Ученые объяснили все загадки миражей

В древности миражи внушали страх, сбивали с дороги путешественников. Сейчас все разновидности этих оптических явлений досконально изучены. Как возникают миражи в атмосфере, космосе и лаборатории? 

Слово "мираж" происходит от французского глагола se mirer — отражаться. Здесь кроется ошибка, поскольку мираж связан не с отражением, а с рефракцией, преломлением. По принципу, сформулированному французским математиком Пьером Ферма еще в XVII веке, луч света всегда ищет кратчайший путь. В стеклянной линзе он сделает зигзаг, чтобы пересечь ее по самому узкому участку.

Тот же принцип действует и в атмосфере — тоже своего рода линзе. Мы, как наблюдатели, находимся внутри нее. В холодном плотном воздухе свет движется медленнее, поэтому обязательно завернет в слои потеплее, чтобы сократить путь. В результате возникают миражи.

В жаркий летний день нередко можно видеть на земле или дороге "лужи" и "озера". Это из-за неравномерного прогрева воздуха: у поверхности он горячий, а с высотой все холоднее. Физики называют такой постепенный перепад температуры градиентом. Солнечный свет, преломляясь на границе слоев, движется по параболе. Наши глаза его воспринимают и отправляют информацию об объекте в мозг, который по привычке считает, что свет пришел по прямой, и помещает объект ниже линии горизонта. Такой тип миража, формирующийся под реальным объектом, называют нижним. Видимая нами "вода" на дороге — всего лишь свет или кусочек неба, преломленный атмосферной линзой.
 

Обычно нижний мираж дает перевернутое изображение реального объекта, но порой наблюдаются более сложные эффекты. Например, исчезнувший горизонт, когда кажется, что здание или человек парит над землей или морем без опоры. На самом деле человек идет по отмели, которая находится вне пределов видимости.
 

Королевские иллюзии

Если градиент температуры воздуха постоянный, то мираж просто смещается относительно реального объекта. Но так в атмосфере бывает редко. Гораздо чаще прогрев неравномерный, и мираж увеличивает, искажает "исходник".

Когда приповерхностный слой воздуха холоднее окружающей атмосферы, изображение возникает выше реального объекта. Это верхний мираж. Иногда он предстает в виде прекрасных замков, горных хребтов, лесов. История знает много подобных миражей. Они сбивали с толку даже бывалых путешественников. Полярник Роберт Пири, стремясь покорить Северный полюс, наблюдал в 1906 году на одном из островов Канадской Арктики горные вершины. Он назвал их землей Крокера. Последующие экспедиции доказали, что ее не существует. Это был мираж.

Таков результат сочетания неравномерного градиента температуры воздуха, турбулентности, астигматизма атмосферной линзы (когда ее поверхность, воспринимаемая глазом, не сферическая, а эллипсоидная). Мираж растягивается по высоте, приобретает вершины, башенки. Изображение теряет всякое сходство с реальным объектом, который представляет собой лишь пустыню или ледяное поле. Это явление получило название фата-моргана — в честь сестры легендарного короля Артура, славившейся умением строить воздушные замки.

Иногда сказочные города проступают из тумана и опять в нем исчезают. Это фата-бромоза, очень редкий феномен. Из-за резко искривленного профиля градиента изображение утраивается, светлеет или темнеет на фоне окружающей реальной картины.
 

Мираж в космосе

Очень эффектны миражи Солнца на закате. Если светило сливается со своим перевернутым изображением, образуя "этрусскую вазу", то это обычный нижний мираж. Когда нижняя часть диска выглядит словно порезанной на части — это верхний мираж, порожденный теплым воздухом над более холодным приземным слоем. Зеленые всполохи над расплывшимся по горизонту солнечным диском также вызваны верхним миражом. Чтобы их увидеть, надо находиться выше теплого слоя, например на гористом берегу.

Миражи создает еще один астрономический объект — квазары. Это гигантские источники электромагнитного излучения разного типа, находящиеся в миллиардах световых лет от нас. Если между квазаром и Землей расположена массивная галактика, за счет гравитации она, словно линза, преломляет идущий от него свет. В результате образуются четыре изображения квазара. Астрономы называют их лепестками клевера.

Все четыре миража показывают объект на разных этапах существования, поскольку свет от них прошел разное расстояние. Благодаря этим оптическим эффектам физики точнее вычисляют постоянную Хаббла, связанную с расширением Вселенной.

За миражом в лабораторию

Физики могут объяснить все нюансы миражей и даже воспроизвести их в лаборатории. Простейший эксперимент проводят в школе на уроках оптики. В банку наливают слоями сироп разной концентрации и смотрят на объекты. Из-за преломления света они многократно искажаются и смещаются.

Более сложный эффект наблюдали американские физики, экспериментируя с лучом лазера, проходящим сквозь ячейку со сверхкритическим флюидом диоксида углерода. Они никак не могли понять, куда девается луч, для которого среда должна быть прозрачна. Оказалось, что температурный градиент во флюиде его преломлял, смещая изображение вниз. 

Мираж помог ученым создать модель плаща-невидимки — из слоя углеродных нанотрубок. Способность мгновенно нагреваться и охлаждаться делает из него прекрасный переключатель. Когда слой "включали", то есть пропускали ток, он нагревал воздух вокруг себя, и расположенный за ним объект исчезал для наблюдателя из-за преломления света.