ФИЗИКА. И НИКАКИХ ФОКУСОВ

Р. Ильинский, кандидат технических наук Мираж -- это реально

     Каждый, пожалуй, что-нибудь да слышал о миражах. Чаще всего вспоминают о миражах в пустыне. Вот как упоминается о них, к примеру, в старинном романсе "Караван".

Как иногда в томительной пустыне Мы видим образы далеких чуждых стран, Но то лишь призраки, и снова небо сине, И вдаль идет усталый караван...

     Первое научное объяснение этого явления связано с египетским (1799 г.) походом Бонапарта. Французский экспедиционный корпус продвигался тогда по пустыне к берегам Нила. Однообразие равнины нарушалось лишь небольшими возвышениями с расположенными на них деревнями.
     Днем, когда солнце начинало согревать земную поверхность, она начинала казаться затопленной наводнением, а деревни представлялись островками среди безбрежного озера. Под каждой из них видно становилось ее зеркальное отражение. Иллюзию дополняло отражение небосвода.
     Один из участников экспедиции, Гаспар Монж, объяснил явление, опираясь на законы преломления и отражения света. При отсутствии ветра, предположил он, слой воздуха у поверхности земли сильно прогревается. Его температура резко, порою до 30 градусов на сантиметр, падает по мере удаления от земли. Но чем выше температура, тем меньше показатель преломления воздуха. Получается, что у самой земли воздух преломляет свет слабее, чем на высоте в несколько сантиметров от нее. Тут-то и начинается самое удивительное.
     Мы с вами привыкли к тому, что свет распространяется прямолинейно. Однако это случается не всегда, а только тогда, когда показатель преломления среды во всех направлениях постоянен. На рисунке 1 показано, как изменяется направление света при прохождении через слоистую среду, например, пачку одинаковых по толщине пластин стекла различных сортов, в которой коэффициент преломления уменьшается от верхнего слоя к нижнему на одну и ту же величину. Что же в этом случае происходит?
     Во-первых, луч света приобретает форму ломаной линии. Ее изломы -- следствие того, что показатель преломления от слоя к слою меняется скачкообразно, дискретно. Если же дискретное изменение преломления заменить непрерывным, то вместо ломаной линии получится кривая. Если коэффициент преломления будет меняться не только непрерывно, но еще и равномерно, то луч света окажется близок по форме к кривой, которую называют "цепной линией". Такую форму имеет цепочка, подвешенная на двух гвоздях.
     Обратите внимание на самую нижнюю точку рисунка. Если во всех других слоях происходит преломление, то в самом нижнем -- отражение. Угол падения луча на границу между последним и предпоследним слоями таков, что происходит полное внутреннее отражение света.
     Тем зеркалом, в котором солдаты Бонапарта видели отражение холмов и деревень, был последний, расположенный у самой земли, наиболее сильно нагретый слой воздуха! Не следует думать, что мираж можно увидеть только в пустыне. Жители городов часто встречаются с ними, даже порою не сознавая того. Иногда в конце февраля -- начале марта случаются теплые ясные дни, когда солнце низко над горизонтом. Смотрите внимательно. Можно увидеть, как оно отражается... в черном асфальте. Бывает, в знойный летний день во время езды по шоссе случается миг, когда дорога вдруг становится как бы мокрой: хотя дождя нет и в помине, в ней четко отражаются встречные машины. Причина все та же -- наличие достаточно резкого перепада температур.
     Мираж над морем имеет иной характер. Он вызван повышением температуры воздуха с высотой. Поэтому зона отражения здесь лежит над нашими головами, и видны события, происходящие далеко за горизонтом.
     Особенно сильно эффект проявляется над полярными морями. Морякам не раз приходилось видеть, как за много миль от них самолеты и подлодки торпедировали суда, наблюдать страшные сцены взрыва. Гибнущие суда плыли мачтами вниз и погружались не в море, а в небо...
     Не все в миражах понятно до конца. Любопытные миражи отмечали газеты и журналы прошлого века. В небе над Атлантическим побережьем Африки появились четкие изображения незнакомых городов. Бывалые путешественники узнавали в них города Южной Америки... Но при всей загадочности этого явления мираж нетрудно воспроизвести в лабораторных условиях.
     Начнем с простого опыта, опубликованного в книге В.В.Майра "Полное отражение света в простых опытах" (Москва, 1986 г.), здесь дано подробное описание получения моделей миража в самых различных средах. Проще всего наблюдать мираж в воде (рис. 2). Закрепите на дне сосуда с белым дном темную, лучше черную, жестяную банку из-под кофе. Глядя сверху вниз, почти вертикально, вдоль ее стенки, быстро налейте в банку горячей воды. Поверхность банки сразу же станет блестящей. Почему? Дело в том, что показатель преломления воды возрастает с температурой. У горячей поверхности банки температура воды много выше, чем в отдалении. Вот и происходит искривление луча света так же, как при миражах в пустыне или на раскаленном асфальте. Банка кажется нам блестящей из-за полного отражения света.

     В одном из изданий "Занимательной физики" Я.И.Перельмана сообщается о модели воздушного миража, получаемого на листе железа, подогреваемом снизу газовой горелкой. При помощи включенного электрического утюга полный мираж получить не удастся, но зато видны основные его элементы. Если посмотреть на окружающие предметы вдоль поверхности утюга, то видно, как дрожат и изгибаются их формы. Круглый предмет, например циферблат часов, становится более острым книзу.
     В той же книге В.В.Майра есть подробное описание получения моделей миража в воздухе и в бруске оргстекла. Начнем с миража воздушного. Он создается в металлической кювете сечением 40х60 мм и длиной не менее метра. Ее боковая стенка разогревается при помощи кюветы с водой. Все это может быть спаяно из жести как единое устройство (рис. 3). Внутренняя сторона боковой стенки кюветы для воздуха не должна отражать свет. Для этого ее равномерно покрывают слоем чистого речного песка, приклеив его клеем БФ-2. Мираж наблюдается на нагреваемой кипятком боковой стенке.

     Конечно, это не тот мираж, с которым сталкивались войска Бонапарта, но не стоит огорчаться. Мираж на боковой стенке столь же настоящий! Такие миражи случаются в городе на сильно прогретых стенах домов. Будьте внимательны, и вы обязательно их увидите.
     Мираж в бруске оргстекла сечением 40х60 мм и длиною 100 -- 150 мм также получается, если нагреть его боковую стенку при помощи металлической кюветы с горячей водой. Торцы бруска должны быть прозрачными, остальные грани матовыми.
     Почему мы так подробно остановились на моделировании миражей? Прежде всего потому, что явление это красивое, порою загадочное, а видим мы его не часто. Но есть и другая причина. Оптические приборы традиционного типа основаны на прямолинейном распространении света. А есть и класс оптических приборов (их называют градиентной оптикой), который основан на криволинейном распространении света в среде с меняющимся по определенному закону показателем преломления. Хотя о таких оптических приборах мало кто слышал, область их применения огромна. Через всю территорию нашей страны тянутся мощнейшие волоконно-оптические линии связи, способные одновременно передавать тысячи (!) телевизионных каналов. Они относятся к градиентной оптике и работают на принципе миража в твердом теле. Миллионы лазерных принтеров радуют наш глаз отличным качеством печати. Но и они были бы невозможны без градиентной оптики. Сверхмощные лазеры при своей работе разрушают оптическую систему из обычных стеклянных линз. Выход из положения -- линзы газовые, представители класса приборов градиентной оптики, прирученный мираж в чистом виде.
     Не исключено, что на этих принципах будут созданы и сверхмощные телескопы. Но об этом в следующий раз.