Но какое отношение имеет свет к миражам? Самое непосредственное.
Проходя через атмосферу — другими словами, через слои различной плотности, — свет проходит, по существу, через различные среды. При этом каждый раз, когда световой луч из воздушного слоя одной плотности попадает в слой воздуха, плотность которого иная, он хотя немного, но преломляется, изменяет свой прямолинейный путь, подобно тому как это происходит на границе воздуха и воды.
Вспомните знакомую картину: в жаркий летний день все предметы на горизонте как бы дрожат, колышутся. Понятно, что на самом деле дрожат не предметы, а их изображения. Но что это означает? Лучи света, отраженные предметами и идущие к нашим глазам, беспрерывно изменяют свое направление. Другими словами, путь их совсем не прямолинеен.
Небольшие преломления световых лучей в атмосфере (рефракция) происходят всегда, исключая только один случай: когда лучи от небесного тела падают на земную поверхность отвесно. Благодаря рефракции мы видим небесные светила несколько выше, чем они находятся в действительности. Вечером мы видим солнце еще 5—10 минут после того, как оно в действительности уже уйдет за горизонт.
Точно так же и изображения всех далеких предметов мы видим немного выше и ближе в сравнении с их действительным положением.
Рефракция света в атмосфере Земли — явление обычное, повсеместное. И чаще всего мы ее попросту не замечаем: преломления лучей света незначительны, и они не смещают и не искажают изображения видимых предметов заметным образом. Но бывает и иначе.
Иногда лучи света отражаются от некоторых слоев воздуха, как от зеркала, и потому значительно искривляются. Так бывает, например, летом, когда солнце сильно нагревает земную поверхность. От земли согревается воздух, особенно его нижние слои. Они становятся менее плотными. Лучи света, идущие от каких-либо предметов к земле, отражаются от такого слоя, как от поверхности воды, идут вверх и попадают в глаз наблюдателя. Вот тогда-то мы и видим «озерный», или, как его еще называют, нижний, мираж.
Разберемся в нем подробнее.
...По нескончаемым холмистым пескам медленно движутся «корабли пустыни» — верблюды. Словно раскаленные в печи, пышут жаром песок и камни. Воздух недвижим. Небо затянуто красноватой мглой, в которой потонуло солнце и потерялся горизонт. Но вот впереди появляется большая блестящая поверхность. Набегающий ветерок рябит воду.
Озеро?
Нет, оптический обман. Воздушное зеркало здесь находится у поверхности земли (поэтому и мираж называют нижним).
От раскаленного песка здесь сильнее всего нагрет самый нижний слой воздуха, и потому он сильно разрежен. Воздух, лежащий выше, нагрет меньше, поэтому он более плотен.
Чаще всего так бывает в первую половину дня, когда воздух, прилегающий непосредственно к земле, уже прогрелся, а верхние слои еще холодные. Плотности воздуха в двух смежных слоях могут в этом случае сильно отличаться друг от друга. И вот в таких условиях где-то на горизонте перед караваном показывается озеро-призрак, а в действительности — отражение неба в нижнем атмосферном зеркале.
Посмотрите, как это зеркало отражает от себя изображение какого-либо предмета, скажем — пальмы (см. рис.). Мы видим ее вдали, у горизонта. Она отражает падающий на нее свет во все стороны. При этом часть отраженных лучей попадает нам в глаза обычным путем — по прямой линии, и мы видим дерево. Но не только они попадают в наши глаза. Проследим, как йойдут те лучи, которые отражаются от пальмы вниз. Здесь они переходят из плотных верхних слоев воздуха в нижние, менее плотные, и благодаря этому преломляются. Вы уже знаете: выходя из более плотного слоя воздуха в слой с меньшей плотностью, луч преломляется в сторону более плотного слоя.
В результате отраженные пальмой лучи света будут все более и более искривляться, причем это искривление доходит до того, что они отражаются от нижнего, самого теплого и самого разреженного слоя воздуха, как от зеркала. Свет идет снова вверх и попадает в глаза наблюдателя. Получается, что мы видим лучи света, отраженные книзу.
Но почему изображение видно «вниз головой»? Да потому, что наши глаза не замечают искривления световых лучей. Поэтому мы видим второе изображение в том месте, где заканчивается прямая линия, если ее мысленно провести от глаз наблюдателя к воздушному зеркалу, в котором отразилось изображение.
Здесь происходит то, что хорошо знакомо каждому: на берегу пруда растет старая ива, и человек видит два ее изображения — одно обычное, а другое перевернутое, отраженное от зеркальной поверхности воды. Вся разница в зеркале.
Легкие колебания отражающего слоя воздуха (нет покоя в атмосфере!) создают полную иллюзию водной глади, покрытой рябью.
В Северной Африке такие «озера пустыни» обыденны. Накаленная за день солнцем, к вечеру знакомая местность превращается в землю, охваченную сплошным наводнением. Все, что находится в трех-четырех километрах, окружено водой. Поселения выглядят словно острова среди обширного озера.
Станешь приближаться к деревне, и берег мнимой воды все удаляется, водный рукав, отделявший нас от деревни, постепенно суживается, пока не исчезнет совсем, а озеро, по виду все такое же, начинается дальше — все на том же недосягаемом расстоянии.
Мираж нижний — самый немудреный в семье воздушных призраков. Интереснее и сложнее другие «братья».
На Женевском озере в Швейцарии наблюдают такой необычный мираж: когда по озеру плывет лодка, сбоку ее плывет призрак-близнец.
Что тут происходит, можно догадаться: воздушное зеркало как бы поставлено вертикально. Точнее говоря, оно здесь возникает. При этом воздух нагревается не земной поверхностью, а стеной здания, отвесной скалой ущелья и т. д. Воздушный слой, который к ним прилегает, нагрет сильнее всего и потому более разрежен, чем соседний с ним. На границе между этими двумя слоями образуется воздушное зеркало.
Помните «Ущелье привидений»? И там мы встречаемся с боковым миражем.
Кстати, каждый из вас может увидеть такой мираж. Встаньте около сильно нагретой стены поближе и смотрите вдоль нее. Вы увидите двойное изображение находящихся около стены предметов: изображение прямое и изображение отраженное.
Итак, воздушное зеркало у поверхности земли... Зеркало, поставленное вертикально... А зеркало вверху?
Бывает и такое.
Рано утром, когда нижние слои воздуха еще остаются сильно охлажденными от соприкосновения с землей, верхние слои оказываются более теплыми. В этих условиях вверху может образоваться отражающий слой воздуха, и мы увидим изображения далеких предметов.
В таком зеркале могут отражаться и те предметы, которые скрыты от нас за горизонтом. Наши глаза, как уже сказано, не воспринимают преломление световых лучей, идущих от того или иного предмета. Поэтому мы видим далекий предмет значительно выше, а также ближе, чем в действительности.
На берегу Финского залива, в сорока километрах от Ленинграда, находится город Ломоносов. Ленинград отсюда обычно виден очень плохо. Однако бывают дни, когда жители видят город
Ленина как на ладони. Изображение его появляется в воздухе. Ясно видна Нева, мосты, отдельные здания. Это один из многочисленных примеров верхнего миража.
Верхние миражи в отличие от нижних чаще видят на море, а также в приполярных широтах, где почти всегда нижние слои атмосферы холоднее верхних. На севере это часто бывает зимой и весной, в дни, когда с юга дует теплый ветер, а нижние слои воздуха остаются холодными от снега.
На море можно увидеть при верхнем мираже изображения далеких островов и кораблей, которые находятся за горизонтом. «Я так отчетливо видел в бинокль контуры и оснастку корабля, — писал один полярный путешественник, — что не колеблясь признал его за корабль моего отца. Впоследствии, сравнивая наши лоции, мы убедились, что были на расстоянии пятидесяти пяти километров друг от друга*, то есть они не могли видеть друг друга.
