Мираж


«Наш караван как-то выбирался из Кара-Кумов со стороны Сарыкамышской низменности к Хивинскому оазису низовий Аму-Дарьи. Прошло уже четыре дня, как мы в последний раз запаслись водой и напоили верблюдов. Им тяжело идти, и они беспокойно и надоедливо орут. Лошади переведены на «сухой паек» — одно ведро воды в день — и понуро плетутся в хвосте каравана. Но вдруг люди сразу ускорили шаг. Впереди, совсем невдалеке, расстилалась широкая гладь реки. До воды оставалось метров 300—400; было видно, как переливается рябь, вода стояла прямо среди кустов тамариска. Очевидно, какой-то неожиданный разлив Аму-Дарьи. Вот повезло! — Но почему вода не приближается? Почему один из кустов как-то странно выплывает из воды и становится выше? А другой куст? Ведь он был среди воды, а теперь вода далеко от него? Так, значит, это не вода, а только мираж? И сразу еще ощутимей становятся жара и жажда...».

Так описывает мираж географ Б. А. Федорович в своей книге «Лик пустыни».

Мираж! С этим словом у нас связано представление о чем-то необычном и фантастическом. И действительно, это оптическое явление, самое несложное по своему объяснению из всех явлений атмосферной оптики, всегда привлекало к себе внимание путешественников и ученых. А сколько суеверных толкований вызывал мираж в древности, когда люди умели только видеть, но не объяснять причину поражавших их воображение явлений.

Миражи — эти призрачные воздушные отображения, манящие, обманывающие путешественников, — бывают самыми различными по четкости и правдивости. Вот как описывает мираж, виденный им в Египте, французский физик и математик Монж:

«Поверхность Нижнего Египта представляет собой почти совершенно горизонтальную равнину, которая, подобно поверхности моря, у края горизонта сливается с небом. Только местами это однообразие прерывается несколькими возвышенностями, естественными или искусственными, на которых, выше уровня Нила во время его разлива, расположены деревни. Вечером и утром вид равнины естественный, между вами и отдаленными деревнями вы видите лишь одну землю. Но после того как почва достаточно нагрета лучами солнца и до самого вечера, когда она начинает охлаждаться, равнина кажется залитой водою.

Деревни представляются в виде островов огромного озера, под ними видны их обратные изображения, точь-в-точь как если бы вокруг них действительно была вода. Однако, так как эти изображения видны издалека, деталей их разобрать нельзя. Края изображений тоже не очень резки. Такие изображения получаются в воде, слегка волнующейся. По мере приближения к деревне берег кажущегося озера удаляется. Рукав моря, который нас отделял от нее, суживается; наконец, он исчезает совершенно...

Таким образом, все способствует иллюзии, иногда являющейся жестокой, особенно в пустыне, потому что она представляет нам изображение воды в то время, когда вы испытываете сильнейшую жажду».

Такое явление называют нижним миражем, с ним можно столкнуться; во всех пустынях жаркого пояса земного шара.

Бывает, однако, и верхний мираж.

Если, например, плывущий корабль находится от нас очень далеко> и весь скрыт под морским горизонтом, то его верхнее изображение может неожиданно появиться над горизонтом — кажется, что корабль вдруг каким-то непонятным образом приблизился к нам.

Но иногда может появиться верхний мираж как второе изображение какого-либо предмета. Если такое изображение одно, то оно всегда обращено «вверх ногами». Но изображений может быть и два — одно обратное, другое прямое.

Это явление прекрасно наблюдалось в Гастингсе, английском городке, расположенном на побережье Ла-Манша. В этом месте пролива ближайшая точка французского берега находится от Гастингса на расстоянии 68 километров. Наблюдатель писал:

«26 июля (1797 года) около 5 часов пополудни... мне сказали, что берега Франции стали ясно различимы невооруженным глазом. Немедленно отправившись на берег, я был весьма удивлен, обнаружив, что даже без помощи телескопа я мог весьма ясно видеть скалы противоположного берега... они казались на расстоянии всего лишь немногих миль. Я продолжил свою прогулку по берегу... беседуя с моряками и рыбаками об этом предмете. Вначале они не верили в подлинность явления, но вскоре, когда скалы, казалось, поднялись еще более, они так глубоко убедились, что смогли указать и назвать мне различные места, которые они нередко посещали — «залив», «старую голову», «ветряную мельницу» и пр. около Булони, Сент-Валери и другие места на пикардийском берегу. В телескоп были ясно различимы французские рыбачьи лодки, различная окраска почвы на холмах и даже постройки... Я удостоверился из всех расспросов, которые я смог сделать, что столь замечательное зрелище атмосферной рефракции 1 никогда не было наблюдаемо и старейшими жителями Гастингса».

В трех отрывках, которые мы здесь привели, описаны замечательные явления преломления света в атмосфере.

Но отчего же они все-таки происходят и почему миражи нельзя видеть в одном и том же месте всегда?

Чтобы понять сложное, надо раньше понять простое. Посмотрим сначала, как происходит обычное преломление лучей в воздухе. Наша атмосфера всего плотнее у самой поверхности Земли, а дальше от земной поверхности она становится разреженнее и менее плотной. Правда, на большой высоте она холоднее, чем внизу, а мы знаем, что воздух, охлаждаясь, уплотняется; но, несмотря на это, давление вверх уменьшается столь быстро, что понижение температуры не может преодолеть его влияния, и плотность воздуха все-таки наверху меньше чем внизу.

Из физики мы знаем, что луч света, падая из воздуха, например, на поверхность воды, входит в воду, преломляясь и приближаясь к вертикали. Это значит, что луч, переходя в более плотную среду, приближается всегда к отвесной линии.

Представим себе атмосферу, состоящую из нескольких слоев воздуха, из которых нижние — более плотные, а верхние — более разреженные. Тогда луч света, идущий, например, от Солнца, проходя атмосферу сверху вниз, в каждом слое будет все больше приближаться к отвесной линии и, следовательно, искривится так, как нижний луч на рис. 6.

В атмосфере обычно это искривление также заметно. Вот почему все изображения предметов у горизонта кажутся слегка приподнятыми (мы наблюдаем, например, Солнце в направлении верхнего луча на рис. 6, в то время как оно находится несколько ниже. Благодаря этому мы видим немного далее за горизонт, чем это было бы без преломления света: Солнце освещает нас утром своими лучами уже тогда, когда оно фактически еще под горизонтом. Из-за преломления света, следовательно, день становится немного длиннее.

Одно красивое явление поясняет нам эти простые законы нормального преломления в атмосфере.

Как известно, и в воздухе и в воде фиолетовые лучи преломляются сильнее, чем зеленые, а зеленые сильнее, чем красные. Если мы наблюдаем Солнце у горизонта, то можем не говорить о фиолетовых и голубых лучах, которые почти целиком поглощаются в мутных нижних слоях атмосферы. Из-за преломления света пучок зеленых лучей Солнца искривлен больше, чем пучок красных, и виден нам несколько выше, чем последний. Когда Солнце заходит, то красные лучи исчезают чуть-чуть раньше, и в последний момент над горизонтом остается только зеленый край солнечного диска. Тогда вспыхнет на 1—2 секунды зеленый луч. Этому «загадочному» зеленому лучу Жюль Верн посвятил целый роман. Подробнее всех зеленый луч изучил советский астроном Г. А. Тихов, которому удалось наблюдать даже голубой луч: этот последний — одно из наиболее редких оптических явлений атмосферы.

Посмотрим, что такое «ненормальная рефракция». Вообразим, что мы находимся в пустыне, под горячими, почти отвесно падающими лучами Солнца, накаляющими сухую Землю. Господствует безветрие, и воздух у самой поверхности Земли сильно нагрет, гораздо сильнее, чем воздух на высоте, например, 1—2 метра. Следовательно, теперь у Земли находится воздух менее плотный, чем воздух на уровне наших глаз.

Пусть мы видим вдали какой-либо предмет, например дерево, по направлению А — нормальным образом (рис. 7). Однако могут быть лучи, идущие от дерева наклонно вниз и тем не менее тоже попадающие в наш глаз. Действительно, если нижний слой воздуха более нагретый и легкий и поэтому менее плотный, то луч, попадающий в него, искривляется так, как это нарисовано: направляясь вниз, он становится все более и более горизонтальным, а затем начинает снова искривляться вверх. Такое преломление света — ненормальное — даст изображение дерева, которое мы увидим внизу, ниже его нормального изображения в А. Если рассчитать пути лучей в атмосфере, то можно доказать, что это второе изображение расположится «вверх ногами» — так, как будто дерево отразилось в слое нагретого воздуха, как в воде. Это сходство ненормальной рефракции с отражением очень велико. Нагретый воздух немного колеблется, иногда возникают порывы слабого ветра, и второе изображение принимает такой вид, как будто дерево отражается в колеблющейся воде. Наблюдателю кажется, что перед ним расстилается большое озеро. Если он приближается к нему, то мираж исчезает. Мираж не только обманывает путников в пустыне, маня их несуществующей водой. Из-за него в пустыне иногда очень трудно видеть реальные предметы, различать окружающий пейзаж. Во время первой мировой войны одно из сражений между турками и англичанами в Месопотамии 11 апреля 1917 года было приостановлено из-за миража.

Но не надо ездить в жаркие страны, чтобы видеть настоящий нижний мираж. Осенью, особенно по утрам, его можно видеть над морем и над морскими заливами, когда море еще очень теплое и над ним находится тонкий слой теплого воздуха, подобно тому, как это наблюдается в пустыне. Такие миражи часто можно видеть на черноморском побережье Кавказа: далекие берега и мысы видны вместе с их обратным изображением под ними.

Еще в меньшем масштабе мираж наблюдается в виде «дорожного миража» даже в нашем умеренном климате. В теплый солнечный день «отражающий» слой нагретого воздуха может образоваться на гладкой поверхности асфальтированной дороги: нагнувшись пониже и посмотрев, по возможности, вдоль этого слоя, при некотором внимании можно увидеть, как в нем отражаются проходящие люди и автомобили.

Немного сложнее обстоит дело с верхним миражем — появлением второго изображения над самим предметом. Оно возникает тогда, когда в атмосфере на нижний холодный слой воздуха натекает слой более теплого. Это случается летом в Арктике, когда на море еще плавает лед и его поверхность очень холодна, а над морем дует теплый южный или юго-западный ветер с материка (рис. 8).

Пусть наблюдатель находится на корабле и рассматривает другой далекий корабль. В его глаз могут попасть и прямые лучи и лучи, прошедшие частично сквозь теплый слой по изогнутому пути. Дело будет обстоять так же, как и в предыдущем случае, с той лишь разницей, что теплый слой будет находиться над наблюдателем, а не у его ног. Наблюдатель на корабле как бы увидит отражение корабля в «зеркале» теплого слоя, отражение перевернутое, как и всякое зеркальное изображение. Но может быть еще третий вид лучей. Эти «третьи» лучи могут пройти весь теплый слой, нормальным образом преломиться в верхнем холодном воздухе и прийти к наблюдателю с еще большей высоты. Этот второй нормальный луч даст еще одно прямое, неперевернутое изображение корабля. Ниже мы дали изображение одного из полярных миражей. Не раз, однако, перевернутые изображения кораблей наблюдались на Черном море, когда сам корабль был за горизонтом. Такой мираж говорит нам о том, что в это время в атмосфере на некоторой высоте лежит слой теплого воздуха.

В первом приведенном нами описании верхнего миража сказано, что далекий берег Франции казался приподнятым и видимым с английского побережья на расстоянии около 70 километров, хотя обычно он скрыт далеко под горизонтом. Наблюдатель видел именно то прямое изображение, которое мы назвали «третьим».

Вода в Ла-Манше даже и летом остается прохладной, а день 26 июля 1797 года, как и два предыдущих, был исключительно жаркий, по приведенному описанию. Таким образом, этот мираж был аналогичен арктическому — теплый воздух находился над холодной водой.

Такой мираж можно воспроизвести и искусственно. Для этого надо взять прямоугольный стеклянный сосуд с водой, подобный аквариуму, и налить в него, крайне осторожно, через опущенную до дна стеклянную трубку, раствор сахара так, чтобы он весь разлился по дну сосуда. Рассматривая какой-либо предмет сквозь этот сосуд, можно наблюдать двух- и трехкратный мираж. Раствор сахара соответствует здесь слою холодного тяжелого воздуха, а вода — слою легкого.

Итак, мираж зависит от того, какова температура воздуха в самом нижнем его слое, в том слое, в котором находится наблюдатель и те предметы, которые он рассматривает. Мираж, следовательно, явление малого масштаба, в нем участвует очень тонкий слой атмосферы. Напрасно поэтому было бы искать в миражах каких-либо признаков больших изменений погоды, предсказывать по ним ненастье или улучшение погоды. Мираж говорит только о том, что есть, но не о том, что будет.