Читаем Новый физический фейерверк полностью

Новый физический фейерверк

ОТВЕТ • Глория появляется в результате интерференции света, рассеянного назад по направлению к солнцу крошечными капельками воды. Наблюдатель видит глорию, если его глаза воспринимают этот рассеянный свет. Рассеяние — один из видов дифракции, явления, при котором свет вблизи препятствий отклоняется от прямолинейного направления и огибает препятствие. При этом происходит интерференция дифрагированных волн. Это означает, что некоторые из этих волн усиливают друг друга (конструктивная интерференция), а некоторые стремятся погасить друг друга (деструктивная интерференция). В результате образуется дифракционная картина, где лучи света разных цветов расходятся в разных направлениях.

Модель, описывающая образование глории при дифракции на маленьких капельках, очень сложна. Приведем упрощенное объяснение. Рассеянный назад свет состоит, во-первых, из лучей, которые прошли внутрь капли и, отразившись от ее внутренней поверхности, вышли обратно в направлении солнца, и, во-вторых, из лучей, которые обогнули каплю и, скользя вдоль ее задней поверхности, ушли обратно к солнцу. Два типа рассеянных волн либо усиливают, либо гасят друг друга, и при рассеянии на большом числе капель их интерференция приводит к появлению ярких разноцветных колец, причем внешнее кольцо красное, а внутреннее — синее.

Угловой размер глории зависит от размера капель: чем больше капли, тем меньше глория. Обычно размер капель варьируется в очень широком диапазоне, так что кольца разных цветов перекрываются и их бывает трудно разглядеть. Однако, если капли примерно одного размера, цвета хорошо различимы и тогда можно увидеть несколько систем колец, окрашенных в цвета видимого спектра (от синего до красного).

Глория имеет овальную форму, если солнце низко и она появилась поверх длинной гряды облаков, где размер капель меняется в зависимости от расстояния до наблюдателя.

6.47. Корона

Корона — яркая область вокруг солнца или луны, состоящая иногда из цветных колец. Однажды я заметил лунную корону из двух наборов колец всех цветов радуги спектра, а третий, внешний, набор был виден только частично. Зрелище было завораживающим. С чем связано появление короны и какова последовательность цветов в ней? Что определяет размер короны?

ОТВЕТ • Солнечные и лунные короны — результат дифракции света, идущего от них к наблюдателю, на каплях воды в тучах. Дифракция — одна из форм рассеяния, при которой свет огибает препятствие, что приводит к образованию интерференционной картины. Некоторые из дифрагированных волн усиливают друг друга, и появляются яркие участки, а другие — гасят, и возникают темные участки. При дифракции изначально белый свет разлагается на цвета, причем красные лучи отклоняются на больший угол, чем синие, и поэтому внешний край короны обычно красный. Углы, на которые отклоняются лучи разных цветов, зависят от размеров капель. Если капли примерно одного размера (несколько микрометров в диаметре), кольца разных цветов видны отчетливо. При сильном разбросе размеров капель кольца разных цветов перекрываются, и наблюдатель видит белую корону (возможно, красноватую по внешнему краю).

По-видимому, кольца вокруг солнца на картине Винсента Ван Гога «Красные виноградники в Арле» никакого отношения к короне не имеют. Скорее, Ван Гог изобразил их, чтобы подчеркнуть яркое сияние, исходящее от солнца.

6.48. Корона на замерзшем стекле

Проходя холодной зимней ночью мимо замерзшего окна, можно заметить, что огни в помещении окружены цветными кольцами. Почему они появляются? Почему эти кольца окружены еще одним темным кольцом?

ОТВЕТ • Корона, которую видно через окно, появляется по тем же причинам, что и рассмотренная в предыдущей задаче корона в атмосфере. Обе они связаны с дифракцией света на каплях воды, но в данном случае капли конденсируются на стекле. Внешнее темное кольцо — часть дифракционной картины: волны, приходящее отсюда к глазу наблюдателя, находятся не в фазе и, следовательно, ослабляют друг друга.

Если замерзшее окно движется, например, это окно проходящего поезда, корону можно видеть вокруг каждого проносящегося мимо вас источника света. Однако, если источник света мигает, как, скажем, ртутная лампа уличного освещения, можно увидеть наложенные на корону вертикальные яркие и темные полосы.