Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Рис. 6.16 / Задача 6.52.Слой воды на дороге уменьшает количество света, попадающего на покрытие дороги.

Почему обычно свежевыпавший снег белый, а если выкопать в снегу ямку, он может стать голубым? Какого цвета лед? Почему антарктические айсберги бывают зелеными, а арктические никогда?

ОТВЕТ •Когда при белом солнечном свете смотришь на свежевыпавший снег, глаз воспринимает и свет, отраженный от поверхности кристалликов льда, и свет, прошедший через некоторые из них. Как и падающий солнечный свет, отраженный свет остается белым. При прохождении света через кристаллики его красная компонента несколько ослабляется за счет поглощения и снег приобретает голубой оттенок. Однако этот голубой цвет настолько бледный, что различить его невозможно, и снег по-прежнему кажется белым. В ямку свет попадает, пройдя через окружающий ее снег. При этом он рассеивается на гораздо большем количестве кристалликов, и тогда голубой оттенок становится заметнее.

Большие глыбы льда, такие как айсберги, выглядят голубыми, когда свет уходит в лед на глубину порядка метра. Он или проходит его насквозь через боковые поверхности, или, рассеявшись на неоднородностях внутри, выходит обратно с той же стороны. Однако некоторые айсберги, оторвавшиеся от антарктических шельфовых ледников, имеют заметный зеленоватый оттенок. Он появляется из-за того, что синий свет поглощается фитопланктоном, постепенно накапливающемся в основании шельфового ледника, когда подледная морская вода примерзает к нему. Поглощение синего цвета изменяет спектр света, прошедшего через лед, и делает его зеленым. Если отколовшаяся глыба льда переворачивается, зеленоватый лед оказывается сверху айсберга. Возможно, в Арктике потому нет зеленых айсбергов, что шельфовые ледники движутся и глыбы льда откалываются от них слишком быстро, чтобы могло накопиться достаточное количество фитопланктона.

Иногда в солнечную погоду от заснеженного поля отражается разноцветный, слепящий глаза свет. Его связывают с так называемым фирновым зеркалом (от немецкого firnspiegel — «ледяное зеркало»). Почему можно наблюдать подобное зрелище? Почему свежевыпавший снег обычно окрашен лишь слегка и искрится? Почему часто кажется, что искры на снегу возникают либо над, либо под его поверхностью?

ОТВЕТ •Фирновое зеркало образуется в яркий солнечный день, когда верхний слой снега подтаивает, а затем еще раз замерзает, образуя тонкую кристаллическую ледяную пленку. Энергию, необходимую для таяния, поставляет проникающий в слой солнечный свет, где он много раз отражается, пока не поглощается почти полностью. Затем поглощенное тепло уходит к поверхности снега, где тают, а затем повторно замерзают на холодном воздухе небольшие участки. В результате образуются кристаллы льда, действующие на солнце как зеркальца, а иногда и как призмы — и наблюдатель видит яркий, разложенный на цвета свет.

Обычно мы видим просто искрящийся снег, что обусловлено самими кристалликами льда, действующими как зеркальца. Поскольку глаза разнесены, каждый глаз человека видит свой набор искорок на снегу перед собой. Когда искорки, которые видит каждый глаз, оказываются недалеко друг от друга, мозг автоматически совмещает их, и возникает иллюзия одной искры, находящейся либо под поверхностью снега, либо над ней. Если искорка, которую видит левый глаз, находится слева от той, которую видит правый глаз, кажется, что одна искорка вспыхнула под поверхностью (рис. 6.17a). Если же искорка, которую видит левый глаз, окажется справа от той, которую видит правый глаз, создается впечатление, что одна искорка вспыхнула над поверхностью (рис. 6.17б).

Рис. 6.17 / Задача 6.54.Две соседние искорки на снегу создают иллюзию одной искорки: a) под или б) над поверхностью снега.

При каких условиях на снежное поле опускается белая мгла , при которой человек перестает ориентироваться и ничего не видит? Почему при ярком свете пропадает тень? Иногда снежная мгла приводит к повреждению глаз, иногда даже к неизлечимой слепоте (так называемой снежной слепоте ). Опасаться белой мглы надо скорее в солнечный день или в пасмурный?

ОТВЕТ •Белая мгла бывает разной. Когда низовая метель поднимает вверх пушистый снег, видимость может упасть настолько, что, отойдя на несколько метров, легко потеряться. В другом случае белая мгла случается, когда земля покрыта белым снегом, а небо затянуто сплошными белыми облаками. Поскольку и снег, и облака хорошо отражают свет, освещение становится настолько диффузным (иначе говоря, рассеянным), что исчезают тени. Когда снег под ногами столь же яркий, как и облака над головой, горизонт неразличим, а небо и снег сливаются в одну белую пелену. Тогда может возникнуть ощущение, что вас окружает бесконечная белая пустота. Рассказывая о полярной экспедиции, длившейся пять лет, Вильялмур Стефанссон вспоминал, что обычно белая мгла опускалась и не в ясные дни, и не когда на небе была сплошная плотная облачность. Скорее, такая угроза возникала в тех случаях, когда солнечный свет пробивался через прикрывающие небо облака. Вот тогда можно не заметить и ледяную глыбу высотой в пол человеческого роста, не говоря уже о льдинах меньшего размера, о которые легко споткнуться.

Яркий видимый свет и интенсивное ультрафиолетовое излучение могут вызвать боль в глазах и даже привести к слепоте. До сих пор, чтобы уменьшить воздействие света на глаза, коренные жители Канады и Аляски защищают глаза маской из дерева или кости с узкими прорезями для глаз.

Некоторые лыжники утверждают, что при плохой видимости неровности на снегу (например, небольшие сугробы) видны лучше через очки с тонированными желтыми стеклами. Известный полярник Вильялмур Стефанссон рекомендовал янтарные очки при движении по заснеженным равнинам и ледяным полям. Действительно ли в таких условиях лучше видно через желтые очки?

ОТВЕТ •Одна из причин, по которой желтые очки могут быть полезны, такова. При плохой видимости сугробы менее заметны, поскольку взвешенные в воздухе частички рассеивают солнечный свет в область отбрасываемой сугробами тени. Поскольку контраст между тенью и снегом практически отсутствует, тень видна хуже. Если частички очень маленькие (их радиус меньше 0,2 мкм), они рассеивают синий и зеленый свет видимого спектра лучше, чем красный и желтый, то есть в область тени рассеивается мало желтого света. Если надеть желтые очки, будет виден только желтый свет, рассеянный снегом, а это значит, что легче будет различить тень от сугробов и определить, где они находятся.