По законам оптики

На берегу пруда растет ива. В спокойной воде, как в зеркале, мы видим ее отражение.

Почему? Лучи света, отраженные деревом, растущим на берегу пруда, попадают в наши глаза двумя путями: одни проходят прямо через воздух, и мы видим изображение дерева, а другие отражаются от зеркальной поверхности пруда и, попадая в глаза, образуют второе - уже перевернутое изображение дерева. Ведь наши глаза не могут обнаружить искривления световых лучей, они воспринимают изображение предметов всегда так, как будто от них идут прямолинейные лучи. Поэтому мы видим изображение, ивы, отраженной зеркальной поверхностью воды, на прямой линии, идущей от глаз к воде.

Вот таким же зеркальным отражением различных предметов, растений, людей является мираж. Только зеркалом здесь служит не стекло, не вода, а сам воздух.

При каких же условиях возникает это атмосферное зеркало?

Мы привычно полагаем, что лучи света распространяются в воздухе прямолинейно. Но если говорить строго, это далеко не так. Ведь окружающий нас воздух неоднороден, он состоит из слоев различной плотности. А значит, в нем не может быть и прямолинейного распространения света. Таковы законы оптики. Понять их совсем нетрудно.

В стакан чая опущена ложка. Она кажется переломленной. Причина в различной плотности воды и воздуха. Переходя из одной среды - менее плотного воздуха - в другую, более плотную, - воду, лучи света изменяют свой прямолинейный путь, причем совершенно определенным образом - они отклоняются в сторону более плотной среды. В нашем случае - воды. Переходя из стекла в воду, световой луч преломляется в сторону стекла, плотность его больше, чем у воды.

А когда свет проходит через атмосферу? Каждый раз, когда луч из воздушного слоя одной плотности попадает в слой воздуха, плотность которого несколько иная, он хотя немного, но преломляется, изменяет свой прямолинейный путь.

Стоит вспомнить: летом постройки, деревья на горизонте как бы дрожат, колышутся. Понятно, что дрожат не они, а их изображения. Но что это означает? Выходит, что лучи света, отраженные этими предметами и идущие к нашим глазам, беспрерывно изменяют свое направление. Другими словами, путь их совсем не прямолинеен.

Такое преломление лучей в атмосфере называют рефракцией. Небольшая рефракция происходит всегда (исключая только один случай, когда лучи от небесного тела падают в наш глаз отвесно). Благодаря этому преломлению небесные светила кажутся нам расположенными несколько выше, чем они находятся в действительности. Вечером мы видим солнце еще 5-10 минут после того, как оно уйдет за горизонт. Изображения далеких предметов мы видим немного выше и ближе в сравнении с действительным положением этих предметов.

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 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 нижний, мираж.

Возьмем тот же пример - с миражем в пустыне. 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.

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.

Плотность воздуха в двух смежных слоях в этом случае далеко не одна и та же. И вот в таких условиях где-то на горизонте перед караваном показывается озеро-призрак, а в действительности это отражение неба в нижнем атмосферном зеркале.

Воздушное зеркало может появляться и в верхних слоях атмосферы - в нем мы можем увидеть отражение далеких предметов, которые в обычных условиях закрыты горизонтом. Мы видим тогда их значительно выше и ближе по сравнению с тем, где они находятся в действительности.

В каких условиях появляется верхнее воздушное зеркало? Бывает так: 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.

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.

В зависимости от характера отражения верхним воздушным зеркалом иногда мы видим мираж прямо над нами, высоко в воздухе, в виде перевернутого изображения. Такие миражи даже более часты. Известен рассказ путешественника, который в Италии, на берегу моря, увидел в воздухе перевернутое изображение целого города. Были ясно видны дома, башни, улицы. Пораженный, он поспешил зарисовать увиденное, а затем в поисках причин необычного явления пошел дальше. И через несколько километров он вышел к тому самому городу, изображение которого в воздухе увидел ранее.

В 40 километрах от Ленинграда, на берегу Финского залива, находится город Ломоносов. Ленинград отсюда обычно виден очень плохо. Однако бывают дни, когда жители города видят Ленинград как на ладони. Изображение его появляется в воздухе. Тогда из Ломоносова ясно видно отражение Невы, мостов, отдельных высоких зданий. И тут мы встречаемся с прямым отражением предметов в необычном атмосферном зеркале, которое как бы покрывает землю.

Наконец, бывает и так, что высоко в воздухе появляется двойной верхний мираж - прямое и перевернутое изображения вместе. Такое явление наблюдается, когда в атмосфере неравномерно распределены слои воздуха различной плотности. А если слой теплого воздуха лежит между двумя более холодными, то создаются условия для тройного миража. Это бывает в полярных морях.