Погода интересует всех

Свет и тень

Приятная прохлада охватывает нас в Рюбеландских сталактитовых пещерах. Под монотонные звуки падения капель воды в расщелинах скал мы любуемся причудливыми формами сталагмитов. Луч прожектора освещает «купола», «органные трубы», «играющих карликов» и другие фантастические фигуры.

Последний зал пещеры руководитель экскурсии, к удовольствию посетителей, освещает сначала красным светом, потом зеленым и, наконец, сверкающим фиолетовым.

Но картина будет еще более красивой — сейчас руководитель покажет экскурсантам самое великолепное освещение. Он открывает выход из пещеры, и в нее врывается ослепительный поток дневного света.

Вполне естественно, что в старину людей охватывал ужас при виде необычных световых явлений на небе, казавшихся им предвестниками несчастий. История сохранила нам описание таких удивительных явлений, как «видение пророка Иезикиля» и редкостные «японские огни». Даже в наш атомный век некоторые атмосферные оптические явления приводят малокультурных людей в панический ужас. Вспомним, например, недавние выдумки о «летающих блюдцах». Но рассмотрим сначала обыкновенный дневной свет.

Мы воспринимаем лишь некоторую часть спектра лучистой энергии, поступающей на земную поверхность от Солнца. При прохождении через атмосферу солнечные лучи частично рассеиваются, а частично поглощаются молекулами атмосферных газов[27]. Интенсивность рассеяния зависит от плотности воздуха, от размеров рассеивающих газовых молекул и от длины волны рассеиваемого света. Чем выше мы поднимаемся над земной поверхностью, тем темнее будет становиться небо. Наконец оно сделается совершенно черным. Планеты, не имеющие атмосферы, либо освещены ярким светом, либо погружены в темноту. Лучшим примером планеты с такими условиями освещенности может служить Луна: там, куда приходят прямые лучи солнца, царит яркий день, а совсем рядом господствует кромешная тьма.

На земной поверхности яркость и окраска различных объектов при безоблачном небе зависят главным образом от высоты солнца над горизонтом. Еще до восхода солнца слои атмосферы освещаются его лучами. Молекулы атмосферных газов рассеивают эти лучи — возникает явление сумерек. Во время восхода и захода лучи солнца проходят в атмосфере очень длинный путь. При этом более коротковолновая часть солнечной радиации поглощается и рассеивается твердыми частицами, содержащимися в атмосфере; до земной поверхности доходит в основном лишь длинноволновая часть солнечного света, т. е. красные лучи. При значительной высоте солнца преобладает наиболее сильно рассеивающаяся коротковолновая радиация, а именно синие и голубые лучи. Это преобладание тем сильнее, чем меньше пылинок и молекул водяного пара содержится в воздухе.

Как уже говорилось, водяной пар, углекислый газ и озон, входящие в состав атмосферы, обладают способностью поглощать волны в отдельных участках спектра солнечной радиации. В инфракрасной области радиацию поглощает главным образом водяной пар, а в ультрафиолетовой — озон. Однако это поглощение не оказывает влияния на яркость и цвет неба, так как та и другая области спектра невидимы для человеческого глаза.

Небо часто бывает закрыто облаками, окраска которых тоже определяется отражением и поглощением света. Рассмотрим, например, грозовое облако, находящееся в 10 км от наблюдателя, стоящего спиной к солнцу. Громоздящиеся облачные горы очень красивы. Вершины их, образованные из ледяных кристаллов, отражают яркие солнечные лучи без особого поглощения и рассеивания. Этот ледяной облачный слой напоминает большой белый платок, растянутый на темном вечернем небе. Окраска более низких частей облаков меняется от белой через желтую до красной, так как более коротковолновая часть солнечного света поглощается и рассеивается сильнее. Нижняя поверхность облака кажется совершенно черной. Прямые солнечные лучи совсем ее не освещают, а рассеянной радиации недостаточно для освещения. Но совершенно иначе выглядит облако, если оно располагается между наблюдателем и солнцем. В этом случае солнечные лучи, приходящие к наблюдателю, должны сначала пройти сквозь всю толщу облака. В облаке они так сильно поглощаются, что на фоне яркого неба оно кажется почти черным.

Следовательно, не существует никакого специфического цвета облаков. Совершенно черное облако вовсе не обязательно дает дождь, а настоящее грозовое облако, находясь у горизонта, может иметь безобидный белый цвет. Цвет облака ни в коей мере не может быть признаком выпадения осадков и зависит главным образом от местоположения наблюдателя. Это свидетельствует о том, насколько ошибочны такие распространенные народные приметы погоды: «Белые облака землю не смачивают» или «Вечерняя заря — к хорошей погоде». Яркая вечерняя заря действительно может быть предвестником хорошей погоды, но только в том случае, когда она является результатом поглощения солнечных лучей примесями при устойчивом состоянии атмосферы. Облака циклона, движущегося с Атлантического океана, тоже могут дать в вечерние часы великолепную зарю. Однако уже через несколько часов из таких облаков начнут выпадать осадки. Специалист метеоролог хорошо различает оттенки зари. Обыватель же большей частью считает любую яркую зарю предвестником хорошей погоды.

Рассеяние и поглощение света в облаках порождают еще одно очень интересное явление — дифракцию солнечных лучей. Свет Солнца или Луны разлагается облачными каплями на отдельные лучи спектра, что порождает в облаках слоистых форм светлое кольцо, в центре которого находится Солнце или Луна. Это явление называется венцом. В средние века венец считали предвестником эпидемии чумы или других болезней. Само собой разумеется, что венец вокруг Солнца или Луны, представляющий собой оптическое явление, не может нести болезнетворных бацилл и микробов. Однако венцы часто возникают в облаках, наблюдающихся в воздушных массах субтропического происхождения, а эти массы всегда наиболее запылены, т. е. содержат наибольшее количество различных примесей, в том числе и вредных для здоровья человека. Вот почему, когда после длительных холодных периодов на смену арктическому воздуху приходит тропический, действительно увеличивается количество инфекционных заболеваний. Исследование атмосферных примесей, в том числе и вредных для человека, началось сравнительно недавно. Поэтому неудивительно, что в средние века, когда причины массовых инфекционных заболеваний еще не были известны, их пытались «объяснить» оптическими явлениями в атмосфере.

Брокенский призрак и условия его возникновения. Солнечные лучи проектируют тень наблюдателя на пелену тумана.

В давние времена люди считали, что на вершинах высоких гор устраивают свои дикие оргии ведьмы и злые духи. Многие уверяли, будто видели это собственными глазами. Но и в наши дни альпинисты нередко во время тумана видят в горах разные удивительные явления. Перед ними появляются расплывчатые очертания какого-то серо-черного существа раза в два выше человека. Оно непрерывно меняет форму и яркость, так что создается впечатление, будто оно то приближается к наблюдателю, то удаляется от него. Голова загадочного существа окружена ярким венцом (глорией), а это еще более усиливает сходство с призраком. Большую роль в возникновении такого оптического явления играют капли тумана. Именно поэтому оно возникает только в тумане и никогда не наблюдается при безоблачном небе. А так как на вершинах среднегерманских гор каждый год наблюдается до 200 дней с туманом, то описываемое явление здесь не редкость. Это явление чаще всего наблюдается на горе Брокен. Поэтому оно получило название «брокенский призрак».

Чтобы увидеть брокенский призрак, наблюдение необходимо вести с какой-либо возвышенности, например, с вершины горы, и обязательно во время тумана в долинах, освещенного солнечными лучами. Вершины гор при этом должны выступать из тумана подобно островам. Когда от колышащегося тумана отрываются отдельные полосы, переваливающие через вершины гор, солнечные лучи пронизывают их и отбрасывают изображение наблюдателя на туманную пелену. Наблюдатель оказывается как бы стоящим в луче проекционного фонаря и видит свою тень на пелене тумана, как на своеобразном экране. Но поскольку туман является не плоским, а объемным образованием, то и силуэт наблюдателя также получается очень рельефным и производит впечатление реального физического тела. Из-за неравномерной толщины туманной пелены тень наблюдателя становится то ярче, то темнее, чем и создается эффект приближения или удаления. Впечатление призрачности усиливается глорией, окружающей тень наблюдателя. Глория является результатом дифракции и разложения солнечного света на мельчайших каплях тумана. Не приходится удивляться тому, что такое необычное оптическое явление вызывало ужас у человека средневековья и он опешил спрятаться в помещении или в панике бежал с горы. Это кончалось иногда несчастным случаем, что, конечно, считалось местью призрака.

Если в наши дни мы встречаем незнакомое оптическое явление, то, как просвещенные люди, мы уже можем разобраться в том, какие физические условия явились причиной его возникновения.

В период средневековья люди в таких случаях задавали себе вопрос: «Кто же это был?» Вспомните, например, появление призрака убитого короля в шекспировском «Гамлете». Окутанный облаками, появлялся призрак на башне замка, в котором его убийца справлял свадьбу с его вдовой. Теперь мы можем объяснить его появление: это видение, вызванное дифракцией солнечных лучей на каплях тумана.

Наряду с дифракцией световых лучей большую роль в атмосфере играет и их преломление. Наиболее известным результатом этого процесса является радуга. Она возникает в тех случаях, когда солнечные лучи преломляются в каплях воды. Ширина радуги зависит от высоты солнца над горизонтом. При ее уменьшении радуга увеличивается.

В результате преломления света в ледяных кристаллах тонких перистых облаков возникает еще одно сравнительно малоизвестное оптическое явление, иногда охватывающее весь небосвод. При благоприятных условиях в ледяных облаках образуются большое и малое гало, горизонтальный и вертикальный круги, ложное солнце и другие оптические явления. Гало представляет собой светлый, преимущественно окрашенный круг вокруг Солнца или Луны с угловым радиусом 22 или 46°. Внешняя часть круга голубоватая, а внутренняя сторона окрашена в красноватый цвет. Поскольку гало появляется только в результате преломления света в кристаллах льда, можно с уверенностью сделать вывод о существовании в атмосфере ледяных облаков, хотя бы очень тонких. Яркость гало не всегда больше яркости всего остального небосвода. Поэтому многие гало мы не замечаем. Но внимательный наблюдатель, пользующийся к тому же еще и защитными очками, поглощающими до 50 % падающего на них света, может видеть очень красивые цветные гало. Отдельные части гало наблюдаются при переменной погоде почти через каждые 1–2 дня.

В годы позднего средневековья уже все без исключения необычные явления на небосводе стали считать предвестниками бедствий и даже смерти. Особенно это относится к кометам и метеорам. Конечно, возникновение таких явлений не было связано с распространением эпидемий. Однако страх, охватывающий темные народные массы, сам, возможно, оказывался причиной гибели многих людей. По словам Шекспира, страх перед небесными явлениями среди господствующих классов был сильнее, чем среди угнетенного народа, так как кометы и метеоры якобы «предвещали» гибель именно господствующим классам. Вспомните, как в драме «Юлий Цезарь» Кальпурния говорит Цезарю: «Умирают князья, а не нищие!»

Полярные сияния в средние века тоже считались предвестниками несчастья. В движениях и пляске ярких лучей полярного сияния люди видели небесное войско, вооруженное копьями и готовившееся к войне против людей Земли. Тот же, кто не верил в «небесное знамение», рисковал оказаться в числе еретиков и подвергнуться преследованиям церкви.

В этой же связи следует сказать еще несколько слов о «летающих блюдцах». Многочисленные «свидетели» якобы собственными глазами наблюдали на небосводе белые тела, имевшие форму тарелок. Народная молва назвала их «летающими блюдцами». Было сделано много попыток как-либо объяснить это загадочное явление. Однако следует заметить, что суеверный страх перед явлениями, якобы сулящими несчастье, как видно, очень распространен еще и в нашем двадцатом веке. Примечательно, что число случаев, когда якобы наблюдались эти мифические небесные явления, заметно увеличилось как раз после тех фантастических объяснений, которые давались в радиопередачах некоторых стран. Особенно поразительный случай, подтверждающий возможность массового психоза людей, имел место в 1938 г., когда одна из американских радиостанций передавала инсценировку фантастического романа Герберта Уэлса «Борьба миров». Обычная радиопередача была внезапно прервана, и населению объявили о предстоящем нападении марсиан на Землю. Передавались интервью, взятые у астрономов. Генеральный штаб информировал радиослушателей о принимаемых мерах обороны и т. д.

По сообщениям прессы, 6 000 000 человек слушали эту «занимательную» радиопередачу. Из них около миллиона не читали предварительного сообщения о ней, опубликованного в радиогазете, и были глубоко убеждены в правдоподобности сообщений. Охваченные паникой, люди начали готовиться к спешной эвакуации. Прошло несколько часов, прежде чем удалось успокоить население,

Перед метеорологией стоит нелегкая задача: разумно объяснить происхождение этих пресловутых «летающих блюдец». Их появление может быть связано с различными причинами. Так, например, в дневное время это могли быть облака, возникающие при встрече воздушного потока с препятствиями. Такие облака часто действительно имеют чечевицеобразную форму. Хотя воздушный поток, в котором они образуются, движется, но сами облака неподвижно стоят у препятствия, возле которого они возникли. На обращенной к ветру стороне препятствия они непрерывно растут, а на противоположной стороне рассеиваются. Процесс рассеивания таких облаков часто развивается сразу повсюду. Форма облака еще некоторое время сохраняется, но его размеры становятся все меньше, создается впечатление, будто это яркое облачко быстро удаляется от нас. Этими процессами и можно объяснить появление «летающих блюдец», наблюдавшихся в дневное время. В ночные же часы это, вероятно, было связано с процессами отражения и преломления света на границах так называемых задерживающих слоев в атмосфере. Световые лучи, проходящие через такую границу, отклоняются от первоначального направления совершенно так же, как при переходе лучей из воздуха в воду. Если задерживающий слой в атмосфере не плоский, а выпуклый, то он может действовать на световые лучи как линза. Вследствие этого даже Луна может казаться плоской и напоминать тарелку. В результате изменения положения или наклона задерживающего слоя будет казаться, что источник света перемещается. Если наблюдать за этим источником из автомашины или с самолета, то он тоже может показаться движущимся с той скоростью, с какой перемещается сам наблюдатель. Тонкий слой поземного тумана тоже может отражать свет Луны и вследствие дифракции во много раз увеличивать ее размеры.

Облака препятствий, имеющие форму тарелок и поэтому часто ошибочно принимаемые за «летающие блюдца».

Вблизи земной поверхности при возникновении резких контрастов температуры воздушные линзы могут собирать световые лучи в пучки или, наоборот, разбрасывать их. Вследствие этого при некоторых типах погоды обычный вид солнца или луны может оказаться искаженным до неузнаваемости. Легко представить себе, как солнце вечером внезапно выглянет из облака, покажется неподвижной линзой, а затем так же внезапно исчезнет. Наблюдатель, наделенный достаточной фантазией, может принять это явление за приземление «летающего блюдца».

Отражение лунного света на кристаллах льда, оседающих на фюзеляже и плоскостях самолета, тоже может произвести впечатление «летающего блюдца». Поскольку в воздухе отсутствует средний и задний план, отражение света от плоскости летящего самолета может быть вследствие обмана зрения спроектировано в пространство. Тогда световые лучи, отраженные от самолета, могут показаться идущими от какого-то самостоятельного источника, расположенного на расстоянии нескольких километров от самолета.

Однако почему же тогда радиолокаторы засекали появление в воздухе каких-то объектов, хотя никаких самолетов в данном направлении не было видно? Это объясняется тем, что дециметровые волны радиолокаторов ведут себя совершенно так же, как и световые волны. Они тоже могут отклоняться от первоначального пути и указывать на мнимое наличие в том или ином направлении какого-либо объекта, который в действительности находится в совершенно другом месте. Во время второй мировой войны английские военные корабли не раз открывали огонь в ту сторону, откуда приходило радиоэхо, хотя противника в этом направлении не было видно. Предполагалось, что он искусно маскируется. В действительности же радиолокаторы давали ошибочные показания и вызывали ложную тревогу. Радиоволны дециметрового диапазона отражались не от вражеских кораблей, а от подразделений своего собственного флота, находившихся в это время совсем в другом направлении. Поэтому мы вполне можем предположить, что и радиоэхо от «летающих блюдец» было всего-навсего результатом отражения радио-локационных сигналов от самолетов, летевших в совершенно другом направлении.

Было бы желательно, чтобы люди привыкли считать оптические явления в атмосфере только результатом вполне определенных физических процессов, а не проявлением «потусторонних сил». Тогда суеверный страх перед разными небесными огнями и «летающими блюдцами» был бы преодолен, а очевидцы могли бы радоваться тому, что им довелось увидеть редкие явления природы.