Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Субсолнце — один из вариантов световых столбов, но его можно увидеть, когда наблюдатель смотрит на кристаллики-пластинки сверху. Если такие пластинки ориентированы почти горизонтально, появляется изображение солнца, напоминающее зеркальное.

Если под вечер, когда солнце низко, подняться на гору и с вершины посмотреть на ее тень, видно, что тень имеет форму треугольника, вершина которого находится где-то далеко от вас (рис. 6.13). Почему все горы отбрасывают почти треугольную тень, независимо от того, какую форму имеет сама гора и как выглядят ее склоны? Почему, если смотреть на тень горы, стоя значительно ниже ее вершины, видно, что она оканчивается хорошо заметным острым выступом, отклоняющимся либо вправо, либо влево?

Рис. 6.13 / Задача 6.36.Тень горы на аэрозоле, которую видит наблюдатель, стоящий выше, вблизи вершины.

ОТВЕТ •Тень, которую вы видите, стоя на вершине горы, формируется как на земле, так и в слое воздуха со взвешенными частицами (аэрозоле) ниже вас. Б о льшая часть тени так далеко, что детали формы боковой поверхности горы слишком малы и разглядеть их невозможно. Треугольная форма тени определяется законами перспективы: кажется, что боковые стороны тени, начинающиеся слева и справа от наблюдателя, сходятся в какой-то далекой точке на земле и внутри слоя аэрозоля. Расстояние между сторонами тени уменьшается так же, как между уходящими вдаль прямыми рельсами: если смотреть вдоль рельсов, создается впечатление, что на горизонте они сходятся. Сама тень напоминает вашу тень на лужайке при низком солнце: тень от ног — нормального размера, а тень от головы несколько сужена.

Когда вы стоите значительно ниже вершины в тени горы, вы смотрите через аэрозоль, на который падает тень (а не сверху на него). Если стать строго в центре тени, ее стороны будут по-прежнему сходиться прямо перед вами, но будет казаться, что ее конец несколько задран вверх. Если сдвинуться из центра, скажем, влево, вершина горы и ее тень сдвигаются вправо относительно вас. Более того, поскольку вы смотрите на тень через аэрозоль, сдвиг любой части тени увеличивается с увеличением расстояния до нее. Таким образом, поскольку тень вершины горы — самая удаленная от вас точка, она сдвигается больше всего. Если сдвинуться влево и проследить за сужающимся вдали участком тени, можно видеть, что он не только загибается вверх, но и отворачивает вправо, образуя заострение на конце.

Представьте себе, что вы летите в самолете над океаном, а небо местами покрыто кучевыми облаками. Почему, когда вы сидите на освещенной солнцем стороне самолета, тень от них видна, а если ваше место с противоположной стороны, вы ее не видите?

ОТВЕТ •Если из окна на солнечной стороне самолета смотреть на океан, глаз воспринимает главным образом свет, отраженный и рассеянный поверхностью воды. Это так называемые блики — световые пятна на ярко освещенной поверхности. Если облако не пропускает часть солнечных лучей, они не достигают поверхности воды и вы видите тень облака на воде. В том месте, куда падает тень, бликов нет, и поэтому оно темнее окружающей воды.

С другой стороны самолета свет в основном отражается и рассеивается не в сторону наблюдателя. Хотя часть воспринимаемого им света и является отражением неба, это главным образом свет, идущий из глубины океана , то есть солнечный свет, прошедший через поверхность воды, который затем отражается от взвеси в воде (на мелководье — от дна) и уходит обратно через поверхность. На не освещенной солнцем стороне самолета в области тени от облака интенсивность отраженного в толще воды света меняется несущественно, поскольку ее по-прежнему освещает свет, идущий от свободной от облаков части неба. Поэтому тени не видно. Однако если тень от облака сместится с воды на землю, она неожиданно станет видна. В этом случае идущего из глубины излучения нет, и глаз воспринимает только свет, рассеянный поверхностью земли (но не свет, идущий от неба). Облака затрудняют попадание солнечного света на то место, куда они отбрасывают тень, препятствуя его рассеянию на поверхности земли, а это значит, что тень видна наблюдателю.

Цвет воды в океане неодинаков. Он меняется от голубого, как чистое небо, до серого — цвета неба, сплошь покрытого облаками. Иногда вода бывает белой, а иногда красноватой, сине-зеленой, зеленой или желтой. Случается, что в океане вода бывает даже коричневой. С чем связано такое разнообразие цветов? Почему часто цвет зависит от угла, под которым наблюдатель смотрит на поверхность океана?

Почему, если плыть глубоко под водой, удерживая в горизонтальном положении белый плоский предмет, цвет его верхней поверхности будет не таким, как цвет нижней поверхности?

ОТВЕТ •Цвет океана определяют сразу несколько факторов. Предположим, что вода чистая, атмосферы нет и вода настолько глубокая, что отраженный от дна свет не доходит до наблюдателя. Тогда вода будет черной или темно-темно-синей, поскольку молекулы воды постепенно поглощают свет красной области спектра и рассеивают синий свет.

В условиях, более приближенных к реальным, взвешенные в воде частицы могут изменить цвет океанской воды благодаря селективному поглощению или рассеянию определенных частей солнечного спектра. Если вода настолько мелкая, что наблюдатель воспринимает свет, отраженный от дна океана, селективное поглощение на дне тоже меняет цвет воды.

Наличие атмосферы изменяет ситуацию. Небо над водой несколько меняет ее цвет. Если небо голубое, вода может казаться чуть более голубой, поскольку наблюдатель воспринимает какую-то часть отраженного от поверхности воды света, идущего от неба. Точно так же, если небо серое и вода может быть серой. Однако, если в солнечный день смотреть на сияющую поверхность воды, она может казаться белой: в основном мы воспринимаем отраженный от воды солнечный свет, создающий ослепительный блеск.

Верхняя поверхность погруженного в воду плоского белого предмета имеет определенный оттенок: из-за поглощения и рассеяния в воде белый солнечный свет слегка меняет цвет. Снизу этот предмет освещает свет, прошедший в воде больший путь — вниз ко дну и обратно вверх — или рассеянный водой ниже предмета. Его цвет меняется сильнее, и поэтому верхняя и нижняя поверхности плоского предмета имеют разные оттенки.

Что определяет форму ярко освещенной области на открытой воде при низком солнце или луне («солнечная дорожка», «лунная дорожка»)? Как эта форма меняется в зависимости от высоты солнца и луны над горизонтом?