Загадка явления зеленого луча, наблюдаемого в тропиках

Г.С.Иванов-Холодный

Введение

Многие слышали о существовании или сами наблюдали явление зеленого луча, возникающего при заходе Солнца: после того, как под горизонт опускается основная часть его диска, цвет исчезающего краешка последовательно меняется от оранжево-желтого до зеленого (а иногда и голубого). Процесс длится менее секунды (0,3-0,5 с). Явление объясняется тем, что вследствие рефракции последними видимыми солнечными лучами в атмосфере Земли оказываются зеленые и голубые участки спектра, для которых эффект рефракции сильнее.

Результаты наблюдений

Ниже пойдет речь о другом явлении, имеющем близкое название, - вспышка зеленого луча, которая наблюдается лишь на широтах тропиков. Вспышка зеленого луча в виде горизонтально вытянутой области свечения происходит сразу после захода Солнца, отличается высокой яркостью и характерным изумрудно-зеленым цветом. Область свечения оторвана от края диска Солнца и имеет большую протяженность, чем видимая перед тем последняя «горбушка» Солнца. Явление обладает длительностью более 2-3 секунд, доходя до 10 секунд. Обычно оно наблюдается с палубы корабля над морским горизонтом, но его наблюдают и с суши, даже в горах. Зная заранее момент и азимут восхода Солнца, изумительную вспышку изумрудного цвета удается увидеть не только после захода, но и перед самым восходом Солнца. Длительность вспышки настолько велика, что даже хватает времени, чтобы ее сфотографировать. Недавно фотографии были опубликованы, одна - на обложке L'Astronomie (Oct. 1986, N 100), другая - в Sky and Telescope (March 1989, p. 254-259). B Sky and Telescope, (Feb. 1992, p. 200) Б.Е.Шефер сообщает, что с вершины горы Сьерро Тололо в Чили он наблюдал чудесную вспышку зеленого луча в течение 14 секунд. На Гавайях чета А. и М. Мейнелов наблюдала вспышку зеленого луча, несмотря на сильное покраснение заходящего Солнца. Такие особые случаи, по мнению Б.Е.Шефера, никак нельзя объяснить в рамках представлений об эффекте обычного зеленого луча. С другой стороны, загадочное явление вспышки зеленого луча пока не получило никакого объяснения.

Автор статьи неоднократно наблюдал это явление как вечером, так и утром (и фотографировал его) с борта научно-исследовательского судна «Профессор Визе» в тропической Атлантике в апреле-мае 1978 г. При наблюдении с верхней палубы корабля длительность изумрудной вспышки несколько возрастала, что облегчало ее фотографирование. На фотографии цвет свечения искажается из-за неправильного подбора экспозиции. Было ясно видно, что по окончании обычного явления атмосферной рефракции, когда цвет луча от края Солнца последовательно переходит от желто-оранжевого к зеленому, дополнительно наблюдается другое явление - вспышка зеленого луча. Область свечения в отличие от вида горизонта представляется нерезкой, как бы расфокусированной, что видно и на фотографиях.

Основные особенности явления

Прежде чем начинать говорить о конкретной оптической схеме, подытожим главные особенности наблюдаемого явления.

1) Эффект наблюдается в тропиках.

2) Линия наблюдения проходит вблизи направления на горизонт в том месте, где Солнце скрылось при заходе или должно взойти при восходе. Поэтому область свечения вспышки по вертикали отстоит немного от края солнечного диска. Учитывая, что длительность вспышки зеленого луча превосходит 2-3 с, можно оценить, что область свечения простирается более, чем на 1-1,5 угловых минуты над краем диска Солнца.

3) Изображение нерезкое, как бы расфокусированное, и к тому же вытянуто по горизонтали. Горизонтальная протяженность области свечения на порядок превосходит вертикальный размер.

4) Длительность свечения вспышки возрастает с увеличением высоты наблюдения.

5) Цвет свечения - изумрудно-зеленый.

Обычно при поиске механизма образования явления вспышки зеленого луча не рассматривают всю совокупность этих фактов, да и многие из них стали известны лишь недавно.

Пути объяснения явления вспышки зеленого луча

В природе известно явление, которое чем-то напоминает рассматриваемое. При наличии изморози, взвешенной в атмосфере, часто наблюдается образование цветных колец или венцов вокруг Солнца или Луны. Интенсивность свечения велика, т. к. солнечные венцы наблюдаются на фоне дневного неба. В отличие от гало, которое наблюдается чаще, но не имеет вида отдельных радужных колец, а представляет собой протяженную область белесоватого свечения (т. к. это есть размытая совокупность венцов разного размера), чистые венцы образованы диффракцией света на частицах, обладающих примерно одинаковыми размерами. Поскольку наблюдаемый угол диффракции составляет 0,5-5°, то можно оценить, что размер этих частиц лежит в интервале 10-100 микрон. Если при наличии венца произойдет, например, заход Солнца за горизонт, то при определенных условиях некоторое время может быть видна часть венца над горизонтом. Ситуация сходна с той, при которой бывает видна часть радуги, хотя Солнце при этом может для наблюдателя быть закрыто облаком.

По аналогии с этим можно себе представить геометрическую схему образования явления диффракции солнечного света на расположенном над поверхностью Земли облаке частиц одинакового размера (область 1 на рис. 1). Свечение будет наблюдаться после того, как Солнце зайдет за горизонт. При подходящем подборе размеров частиц можно удовлетворить ряду характеристик явления вспышки зеленого луча, перечисленных выше. Наибольшую трудность тут представляет объяснение длительности вспышки и ее изумрудно-зеленого цвета.

Однако кроме рассмотрения эффектов взаимодействия лучей солнечного света с атмосферой на больших высотах (область 1 на рис. 1) может быть альтернативный подход, когда рассматриваются эффекты, наоборот, в самой нижней точке траектории лучей (область 2 на рис. 1).

Наблюдения вспышек зеленого луча производят неизгладимое впечатление, и многие астрономы и физики пытались дать объяснение этому явлению. Насколько серьезно этой проблемой занимался знаменитый экспериментатор Роберт Вуд, можно прочесть в его «Физической оптике», в которой описан специальный лабораторный опыт. При слоистой смеси из трех подходящих жидкостей в кювете из-за рефракции наблюдалось отклонение луча света от горизонтали, при этом по ходу луча происходило отклонение и вверх, и вниз на протяжении всего одного метра. Именно этот эффект своеобразного миража заходящей за горизонт части Солнца может быть положен в основу объяснения вспышки зеленого луча.

В атмосфере Земли часто складываются условия, вызывающие сильную рефракцию лучей света и даже их полное внутреннее отражение от градиенов, или стратифицированных слоев плотности и температуры, в атмосфере. Наиболее известны среди них эффекты бликов над горячим шоссе, а также явление миража.

В нижней части траектории лучей (область 2 на рис. 1) могут происходить и другие явления. Например, в ИЗМИРАНе д.ф.-м.н. А.В.Попов предложил рассмотреть следующую схему. При прохождении луча солнечного света близко от морской поверхности рефракция света может происходить на вершинах наиболее высоких волн, работающих как оптические призмы. Эта гипотеза могла бы объяснить зеленую окраску луча как результат прохождения его через значительную толщу морской воды, имеющей, как известно, минимум поглощения в зеленой область спектра. Конкретный расчет пути лучей по этой схеме пока не производился.

Вернемся к рассмотрению эффекта полного внутреннего отражения при косом падении лучей, который происходит на отрицательном градиенте коэффициента преломления в приземной атмосфере. Мы предполагаем, что над теплой поверхностью океана в тропических широтах создаются благоприятные условия для осуществления этого эффекта при наблюдении на больших расстояниях, чему есть определенные свидетельства. Проведем качественное рассмотрение следствий такого эффекта в свете перечисленных выше особенностей явления вспышки зеленого луча.

1) Разделение моментов наблюдения самого Солнца и лучей, испытавших полное внутреннее отражение, в данном случае очевидно. Оценим количественно временной сдвиг между ними, а также зависимость длительности явления от высоты наблюдения h. Известно, что чем выше точка наблюдения над уровнем моря, тем дальше от нее располагается область горизонта. При этом область горизонта является довольно протяженной, хотя для наблюдателя горизонт и выглядит как край некоторого экрана. Расстояние до нее, как известно, с хорошим приближением возрастает пропорционально , и чем она дальше, тем, естественно, больше ее размер при прочих равных условиях и тем дольше для наблюдателя она освещается лучами заходящего Солнца. Высота верхней палубы большого корабля в 2-3 раза больше, чем нижней, поэтому следует ожидать, что в этих двух случаях длительность наблюдения явления отличается в 1,4-1,7 раза. При наблюдении с гор высотой в 3-4 тыс. метров оценка длительности вспышки возрастает в 10-20 раз (что и наблюдал Б.Е.Шефер).

2) Пространственное разделение Солнца и области свечения. С увеличением высоты точки наблюдения возрастает не только длительность вспышки зеленого луча, но и угловое расстояние области свечения от края солнечного диска, которое также пропорционально .

3) Эффект сферического зеркала. Точки свечения рассматриваемого блика от неоднородно стратифицированной атмосферы расположены на поверхности сферы - коаксиальной поверхности океана. Освещающий ее почти параллельный пучок лучей, идущий от небольшой части солнечного диска, до момента полного захода еще может освещать область блика. Отражаясь от этого сферического зеркала, он образует мнимое изображение края Солнца, то есть мираж. Поэтому оно нам кажется размытым. Из-за косого падения лучей возникает эффект астигматизма, который приводит к расфокусировке и вытягиванию изображения по горизонтали. Это соответствует наблюдаемым фактам, отмеченным выше.

4) Зависимость от длины волны. Ясно, что рассмотренное выше сферическое зеркало представляет собой известную идеализацию. Из-за флуктуаций неоднородности атмосферы, влияния эффектов ветра, пятнистой структуры температуры океана и т. п. зеркало не представляет собой сплошной поверхности, а его элементы располагаются в определенной области высот. Точка наблюдения находится на расстоянии, которое много больше размеров неоднородностей. В этих условиях следует учесть эффект рассеяния света на неоднородностях. Известно, что качественно, как при косом отражении лучей света от матовой поверхности, при этих условиях интенсивность рассеянного света пропорциональна . В случае молекулярного рассеянного солнечного света на неоднородностях атмосферы установлено, что a=4, и в итоге цвет неба получается голубым. При меньшем значении цвет рассеяного солнечного света соответствует меньшему сдвигу в коротковолновую часть спектра и может стать зеленым (даже изумрудно-зеленым). Этот вывод требует экспериментальной проверки.

Таким образом, приняв схему полного отражения солнечного света на отрицательном градиенте коэффициента преломления атмосферы в точке видимого горизонта, можно попытаться объяснить всю совокупность наблюдаемых фактов вспышки зеленого луча как эффект своеобразного миража заходящей части диска Солнца. Развиваемое нами представление о вспышке зеленого луча и его механизме находится вне традиционных подходов. Предполагаемое объяснение всей совокупности наблюдаемых эффектов позволяет вести организацию и планирование исследования явления в качественно новом направлении, проводить различные эксперименты и наблюдения по уточнению и проверке эффектов. Убедительные аргументы могли бы дать спектральные наблюдения зеленой вспышки.

Рис. 1 Прохождение луча света от Солнца через атмосферу к наблюдателю А. В области 1 пунктиром показано облако частиц, расположенное в слое на определенной высоте. В области 2 луч света испытывает полное внутреннее отражение.