Міражі

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Чи можна ці чудеса з гоголівської розповіді віднести до розряду, безпредметної, нестримної фантастики? Виявляється, ні. Що б не мав на увазі сам казкар, загримований під старого пасічника Рудого Панька, «нечуване диво» вписане в «Страшній помсті» дуже схоже на цілком реальне атмосферне явище – міражі (інакше марево, фата-моргана). Міражі можуть приймати найрізноманітніші форми; на відміну від галюцинацій або обманів зору вони цілком реальні, їх бачить не одна людина, а всі присутні, більше того, їх буває можливо сфотографувати.

Перш ніж говорити про причини, що викликають міражі, я дозволю собі нагадати вам суть двох відомих фізичних закономірностей.

Світловий промінь, що переходить з менш щільного середовища в більш щільне, пролягає в цій останній завжди ближче до перпендикуляру, опущеного на розділову поверхню. Якщо щільність (або показник заломлення) змінюється не стрибком, а поступово зменшуючись або збільшуючись, то з тієї ж причини шлях світлового променя викривляється і при цьому буває завжди звернений увігнутою стороною до більш щільним верствам середовища.

Якщо промінь, який спочатку йшов, віддаляючись від більш щільних шарів в сторону розріджених, має перед собою досить довгий шлях, то він може викривитися настільки, що поверне назад, в більш щільну сторону, як би відбиваючись від чергового розрідженого шару. Це різновид явища, відомого під назвою повного внутрішнього відображення.

Друге коротке нагадування, яке потрібно тут зробити, – показник заломлення атмосферного повітря зростає з підвищенням його щільності і з пониженням температури. Тому в повітрі світловий промінь завжди викривляється в сторону більш холодних і щільних шарів; цим пояснюється, скажемо відразу, так звана нормальна атмосферна рефракція (заломлення світлового променя), про що ще буде мова далі.

Ці два коротеньких зауваження допоможуть нам тепер розібратися в причинах і закономірностях атмосферних міражів, Я кажу «міражів» – у множині – тому, що ці явища як за формою, так і з причин, що викликають їх, надзвичайно різноманітні. У самому грубому підрозділі можна розбити наявні в природі міражі на три класи.

Найбільш прості за своїм походженням міражі – це ті, які викликають найбільше гірких розчарувань, а часом доводять і до відчаю подорожніх в пустелі. Знемагають від спеки та спраги люди раптом бачать в 2-3 кілометрах від себе велике, іскристе сонячними відблисками озеро. Вони звертають зі шляху, спрямовуються до нього, але, на жаль, озеро починає відступати, весь час зберігаючи 2-3-кілометрову дистанцію від подорожніх, і в якийсь момент розчиняється в повітрі і зникає.

Французький математик Гаспар Монж, який брав участь в єгипетській кампанії 1798 року, так описав свої враження від міражу цього класу: «Коли поверхня землі сильно напружена сонцем і тільки-тільки починає остигати перед початком сутінків, знайома місцевість більше не має ніяких прав до видимого горизонту, як днем, а переходить, як здається, приблизно в одному льє в суцільну повінь. Села, розташовані далі, виглядають немов острови серед великогог озера. Під кожним селом – його перекинуте відображення, тільки воно нерізке, дрібних деталей не видно, як відображення у воді.

Якщо станеш наближатися до села, яке здається оточеним повінню, берег уявної води все віддаляється, водний рукав, який відділяв нас від села, поступово звужується, поки не зникне зовсім, а озеро, його вигляд такий самий, тепер починається за цим селом, відображаючи в собі села, розташовані далі».

Для того, щоб своїми очима побачити цей багато разів описуваний феномен, зовсім немає потреби їхати в Сахару. Його можна спостерігати кожен, навіть в наших краях як багато раз спостерігав і я.

У спекотний літній день встаньте на залізничне полотно або невисоко над ним. Сонце має перебувати збоку або збоку і трохи попереду щодо направлення залізничної колії, вздовж якого спрямований ваш погляд. При сприятливій погоді ви побачите, що в 2-3 кілометрах від вас рейки «впадають» в блискуче іскристе озеро так, немов шляхи залило повінню. Не пробуйте підійти до цього озера ближче: воно почне відступати від вас (доки дозволятиме прямизна шляху) і не підпустить вас ближче все тієї ж непереборної дистанції в 2-3 кілометри. Відбудеться все те ж саме, що з Монжем в Сахарі.

Мені довелося дуже яскравим побачити цей же вид міражу на Турксібу, в районі на північ від озера Балхаш. Був літній спекотний день. У 2-3 кілометрах від нашого поїзда то виникали, то двоїлися, потім зникали в одному місці і з’являлися в іншому величезні блискучі озера. Вони «супроводжували» нас на протязі багатьох кілометрів. Походження міражів цього класу (назвемо їх «озерними») надзвичайно просте. Промені сонця розпалюють грунт, а в нашому прикладі рейки і чорний баласт полотна, від них нагрівається нижній шар повітря, це нагріте повітря, зрозуміло, витікає вгору, негайно замінюючись новим, яке теж розпалюється і піднімається вгору…

Якщо згадати правило, за яким світлові промені завжди викривляються від теплих шарів в сторону більш холодних, то легко зрозуміти, що промені від світлого неба поблизу горизонту, що прямують вниз до полотна, загинаються над ним догори і приходять в наше око похило, як би відбиваючись від чогось над самим полотном (це і є випадок повного внутрішнього відбиття від гарячого повітря). Тріпотіння променів, що походить від коливань потоків повітря, що піднімаються, створює повну ілюзію водної поверхні, що іскриться під вітром і сонцем.

Другий клас міражів, до якого ми тепер перейдемо, не складніше першого за умовами свого походження, але дає набагато більш різноманітні і вражаючі ефекти. Цей клас можна було б назвати класом «міражів далекого бачення». І на нього найбільше походить «нечуване диво», описане Гоголем.

Жителі Лазурного берега Франції (між Ніццою і мисом Антіб) не раз бачили раннім ранком ясним, як на безмежному зазвичай горизонті Середземного моря виникає, точно піднімаючись з моря, світлий туманний ланцюжок гір, в якому досвідчені люди без коливань впізнають Корсику, відстань по прямій від мису Ліги і до північної гористої частини Корсики – 200 кілометрів, так що про пряму видимість тут, звичайно не може бути й мови.

На англійському узбережжі, поблизу Гастінгса, іноді можна бачити французький берег, незважаючи на те, що при звичайному стані повітря кривизна земної поверхні перешкоджає такій видимості. З Рамсгета не раз бував видимий Дувр, який зазвичай прихований від нього пасмами пагорбів.

Як повідомляє натураліст Н. Беднге, «біля Реджо в Калабрії, навпроти сицилійського берега і міста Мессіни, іноді видно в повітрі цілі незнайомі місцевості з стадами, що пасуться, кипарисовими гаями і замками; недовго протримавшись у повітрі, міражі розпливаються і зникають».

Подібного ж роду міражі спостерігалися і з повітряної кулі при польотах поблизу від морських берегів: над стіною хмар виникав зеленуватий туман – як би перекинуте Відображення моря, – і на такому «небесному морі» видно було кораблі, що пливуть щоглами донизу, а колами вгору.

Міражі з появою перекинутих предметів, що викликаються знову-таки своєрідним перерозподілом теплих і холодних шарів повітря, описувалися нерідко, до таких описів відноситься; наприклад, цікаве повідомлення відомого мореплавця Ськоресбі, який супроводжував свого батька в полярній експедиції. Вони пливли на різних човнах. Буря рознесла кораблі далеко один від одного, і раптом син побачив високо в небі перекинуте зображення корабля, на якому знаходився його батько. Зображення було настільки ясним, що впізнати батьківський корабель можна було з абсолютною впевненістю, хоча насправді він в цей час знаходився за горизонтом.

Отже, якщо причина міражів «озерного» класу – неправильні співвідношення в атмосфері (гаряче повітря внизу, холодне і більш щільне – над ним), то типові, міражі «далекого бачення» відбуваються при самих звичайних умовах, при нормальній атмосферній рефракції, зміненій тільки кількісно. При звичайних умовах поступове зменшення щільності повітря з висотою змушує промені, відбиті від предметів, що знаходяться невисоко над горизонтом; скривлюватися донизу. Так як ми бачимо предмети завжди в напрямку останнього відрізка променя, що приходить від предмета в наше око, то всі такі об’єкти, включаючи і зірки, здаються що знаходяться вище їх дійсного положення. Ця нормальна атмосферна рефракція давно і добре відома астрономам і завжди враховується ними при визначенні точного положення небесних об’єктів. Величина рефракції тим більше, чим ближче об’єкт до горизонту; в округлених цифрах, по Бесселю, вона «піднімає» предмети, що знаходяться в 30 ° над горизонтом, на 140 “, в 15 ° – на 3’30” і т. д., дещо змінюючись в ту або іншу сторону за рахунок коливань температури і барометричного тиску.

У звичайних умовах такого ефекту рефракції недостатньо, щоб «підняти» над горизонтом Корсику або Дувр і зробити їх видимими здалеку, незважаючи на кривизну земної поверхні. Але лише тільки з яких-небудь причин спадання щільності повітря з висотою стане набагато крутіше звичайного (наприклад на певній висоті над охолодженим морем виявиться шар гарячого повітря), це вже приведе до більш сильного вигину променів донизу і дозволить «заглянути» за геометричний горизонт.

Далі буде.

Автор: Н. Бернштейн.