Оптическое явление “мираж”: что это такое, как возникает, примеры

Мираж (фр. mirage — букв. видимость) – это явление, заключающееся в создании мнимого (кажущегося) изображения реального объекта в результате различия показателей преломления в слоях воздуха разной температуры.

Мы неоднократно слышали о караванах, бредущих по пустыне, видящих впереди водоемы или города, но – к сожалению – не способных их достичь. Или о моряках, напуганных видом кораблей, парящих в небе над другими кораблями. Это волшебное (по меркам того времени) и необъяснимое явление вызывало у людей, с одной стороны, восхищение, с другой – страх и недоверие. Кельтские народы приписывали эту способность волшебнице Моргане Ле Фей, вымышленному персонажу артурианских легенд. Именно от ее имени произошло слово “фата-моргана” – термин, обозначающий оптическое явление, которое также называют миражом.

Раньше миражи были непонятны и вводили в заблуждение. Сегодня, благодаря научному прогрессу, они получили объяснение. В этой статье вы узнаете, как создается фата-моргана, что за ней стоит и где ее можно наблюдать.

Наверное, каждый слышал о фата-моргане, но мало кто знает, как она создается. Однако прежде чем перейти к объяснению этого явления, давайте вспомним некоторые основные факты:

  • Свет в средах с разными показателями преломления распространяется с разной скоростью. Чем выше показатель преломления, тем ниже скорость.
  • Скорость света в горячем воздухе больше, чем в воздухе при более низкой температуре, поэтому показатель преломления для воздуха при более высокой температуре меньше.
  • Свет на границе двух сред с разными показателями преломления меняет свое направление (это явление рефракции, или преломления света). Когда свет переходит из среды, в которой он движется медленнее, в среду, в которой он движется быстрее, он отклоняется от нормали (прямой линии, перпендикулярной границе сред), поэтому угол преломления больше угла падения.

Этих знаний достаточно для “понимания предмета”. Давайте сначала рассмотрим путь светового луча, проходящего через среды с различными показателями преломления. Рассмотрим рисунок 1: луч, проходящий из слоя с показателем преломления n1
на слой с показателем преломления n2 отклоняется от нормали к границе раздела сред.

Аналогичная ситуация возникает при прохождении через последовательные границы. Ход луча на рис. 1 представляет собой прерывистую линию. Однако следует помнить, что температура постоянно меняется, поэтому если таких слоев крайне малой толщины очень много, то прохождение луча будет все более “плавным”.

Путь луча света в среде с изменяющимся показателем преломления
Рис. 1. Путь луча света в среде с изменяющимся показателем преломления

Описание явления на примерах

Луч света, проходя плавно через слои воздуха, отличающиеся показателями преломления, искривляется, и мозг наблюдателя интерпретирует эту ситуацию таким образом, что объект кажется находящимся совсем в другом месте, чем на самом деле. Это видно на рис. 2.

Человек воспринимает облако так, как будто оно находится на продолжении направления, изображенного пунктирной линией, а не, как в действительности, там, откуда ведет сплошная линия, касательная к пунктирной линии в месте наблюдения. Конечно, если вместо облака будет голубое небо, человек увидит в этом месте голубое пятно. Не привыкший видеть небо на земле, он догадается, что это какой-то водоем, например, лужа. Это создает оптическую иллюзию, называемую нижним миражом.

Схема образования нижнего миража в пустыне
Рис. 2. Схема образования нижнего миража в пустыне

Аналогичная ситуация происходит и на рис. 3, только объект будет расположен выше, чем в реальности. В этом случае мы говорим о так называемом верхнем мираже.

Схема формирования верхнего миража
Рис. 3. Схема формирования верхнего миража

Описанные ситуации – это не просто литературный вымысел, и не далекие явления, встречающиеся только в пустыне. Их можно увидеть в жаркие дни, например, и над раскаленным асфальтом (рис. 4). В результате получается распределение температуры воздуха, подобное тому, что показано на рис. 2 – воздух с самой высокой температурой находится вблизи проезжей части. Она постепенно уменьшается по мере увеличения высоты. Таким образом, внизу показатель преломления ниже, а вверху – выше.

Нижний мираж у дороги
Рис. 4. Нижний мираж у дороги. Источник фото [PanSG / CC BY-SA]

Большая разница температур возникает не только на нагретом дорожном покрытии или в пустыне. Её также можно наблюдать над водоемом (рис. 5). В этом случае холодный воздух находится в самом низу, а теплый воздух поднимается над ним. Это позволяет нам увидеть объекты, которые мы обычно не видим из-за кривизны Земли. Однако, чтобы фата-моргана наблюдалась, погода должна быть безветренной, чтобы слои воздуха с разной температурой не смешивались.

Над поверхностью воды образуется мираж
Рис. 5. Над поверхностью воды образуется мираж, создающий впечатление, что корабль движется по небу. Источник фото: [ Craig Clements / GFDL ]

Самая далекая фата-моргана была замечена экипажем корабля “Матадор” в 1898 году в Тихом океане, когда они увидели тонущий корабль, который на самом деле находился на расстоянии более 1700 км. Ранее, в 1815 году в городе Вервье (Бельгия) в небе наблюдалось четкое изображение битвы при Ватерлоо, происходившей в 105 км от этого места.

Сегодня популярные фата-морганы являются туристическими достопримечательностями. В солнечные и жаркие дни над водами Лазурного берега можно наблюдать горный мираж Корсики (рис. 6.), а возле города Гастингс (юго-восточная Англия) – фата-моргану французского побережья.

Корсику можно наблюдать с лазурного берега в тихую погоду
Рис. 6. Благодаря феномену фата-моргана, Корсику можно наблюдать с Лазурного берега в тихую погоду

Список использованной литературы

  1. Перельман Я. И. «Занимательная физика». Книга 1. Глава 8. Отражение и преломление света
  2. Физика. 11 класс – Жилко В.В., Маркович Л.Г.