Световые явления в атмосфере

Световые явления  в атмосфере — находятся в  тесной связи с состоянием этой последней. Метеорологическая оптика изучает  по преимуществу те из них, которые  наиболее тесно связаны с погодой, предоставляя остальные тем отраслям науки, для которых они имеют  большую важность. Так явления  рефракции (преломления света в  атмосфере) изучаются подробно астрономией; явления электрического происхождения  — молния, огни св. Эльма — относятся к области атмосферного электричества; полярными сияниями, ввиду их связи с земным магнетизмом, занимается этот последний. На долю метеорологической оптики остаются явления цвета неба и его окраски, особенно при утренней и вечерней зорях, поляризация небесного свода, явления миража и неправильного преломления и отражения света в атмосфере, мерцание звезд, радуга, круги и венцы около светил и аналогичные этим последним венцы около земных предметов. В статье о венцах около светил (см.) было указано, насколько это явление связано с размерами водяных частиц, которым оно обязано своим происхождением; наблюденные размеры явления дают прямо возможность определить численно величину производящих его частиц. В статье о погоде (см.) упомянуто также, что появление кругов около светил есть надежнейший и характернейший признак приближения минимума. Явления радуги (см.), миража (см.), мерцания звезд (см.) прямо обязаны своим происхождением известному состоянию атмосферы. Отсюда понятно, какую важную роль играют С. явления в метеорологии. Большая часть С. явлений в атмосфере уже описана в соответствующих статьях; поэтому, здесь будут рассмотрены только явления цвета неба и его окрашивания при вечерней и утренней заре и круги около светил. 

Цвет неба и его  окраска при утренней и вечерней заре. Явление голубой окраски  неба в течение дня, как упомянуто  в статье о небесном своде (см.), зависит исключительно от рассеяния света теми мелкими частицами, которые постоянно находятся в более чем достаточном количестве во взвешенном состоянии не только в нижних, но и в сравнительно даже высоких слоях атмосферы. Лордом Рэйлеем (Rayleigh) теоретически было доказано, что при достаточно малых размерах такие частицы обладают свойством отражать исключительно только лучи короткой длины волны, т. е. лучи голубые, синие, фиолетовые. Непосредственные наблюдения это вполне подтверждают. Чем больше таких частиц в воздухе, тем ярче кажется нам его голубая окраска; чем дальше удаляемся мы по небесному своду от светила, служащего источником света, тем больше, следовательно, отражений от частиц претерпит дошедший до нас луч и тем синее покажется нам небесный свод. Наоборот, чем дальше удаляемся мы от земной поверхности, тем меньше взвешенных частиц встречают в атмосфере доходящие до нас лучи и тем темнее кажется нам небо; при подъемах на очень высокие горы, при высоких полетах на воздушных шарах наблюдатели видят почти совершенно черное иебо. Иной представляется наблюдателю окраска небесного свода вблизи светила, равно как и окраска последнего. Отражая лучи короткой длины волны, частицы, взвешенные в воздухе, становясь на пути С. лучей, пропустят остальные цвета спектра, а потому покажутся нам окрашенными в цвета, дополнительные к отраженным, т. е. в оранжево-красный цвет. К этому отчасти прибавится еще прямое поглощение света — именно лучей волн короткой длины — водяными частицами, плавающими в атмосфере, а также явления дифракции света вблизи самого его источника. Поэтому как само светило, испускающее дошедшие до нас С. лучи, так и небесный свод вблизи него всегда кажутся нам желтовато-оранжевыми. Если вообще мы не видим резко этой окраски неба вблизи светила, то только потому, что яркость светила, ослепляя нас, мешает нам видеть слабые лучи, исходящие в его соседстве от небесного свода. Когда же светило в часы восхода или заката посылает нам, находясь вблизи горизонта, свои лучи через огромную толщу атмосферы, окраска и самого светила, и небосклона вблизи него ясно делается желтой, оранжево-красной, даже и багрово-красной: нижние слои атмосферы, через которые должны пройти при этом лучи, содержат тем больше взвешенных частиц, чем ближе к поверхности земли ствелется световой луч. Поэтому же при морозах, когда воздух переполнен плавающими в нем капельками тумана, окраска светила и небосклона вокруг него является очень яркой, — особенно, если условия, напр. в больших городах, где воздух содержит массу пыли и копоти, благоприятствуют появлению тумана. Явления окраски неба в голубой цвет наблюдаются только при достаточно малых размерах отражающих лучи частиц; как только размеры этих последних перейдут некоторый предел, отражаемые ими лучи будут содержать и лучи других длин волн; — голубая окраска неба в этих случаях начинает переходить в белесоватую; а при достаточном количестве сравнительно крупных частиц небо может принять совершенно белый цвет, как это наблюдается, напр., при образовании обширных скоплений мелких ледяных кристалликов и иголочек, наблюдаемых нами в виде растянутых покровов перисто-слоистых облаков. 

Явление окраски  неба в красный или оранжево-красный  цвет при близости светила к горизонту  осложняется, как уже упомянуто, явлениями дифракции света в  водяных капельках, плавающих в  атмосфере. Благодаря этому последнему обстоятельству, при восходе и  закате Солнца, когда лучи светила  ослаблены прохождением через длинный  слой атмосферы или выходят из-под  горизонта, а количество водяных  капелек и мелких частиц пыли в  атмосфере обыкновенно весьма велико, наблюдается целый ряд особых явлений, известных под именем утренней или вечерней зари. По Бецольду — вполне правильно развитое, нормальное течение вечерней [Сказанное относительно вечерней зари повторяется вполне, конечно, в обратном порядке, и при восходе Солнца.] зари распадается на следующие фазы. Незадолго до заката Солнца можно уже наблюдать, что светило составляет центр светлого ореола, его окружающего; при высоте Солнца 2° — 3° над горизонтом ореол этот уже вполне виден. Над диском исчезающего светила он кажется тогда светлым, красновато-желтым круглым пятном, причем ясно обнаруживается, что заходящее светило не находится в центре этого ореола, а несколько ниже него. По мере приближения светила к горизонту, все дальше и дальше отступает от него центр блестящего ореола, а яркость его возрастает. В тот момент, когда Солнце в виде темно-оранжевого, светлого, но не яркого диска опускается в полосу тумана, всегда окутывающего горизонт, центр ореола находится над ним на высоте 15° — 20°. Вслед за тем начинается второй акт сумерек — появление параллельных горизонту, окрашенных полос, наблюдаемых прежде всего на противоположной закату, восточной стороне горизонта, где небосклон принимает постепенно на значительном протяжении синевато-фиолетовую, постепенно переходящую сверху в красноватую окраску; наступает явление собственно зари; высота и яркость его обуславливается присутствием или отсутствием тумана или облаков, отражающих свет. С закатом Солнца на востоке появляется более или менее ясно видная узкая темная синевато-серая полоса так называемой земной тени. Чем ниже скрывается Солнце под горизонт, тем ярче становится по окраске и тем шире по охваченному им пространству явление; в то же время поднимается постепенно над горизонтом и верхний край земной тени. Только минут 20—25 спустя после заката явление начинает быстро терять свою яркость, а граница земной тени становится незаметной. Параллельно с этими явлениями на западе, где светлый ореол над заходящим светилом не меняет ни своего положения, ни своей окраски, образуются яркие горизонтальные цветные полосы, постепенно расширяющиеся и в боковые стороны, и в высоту. Минут 20—25 после заката, когда явление зари достигает своей наибольшей яркости и наибольшего распространения, наступает третий акт сумерек — появление пурпурной окраски неба. На некоторой высоте над горизонтальными цветными полосами на значительном протяжении появляется на синеве неба пурпурный тон, сначала очень слабый, едва приметный даже для опытного глаза, но затем быстро усиливающийся. Это яркое пурпурное окрашивание достигает наибольшего блеска на высоте 25° и образует почти полукруглое пятно с незаметно переходящими в синеву неба краями вверху и с боков. Быстро спускаясь к горизонту, оно разливается в ширину и, смешиваясь с лежащими над горизонтом цветными полосами, дает необыкновенно красивые переходы цветов. Когда Солнце опустится на 5—6° под горизонт, пурпурное пятно исчезает, сливаясь со светлым ореолом на западной стороне неба; этот последний быстро слабеет и понижается, и явление вечерней зари оканчивается. Иногда, хотя сравнительно редко, удается наблюдать, вслед за окончанием третьего, последнего акта вечерней зари, новое появление пурпурного цвета и зарю на восточной стороне неба; но это вторичное явление уже чрезвычайно слабо. Явления утренней и вечерней зари сделались предметом особо тщательного изучения после появления в 1883 г. необыкновенно ярких зорь, привлекших всеобщее внимание и наблюдавшихся после извержения вулкана Кракатоа в августе 1883 г. Масса необыкновенно измельченной пыли, выброшенная вулканом на огромные высоты, распространившись по всей атмосфере, придала явлениям утренней и вечерней зари исключительную красоту и яркость. 

Круги около Солнца и Луны. Под названием кругов около  светил или гало (halos) известен класс оптических атмосферных явлений, обязанный своим происхождением отражению и преломлению света в ледяных кристаллах, образующих перисто-слоистые облака. Появляясь в воздухе при замерзании водяных капелек, ледяные кристаллы принимают обыкновенно одну из трех форм шестисторонних правильных призм: призмы, в которых длина очень велика по сравнению с их сечением; это (фиг. А на черт. 1) — всем известные ледяные иголочки, в морозные зимние дни массами реющие в самых нижних слоях атмосферы. Падая свободно в воздухе, такие иголочки располагаются длинной осью вертикально.

В другого рода призмах  высота очень мала сравнительно с  сечением; тогда получаются шестисторонние плоские таблички (фиг. В на черт. 1). Иногда, наконец, ледяные кристаллики принимают форму призмы, сечение которой представляет собой шестилучевую звезду (ф. В на черт. 1). Падая на ледяные кристаллики, луч света, в зависимости от вида кристалла и его положения относительно луча, может прямо или пройти через него без преломления, или лучи должны претерпеть в них не только преломление, но и целый ряд полных внутренних отражений. Так как две смежные грани подобного кристалла образуют угол в 120°, то произвольно падающий на одну из них луч света вообще не может выйти через соседнюю грань, не претерпев полного внутреннего отражения; для того, чтобы он вышел, необходимо, чтобы при показателе преломления 1,31 (для льда) призма имела преломляющий угол не более 90°31′. Через две несмежные грани луч света пройти может, так как они составляют между собой углы в 60°, но при этом должен претерпеть преломление и разложение на цвета. Наконец, встречая ребро призмы, образуемое пересечением основания с боковыми гранями под углом в 90°, луч пройдет через кристалл после преломления. Приложенный рисунок схематически изображает наиболее часто наблюдаемые явления. В действительности очень редко, конечно, удается наблюдать явление, все части которого были бы одинаково ярки и отчетливо видны: обыкновенно то та, то другая его часть развита ярче и характернее, остальные или наблюдаются весьма слабо, или даже отсутствуют.

Обыкновенный круг или малое гало — это блестящий  круг (А на черт. 2), окружающий светило S, его радиус — около 22°; он окрашен  в красноватый цвет с внутренней стороны, затем слабо заметен  желтый, далее цвет переходит в  белый и постепенно сливается  с общим белесоватым тоном  неба. Пространство внутри круга кажется сравнительно темным; внутренняя граница круга резко очерчена. Круг этот образуется преломлением света в ледяных иглах, носящихся во всевозможных положениях в воздухе. Угол наименьшего отклонения лучей в ледяной призме — приблизительно 22°, поэтому все лучи, прошедшие сквозь кристаллики, должны показаться наблюдателю отклоненными от источника света по крайней мере на 22°; отсюда — темнота внутреннего пространства. Красный цвет, как наименее преломляемый, покажется и наименее отклоненным от светила; за ним идет желтый; остальные лучи, смешиваясь между собой, дадут впечатление белого цвета. Большой круг, или большое гало (В на черт. 2) — подобный малому круг с радиусом около 46°, обязанный своим происхождением преломлению света в ледяных иглах, обращенных к светилу углами в 90°; круг этот обыкновенно бледнее малого, но цвета в нем разделены резче. Паргелический круг — горизонтальная полоса (CSC′ на черт. 2), проходящая чрез светило, обязанная своим происхождением отражению света от граней медленно падающих ледяных кристалликов, причем грани эти направлены вертикально. Пересекаясь с малым гало, круг этот образует яркие, окрашенные пятна (РР′), — так называемые паргелии. В точках QQ′ на расстоянии 44° от светила иногда наблюдаются подобные же, но более слабые пятна, это — вторичные паргелии. Касательные дуги получаются от преломления света, вступающего в кристаллы через одно из оснований, а выходящего через одну из граней. Различают околозенитную дугу (DED) касательную к большому гало сверху и обращенную вогнутостью к зениту; если светило достаточно высоко, удается иногда наблюдать соответственную дугу и снизу большого гало. Если к призмам вида А (на черт. 1) примешиваются еще и шестиугольные звездочки вида В (на черт. 1), то явление усложняется многократными отражениями и преломлениями внутри этих последних кристалликов. В этом случае на паргелическом круге появляются, сверх отмеченных выше, еще светлые окрашенные пятна, удаленные от Солнца на 120° по дуге круга; это — парантелии, или ложные солнца. Если кристаллики, падая в воздухе получают благодаря его сопротивлению колебательные движения, то вследствие отражения от них света появляется С. столб, проходящий через Солнце. Присутствие плоских шестигранных ледяных табличек (форма В на черт. 1) дает начало касательным дугам к малому гало (верхняя — MNM′ и нижняя TUT′ на рис. 2), внутреннему эллиптическому гало (KNK′U) и боковым касательным дугам (GH и G′H′); наконец, на паргелическом круге может появиться слабое светлое пятно, удаленное на 180° от Солнца — антелий. 

Для более подробного ознакомления с оптическими явлениями  в атмосфере см. Verdet, «Oeuvres compl.» (т. I); Mascart, «Traité d’Optique» (т. III); Хвольсон, «Курс физики» (II, СПб., 1898); Angot, «Traité de Météorologie» (1899); Flammarion, «L’Atmosphère»; Klessiing, «Untersuchungen über Däminerungserscheinungen etc» (Гамб