості сприятливих факторів. Автору цієї статті вдалося спостерігати та сфотографувати зелений промінь на Волзі, в районі Нижнього Новгорода.
Скептики вважають зелений промінь вигадкою чи оптичним обманом. Дехто вважає, що це реакція людського ока, стомленого спогляданням сонця. Саме останнім знаменитий популяризатор науки Я. І. Перельман у своїй книзі " Цікава фізика " як докладно пояснює причину природного явища " зелений промінь " , а й наводить факти, які спростовують різні помилки з цього приводу. Але тільки в наш час, коли фотографічна техніка дає змогу сфотографувати численні випадки появи зеленого променя, сумніви, схоже, мають залишити скептиків.
Причини виникнення цього незвичайного видовищаможна легко зрозуміти, спираючись на знання, здобуті в середній школі. Відомо, що сонячне світло складається з набору електромагнітних хвиль, кожна з яких має свою частоту і довжину. Хвиля певної частоти сприймається людським оком як колір: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій та фіолетовий (кожен мисливець хоче знати, де сидить фазан). Червоний колір має найбільшу в даному спектрі довжину хвилі, що становить близько 0,7-0,6 мікрометра. Для зеленого та фіолетового кольорів довжина хвилі дорівнює приблизно 0,5 та 0,4 мікрометра відповідно. Незважаючи на такі, здавалося б, невеликі відмінності у довжині хвилі, промені різного кольору по-різному поширюються у речовині, зокрема, мають різні швидкості. Залежність швидкості світлових хвиль у речовині від своїх довжини чи частоти є прояв більш загальної залежності швидкості відгуку речовини на частоту коливань електричного поля світлової хвилі. У фізиці таке явище називається дисперсією. У більшості речовин і середовищ, у тому числі й у земній атмосфері, червоне світло поширюється з більшою швидкістю, ніж синьо-зелене. Така залежність, яка називається нормальною дисперсією, відповідає меншим показникам заломлення для червоного світла, ніж для синьо-зеленого. Нагадаємо, що показник заломлення - це величина, що показує, на скільки швидкість світла в речовині v менша, ніж у вакуумі: n = c/v, де з ≈ 3•10 8 м/c - швидкість світла у вакуумі.
Друге, що необхідне розуміння явища, це знання закону заломлення світла. Згідно з цим законом, при похилому падінні світла на кордон середовищ з різними показниками заломлення світловий промінь відхиляється від початкового напряму поширення, тобто заломлюється. У разі потрапляння світлового променя з області з меншим значенням n,наприклад, з вакууму, де n = 1, у середу з великим значенням n кут заломлення завжди менше кута падіння. Нагадаємо, що обидва кути відраховуються від нормалі (перпендикуляра) до межі розділу областей. Так як показники заломлення для хвиль різної довжини розрізняються, то й кути заломлення будуть різними, а саме: червоне світло заломлюватиметься менше, ніж зелене. Це, зокрема, спричиняє розкладання білого світла в спектр при його пропусканні через скляну призму. Подібне розкладання сонячного світла у спектр має місце й у атмосфері Землі. Однак спостерігається воно лише в окремих випадках та в особливих місцях. Так, при заході чи сході сонця його промені, видимі спостерігачем Землі, похило падають із космічного простору (вакууму). Оскільки щільність атмосфери наростає при наближенні до Землі, і показник заломлення світла збільшується. Світло, поширюючись з космосу до земної поверхні, постійно заломлюється, а отже, і розкладається в спектр, причому, як і в скляній призмі, найменше заломлюються промені червоного світла. Хоча відмінність показників заломлення для червоного та синьо-зеленого світлових променів в атмосфері вкрай мало, але на великих відстанях (сотні кілометрів) ефект їхнього поділу цілком спостерігаємо. Саме в цьому і є причина появи зеленого променя. Дійсно, в той час як сонце вже реально знаходиться за лінією горизонту і його червоні промені проходять вище спостерігача, більш короткохвильові зелені промені, відхилені сильніше, можна побачити. Звичайно, блакитні, сині та фіолетові промені, що володіють ще меншою довжиною хвилі, переломлюються набагато сильніше, але побачити їх практично неможливо: вони дуже розсіюються і поглинаються в земній атмосфері.
Основна перешкода для спостереження зеленого променя -розсіювання на завислих частинках туману, пилу, диму та інших земних забруднень повітря, а також на неоднорідностях атмосфери. Крім того, як уже згадувалося, довжина шляху сонячного світла від точки входу в атмосферу Землі до точки спостереження має бути досить великою. Всі ці умови найлегше виконуються при спостереженні заходу сонця або сходу сонця на великих водних просторах. Побачити зелений промінь у степу чи лісистій місцевості практично неможливо. Те, що це явище можна було спостерігати на Волзі, в середній смузі України, швидше за все, пов'язане з виключно сприятливими погодними умовами, а також з вдалим вибором часу та місця спостереження. Справа відбувалася на самому початку травня, коли через весну, що запізнилася, ще не почалося масове цвітіння рослин. Стояла ясна прохолодна погода, повітря було чисте і прозоре. Я знаходився на набережній Волги, відразу за місцем, де в неї впадає Ока, за так званою стрілкою. З цієї точки Волга проглядається на великій протязі вгору за течією.
Навіть розуміючи всі фізичні причини і природне походження зеленого променя, важко позбутися сильного емоційного впливу. Тому, подібно до моряків і поетів, хочеться вірити, що поява цього чуда природи над Волгою, в самому серці Укаїни, послужить гарною ознакою для країни і людей, які в ній живуть.