МИРАЖИ

Как известно, свет распространяется по прямой лишь в однородной среде. На границе двух сред луч света преломляется, т. е. несколько отклоняется от первоначального пути. Такой неоднородной средой является, в частности, воздух земной атмосферы: плотность его возрастает у земной поверхности. Луч света искривляется, и в результате светила выглядят несколько смещёнными, "приподнятыми" относительно своих истинных положений на небе. Это явление называется рефракцией (от лат. refractus - "преломленный").

Особенно сильной рефракция бывает тогда, когда светила находятся у горизонта. Подсчитано, что звёзды, Солнце, Луна на восходе и на закате кажутся выше своих истинных позиций приблизительно на 35', т. е. на полградуса. Примерно половине градуса равны и угловые размеры солнечного и лунного дисков. Поэтому если мы видим, что заходящее Солнце (или Луна) нижним краем касается Земли, то на самом деле за горизонт заходит верхний край.

Вследствие рефракции света в атмосфере могут появляться мнимые изображения отдалённых объектов - миражи.

Воздух нагревается от поверхности Земли, и с высотой его температура падает. Однако если над слоем прохладного воздуха оказывается более тёплый (принесённый, например, южными ветрами) и сильно разреженный воздушный слой, а переход между ними довольно резок, то рефракция значительно усиливается. Лучи света, идущие от предметов на Земле, описывают подобие дуги и возвращаются вниз, иногда за десятки, даже сотни километров от своего источника. Тогда наблюдается "поднятие горизонта", или верхний мираж.

С Лазурного берега Франции в ясное утро порой можно увидеть поднимающиеся из Средиземного моря горы острова Корсика - до него более 200 км. В Калабрии, напротив сицилийского берега, в воздухе часто появляются незнакомые пейзажи с кипарисами и замками. Исследователи считают, что в возникновении верхних миражей на побережье Средиземного моря виновата близость Сахары: массы горячего воздуха поднимаются над пустыней, а затем перемещаются на север.

Камилл Фламмарион сообщал в книге "Атмосфера", что жители бельгийского города Вервье июньским утром 1815г. увидели в небе войско так ясно, что даже различили форму артиллеристов. Это было утро битвы при Ватерлоо. Расстояние между Вервье и Ватерлоо 105 км.

Верхние миражи нередко наблюдают в море перед бурей. Не исключено, что именно они породили легенды о кораблях-призраках, хотя многие и считают рассказы о них игрой воображения.

Нижние миражи возникают преимущественно в тех случаях, когда слои воздуха у поверхности Земли (например, в пустыне) разогреты настолько, что лучи света, исходящие от предметов, сильно искривляются. Описав дугу у поверхности, они идут снизу вверх. Тогда можно вдруг увидеть деревья и дома, как будто отражённые в воде. На самом деле это перевёрнутые изображения далёких ландшафтов. Нижние миражи можно наблюдать даже на раскалённой Солнцем асфальтовой дороге.

Радуга даёт уникальную возможность наблюдать в естественных условиях разложение белого света в спектр.

Она обычно появляется после дождя, когда Солнце стоит довольно низко. Где-то между Солнцем и наблюдателем ещё идёт дождь. Солнечный свет, проходя сквозь капли воды, многократно отражается и преломляется в них, как в маленьких призмах, и лучи разного цвета выходят из капель под различными углами. Это явление называется дисперсией (т. е. разложением) света. В результате образуется яркая цветная дуга (а на самом деле круг; целиком его можно увидеть с самолёта).

Иногда наблюдаются сразу две, реже - три разноцветные дуги. Первую радугу создают лучи, отразившиеся внутри капель однократно, вторую - лучи, отразившиеся дважды, и т. д. В 1948 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург) среди туч над Невой появилось сразу четыре радуги.

Вид радуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров и количества водяных капель в воздухе. Яркая радуга бывает летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли. Как правило, такая радуга предвещает хорошую погоду.

Радугу даёт и Луна, но поскольку сама она (по сравнению с Солнцем) светит слабо, то и радуга от неё слабая и бледная.

МЕТЕОРЫ

Бывает, что ночное небо пронзает огненная стрела. Внезапно вспыхнув в воздухе, она некоторое время мчится к Земле, а затем так же неожиданно гаснет. Эти явления часто называют падающими звёздами. Но к звёздам они не имеют никакого отношения. В Солнечной системе движется множество метеорных тел - крупных и мелких частиц твёрдого вещества. Если путь метеорного тела проходит вблизи Земли, оно может войти в её атмосферу. От трения о воздух такие частицы нагреваются и сгорают или испаряются, оставляя за собой в воздухе быстро исчезающий светящийся след - метеор. Особенно яркие метеоры - болиды - хорошо видны даже днём и напоминают большую раскалённую головешку, за которой тянется широкая длинная дымная полоса. Не все метеорные тела полностью сгорают в атмосфере. Некоторые достигают поверхности Земли и, если попадают в руки учёных, многое могут поведать об истории нашей планетной системы.

ГАЛО

Светлый туман вокруг Солнца или Луны можно видеть довольно часто. Это бывает тогда, когда небо затянуто пеленой - лёгкими высокими перистыми облаками. Мельчайшие ледяные кристаллики и капельки воды, из которых эти облака состоят, как бы светятся, рассеивая лучи яркого источника света. (Так же блестят зимой замёрзшие окна, создавая ореол вокруг фонаря; подобный ореол можно увидеть и вокруг лампочки, если посмотреть на неё через лёгкую полупрозрачную ткань.) Но иногда, если облака достаточно тонкие и однородные, вокруг Солнца или Луны появляется не просто туманное свечение, а яркий круг, реже сразу несколько кругов - гало (от греч. "галос" - "круг", "диск").

Гало возникает, когда лучи света преломляются на сгустившихся в высоких облаках ледяных кристалликах, имеющих форму шестигранных призм. В результате мы видим малый круг гало радиусом 22°. Большой круг образуют лучи, прошедшие через боковую грань и основание призм-кристалликов. Его радиус равен примерно 46°. Большой крут наблюдается реже и светится слабее, однако вокруг Солнца его разглядеть проще, чем малый, теряющийся в ярком солнечном свете. Малое гало лучше видно вокруг Луны. Благодаря дисперсии света гало всегда слегка окрашены в радужные тона. Обычно гало предвещают дождь.

Изредка ледяные кристаллы, составляющие облака, располагаются так, что отдельные участки гало светятся более ярко, образуя паргелии (от греч. "пара" - "возле" и "гели-ос" - "солнце") - ложные солнца.

Иногда в тихую погоду на закате или на восходе можно заметить по обе стороны от Солнца столбы света, как бы вздымающиеся к небу из-под Земли. Это лучи, отражённые от вертикально расположенных ледяных кристаллов, из которых образуются медленно опускающиеся перистые облака. Отдельные участки столбов бывают порой настолько яркими, что тоже создают ложные солнца. В сильный мороз такие столбы предвещают дальнейшее понижение температуры.

В старину на Руси яркие участки столбов и гало и ложные солнца называли "пасолнца", "уши", "солнце с ушами".

ВЕНЦЫ

Часто, взглянув на Луну, просвечивающую через перистые облака или прозрачную дымку, можно увидеть, что её диск окружён небольшими радужными кольцами. Эти кольца называют венцами. Они образуются вследствие дифракции света на мельчайших капельках воды. Чем крупнее капли, тем меньше диаметр венцов.

Издавна люди подметили, что малые венцы предвещают дождь, а большие - улучшение погоды. А ещё в народе об этом явлении говорят "месяц в тереме". Венцы видны и вокруг Солнца, но яркий свет дневного светила затрудняет их обнаружение.

ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ

Земля постоянно находится в разреженном потоке испущенных Солнцем заряженных частиц (электронов, протонов) и как бы обдувается солнечным ветром (см. статью "Как Солнце влияет на Землю"). Попадая в самый верхний слой атмосферы, частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Магнитные полюса нашей планеты не совпадают с географическими, хотя и располагаются недалеко от них, причём южный магнитный полюс лежит вблизи Северного географического полюса, и наоборот. Около магнитных полюсов силовые линии направлены вниз, к Земле. Заряженные частицы проникают в более плотные слои атмосферы и воздействуют на молекулы воздуха, вызывая свечение атмосферы - полярные сияния.

Полярные сияния разнообразны по виду и яркости. В старину жители русского севера различали слабую белесоватую отбель, яркие радужные лучи, багрецы, зори, столбы, снопы, сполохи. В основном полярные сияния по форме похожи на светящиеся пятна или ленты, висящие в небе как огромный занавес.

Когда на Солнце происходят вспышки, поток заряженных частиц увеличивается. Они существенно искажают форму магнитного поля Земли, вызывая магнитные бури и интенсивные полярные сияния. Иногда, при особом усилении солнечной активности, заряженные частицы проникают в плотные слои атмосферы средних и даже низких широт. Тогда и там вспыхивают полярные сияния.

Вот какое описание полярного сияния, наблюдавшегося на юге Франции в 585 г., оставил историк и хронист Григорий Турский: "Мы видели на небе... лучи со стороны севера, такие яркие, которых раньше ещё не видели. И вот, в то время как мы, поражённые, смотрели на них с удивлением, с четырёх сторон света появились другие подобные им лучи и всё небо покрылось ими. А в середине неба было блестящее облако, к которому сходились эти лучи, наподобие шатра, который снизу начинался более широкими полосами, вверху кончался более узкими и на вершине связывался в один пучок...".

8 марта 1970 г., около десяти часов вечера, полярное сияние наблюдалось над Москвой. Северный участок неба светился ярким нежно-зеленоватым светом. Свечение занимало почти четверть горизонта и сверху ограничивалось слабой пурпурной каймой. Справа и слева располагались пурпурные столбы, очертания которых медленно менялись. Примерно через полчаса сияние стало тускнеть и затем исчезло.

ПОКРЫТИЕ ЗВЁЗД ЛУНОЙ

Луна - наш единственный естественный спутник - лишена атмосферы. Благодаря этому с Земли можно разглядеть относительно мелкие детали лунной поверхности, а также многое узнать о далёких звёздах.

Обращаясь по своей орбите, Луна часто оказывается между Землёй и какой-либо звездой. Если это происходит не в полнолуние, то можно видеть, как звезда вдруг исчезает за тёмным краем лунного диска. Это явление называется покрытием звезды Луной. (Если звезда вдруг показывается из-за тёмного края лунного диска, говорят об "открытии" звезды.) Ярких звёзд на пути Луны не так много. Поэтому увидеть покрытие невооружённым глазом доводится не часто. Можно наблюдать покрытие в бинокль или подзорную трубу, если заранее знать, когда именно оно произойдёт.

Телескопические наблюдения покрытий Луной слабых звёзд (они происходят довольно часто) и определение с помощью высокоточных часов моментов покрытий помогают уточнить данные о движении нашего естественного спутника, а также детали лунного рельефа.

Наблюдая покрытия с помощью современной высокоточной аппаратуры, удаётся определять угловые размеры звёзд и разрешать тесные двойные звёзды, которые нельзя разделить другими методами.

Наблюдения покрытий проводят и любители астрономии во всём мире, в том числе в нашей стране. Их результаты вносят существенный вклад в науку.

Увлечённый наблюдатель видит на небе много удивительных событий. Кроме описанных, к редким явлениям можно отнести солнечные и лунные затмения, а также яркие кометы. Страх и изумление вызывали они когда-то. Не зная причины этих явлений, люди по-своему пытались истолковать их, связать с событиями повседневной жизни. Так рождались мифы, возникали суеверия. Но по мере накопления знаний о природе, совершенствования методов наблюдений и их анализа необычные явления переставали быть таковыми. Почти все они получили объяснение, заняв своё место в общей научной картине мира.

СЕРЕБРИСТЫЕ ОБЛАКА

Вечером 25 июня 1989 г. в северо-западной части московского неба появились еле заметные светящиеся полоски облаков. На первый взгляд они мало чем отличались от лёгкой вечерней облачности, покрывавшей небо после захода Солнца. Лишь цвет облаков был несколько необычен. От них исходило слабое бело-голубое сияние, скорее напоминавшее призрачный свет Луны... Через час светящиеся облака ровными полосками, струями и грядами заполнили почти всю северную часть небосклона. Чуть восточное и выше они висели в виде клочьев светящейся массы, ажурно переходящей в изящные гребешки, которые закручивались в замысловатые спирали. При этом они казались совершенно неподвижными. Лишь через 10- 15 мин наблюдений можно было заметить, что картина этой небесной феерии почти полностью сменилась, так как всё новые и новые облака выплывали с северо-востока, поднимались к зениту и там незримо угасали на фоне тёмно-синего неба.

А вот как описал это явление в 1885 г. один из первых его исследователей, русский астроном Витольд Карлович Цераский: "Облака эти ярко блистали на ночном небе чистыми, белыми, серебристыми лучами, с лёгким голубоватым отливом, принимая в непосредственной близости от горизонта жёлтый, золотистый оттенок. Были случаи, что от них делалось светло, стены зданий весьма заметно озарялись, и неясно видимые предметы резко выступали. Иногда облака образовывали слои или пласты, иногда своим видом похожи были на ряды волн или напоминали песчаную отмель, покрытую рябью или волнистыми неровностями...".

Серебристые (мезосферные) облака являются самыми высокими облачными образованиями: они наблюдаются на высоте 75-95 км (средняя высота их появления - 82 км). В отличие от привычных нам тропосферных облаков, они располагаются в зоне активного взаимодействия атмосферы Земли с космическим пространством. Хотя название "ночные светящиеся облака" наиболее точно отвечает их внешнему виду, правильнее серебристые облака отнести к разряду сумеречных явлений, так как чаше всего их наблюдают именно в гражданские и навигационные сумерки. Солнце, опустившись под горизонт на 3-16°, ещё освещает верхние слои атмосферы, создавая эффект облаков, светящихся на тёмном небе. Как правило, их видят в летние месяцы (май - сентябрь) на широтах 45-70°, причём наиболее часто на широте 56° (широта Москвы). На этих широтах облака появляются в среднем от 9 до 20 раз за сезон. Так, в 1981 г. в Москве они наблюдались восемь ночей подряд, с 8 по 16 июля. Время существования отдельных облаков также подвержено значительным колебаниям: от 10 мин до 5 ч.

Наблюдения показывают, что на широте 56° серебристые облака чаше всего появляются в период с третьей декады июня по вторую декаду июля, тогда их обширные поля занимают площади до нескольких миллионов квадратных километров. Кроме того, существуют многолетние вариации их интенсивности, связанные с солнечной активностью.

Ракетные эксперименты, выполненные в 80-е гг. в Швеции, дали интересную информацию о составе серебристых облаков. На высотах 80-94 км обнаружен слой "тяжёлых" положительных ионов, присутствие которых указывает на возможность образования ледяных частиц при сравнительно слабых колебаниях температуры. Облака, состоящие из подобных ледяных частиц, могут быстро распадаться, если температура повысится на 10-20 К.

Как показали расчёты и наблюдения, в наш космический век процесс образования облаков могут вызвать жидкостные ракеты вторых ступеней мощных ракет-носителей, функционирующие на высотах 60- 120 км. При каждом запуске ракета-носитель выбрасывает около 1200 т водяного пара. В связи с этим предполагается, что в последующие десятилетия интенсивность облакообразования в мезосфере возрастёт более чем на 50%. Авторы расчётов, американские геофизики, утверждают, что подобные изменения в верхней атмосфере вряд ли существенно отразятся на климате Земли.

Вместе с тем одна из последних гипотез связывает серебристые облака с возникновением озонной дыры: их активное образование приводит к уменьшению свободного газового озона. Если эта идея найдёт подтверждение, то наблюдение серебристых облаков приобретает особое значение.

Ледяные кристаллы, из которых состоят облака, представляют серьёзную угрозу для керамических плиток тепловой зашиты космических аппаратов многоразового использования. При сверхзвуковых скоростях перегрев и разрушение керамических плиток могут иметь катастрофические последствия. Помимо этого серебристые облака отрицательно воздействуют на процесс управления космическим аппаратом на этапах входа в плотные слои атмосферы. Таким образом, возникают пространственно-временные ограничения в использовании космической техники в зонах образования серебристых облаков. Учитывая это, специалисты из Космического центра Кеннеди (США) внесли коррекцию в угол наклона орбиты при девятом полёте корабля "Шаттл".

Несмотря на обилие данных, полученных о верхней атмосфере, природа серебристых облаков по-прежнему до конца не разгадана. Неизвестно, какие глобальные явления в земной атмосфере предопределяют их возникновение, связаны ли они с физическими процессами в нижней атмосфере, какие физико-химические процессы сопровождают их образование и распад. Чтобы ответить на все эти вопросы, требуются высокое качество наблюдательного материала и его тщательный анализ. В связи с этим возрастает роль любительских обсерваторий, которые могут оказать существенную помощь учёным в накоплении наблюдательных данных.