Загадки природы

Тень в светлом пятне

Рисунок В.В.Солдатенко по описанию очевидцев К.С.Лазаревича и В.А.ГрибоваОт редакции. Мы приводим сначала «инициативное» сообщение с описанием явления и вариантом его объяснения, в котором редакция мало что поняла: оригинальная терминология («падающие» и «собственные» тени), отсутствие описания конкретных условий наблюдения эффекта, в том числе и размеров участвующих в нем объектов. Обратившись за консультацией к нашим авторам, мы получили еще два варианта объяснения. Однако ни одно нас так и не удовлетворило. Пришлось залезть в интернет, там-то мы и нашли приемлемое и внятное объяснение, которое также приводим. Обсуждаемый эффект затрагивает область геометрической оптики, законы перспективы, особенности восприятия человеческого глаза и физику атмосферы. Заодно мы нашли описания массы других интересных оптических эффектов и намереваемся постепенно ознакомить с ними наших читателей. Надеемся, что и читатели смогут сообщить что-то полезное, прислать фотографии, а может, и дать варианты простых объяснений (к сожалению, чтобы понять приводимые в литературе, требуются далеко не школьные знания).

Ждем ваших писем!

Описание эффекта и его первое объяснение

Когда в ясную погоду летишь на небольшой высоте на вертолете или самолете, можно видеть скользящую по земле тень своего летательного аппарата. Если лететь прямо, не меняя направления, эта тень долгое время будет находиться в одном и том же направлении по отношению к наблюдателю. И присмотревшись, можно заметить, что по поверхности земли перемещается светлое пятно, а тень находится как раз в его середине.

Откуда тень, ясно. Но откуда светлое пятно? В качестве подсказки можно добавить, что лучше всего этот эффект проявляется, когда земная поверхность покрыта лесом. Впрочем, светлое пятно приходилось наблюдать даже в пустыне.

Приходят в голову всякие объяснения, вплоть до очень сложных. Вспоминают даже дифракцию: лучи огибают преграду (самолет или вертолет) и уже позади нее фокусируются, создавая повышенную освещенность... Нет, все гораздо проще. Любой предмет, освещенный направленными лучами, имеет «собственную» тень и создает «падающую» тень. Собственная тень – это неосвещенная сторона самого предмета. Падающая тень – это участок, загороженный предметом от прямых лучей. Когда мы смотрим сбоку на дерево, освещенное солнечными лучами, мы видим, что часть его кроны освещена, часть затенена. Возле дерева видим освещенную поверхность земли и падающую тень дерева. Когда же смотрим прямо по направлению солнечных лучей, туда, где тень самолета или вертолета, то собственные тени древесных крон нам не видны, они прячутся за освещенными сторонами крон. Не видны нам и падающие тени: они загорожены освещенными деревьями. Чуть в сторону – и мы уже видим небольшие участки собственных и падающих теней, еще в сторону – эти участки становятся побольше. Поэтому границы видимого нами светлого пятна нечетки, размыты.

Статья подготовлена при поддержке сервиса «pechkin-mail.ru». Если вы решили рассылать информацию своим подписчикам, то оптимальным решением станет обратиться в сервис «pechkin-mail.ru». На сайте, расположенном по адресу www.pechkin-mail.ru, вы сможете, не отходя от экрана монитора, заказать рассылку по электронной почте. Более подробную информацию о ценах и акциях действующих на данный момент вы сможете найти на сайте www.pechkin-mail.ru.

Поверхность земли не бывает совершенно ровной, на ней всегда есть предметы, которые имеют собственные тени и отбрасывают падающие. Поэтому этот эффект прослеживается и без всякого леса. И не нужно для объяснения привлекать дифракцию.

К.С. Лазаревич,
газета «География», ИД «Первое сентября»

Соображения по поводу возможных объяснений

Все та же ты, заветная святыня,
На облаке, незримая земле,
В венце из звезд, нетленная богиня,
С задумчивой улыбкой на челе.

А.Фет

Совсем недавно перестала наконец изнурять назойливая реклама чего-то, самоуверенно утверждавшая, что «все новое – это забытое старое», раздражавшая именно словом «все». Правда, еще в XIV в. Дж.Чосер говаривал почти так же: «Нет того нового обычая, который не был бы старым», но... что позволено Юпитеру, не положено быку.

В этот самый момент редакция газеты «Физика» предложила вопрос, как говорится, на засыпку: почему тень на земле от летящего самолета бывает видна его пассажиру в светлом ореоле, добавив и вариант объяснения в сообщении К.Л. Вот что интересно: это событие подтверждает справедливость той самой рекламы – ну, было, было... Не то чтобы я видел такой загадочный феномен своими глазами, да я уж и не помню, когда поднимался в воздух в последний раз, но точно, было это еще до нашей великой перестройки. Нет, просто дело в том, что нечто похожее наблюдал и рассказал об этом сотрудник американской военно-морской лаборатории Батлер [C.P.Butler. Journal of the Optical Society of America, 1955, V. 45, p. 328].

Ранним утром 25 февраля 1954 г. летел он в юго-западном направлении над долиной Сакраменто на высоте примерно 10 000 футов (скажем, 3 км). Плоскую равнину освещали косые лучи солнца, находившегося приблизительно в десяти градусах над горизонтом. Тень от самолета, конечно, нельзя было разглядеть, ведь расстояние до нее получалось что-то около 10 миль, или полтора десятка километров, а при этом «размеры самолета слишком малы, чтобы закрыть солнце» (to cover the Sun). Но вот в том месте, где этой тени полагалось быть при точечном источнике света, отчетливо виднелось яркое пятно белого света приблизительно круглой формы (roughly circular). Пятно исчезало, когда «тень» приходилась на вспаханную землю, но снова появлялось на следующем зеленом участке. На траве и на листьях в это время бывает обильная роса, особенно рано утром. Вероятно, это было первое наблюдение подобного пятна с борта самолета, но пилотам и пассажирам воздушных шаров феномен был известен задолго до того, даже название красивое было придумано, видимо, известным исследователем и писателем М.Миннартом – Heiligenschein, – что я осмелюсь перевести как святое свечение, или хотя бы святое пятно. [Мы бы перевели это как тень святого. – Ред.] Замечу в скобках, что американский научный работник сообщает лишь факт, а в толковании проявляет предельную осторожность и сдержанность, – только дилетанты с удовольствием занимаются делом, в котором ничего не понимают.

Факты в изложении К.Л. выглядят несколько иначе: в ясную погоду с летящего на небольшой высоте самолета или вертолета неоднократно наблюдалась скользящая по земле тень летательного аппарата: «...присмотревшись, можно заметить, что по земле перемещается светлое пятно, а тень находится как раз в его середине». Видно это пятно даже в пустыне, но «лучше всего этот эффект проявляется, когда земная поверхность покрыта лесом».

Совсем из другого частного сообщения узнаю, что «я сама наблюдала это явление, более того, наблюдала и просто светлое пятно без всякой тени в центре (на облаках)». И этот факт давно замечен профессионалами-оптиками: в 1962 г. была опубликована статья трех авторов [J. Sci. Instr., 1962, v. 39, p. 384], обнаруживших обратное (ретро) рассеяние пучка света на белой поверхности оксида магния (это, кстати, эталонная диффузно рассеивающая поверхность во многих оптических приборах). Еще через несколько лет более точные измерения Дж.Говарда из Мельбурна подтвердили наличие максимума отраженного обратно света, падающего под произвольным углом на рассеивающую поверхность [Nature, 13 December 1969, p. 1102].

Замечательно простой и эффективный прибор создал Дж.Престон [Nature, 11 March 1967, p. 1007] и наблюдал с его помощью обратное отражение просто глазами, не прибегая к чувствительным фотоэлектронным умножителям. Излучение мощного источника малого размера или лазера проходило через делительную стеклянную пластинку, поставленную под углом к излучению, и можно было регистрировать свет, отраженный обратно. По этой схеме сегодня можно наблюдать так называемые спеклы – зернистую структуру ярко освещенной поверхности. И здесь бросается в глаза сдержанность и аккуратность выражений специалиста: «Я не смог найти в литературе объяснение этого эффекта. Предполагается, что это какая-то разновидность Святого сияния, светлого нимба вокруг тени от самолета, созданной лучами Солнца на лесе и наблюдаемой с того же самолета», – и далее допускается возможность дифракционного расширения отраженного пучка.

Для контраста процитирую первое частное сообщение: «Приходят в голову всякие (! – М.С.) объяснения, вплоть до очень сложных (? – М.С.). Вспоминают даже дифракцию: лучи огибают преграду и уже позади ее фокусируются, создавая повышенную освещенность (где и чего? – М.С.).» Стоп-стоп!.. Здесь подробнее, пожалуйста, заявление претендует на сенсацию. Дифракция – явление природы, а законы природы тем и отличаются от принимаемых нашей юной демократией, что никогда не нарушаются. Если свет может огибать препятствие, он это непременно и делает, каким бы препятствие не было, – самолет это или кончик иглы. Совсем иная история – наблюдаемость явления природы человеком. Что-то мы должны учесть и предпринять, чтобы обнаружить явление, например, огибание светом конкретного препятствия в определенных условиях.

Не претендуя на понимание и объяснение этого непростого явления, напомню другое, на стыке физики и физиологии, – так называемые полосы Маха. На резкой границе света и тени глаз видит кайму. Описание одного из вариантов соответствующего опыта приводит, например, Дж.Уокер в своем «Физическом фейерверке» (нарочно не назову страницу и номер эксперимента, может быть, кто-то любопытный полистает эту замечательную сокровищницу физических опытов и получит большое удовольствие).

Лично от себя добавлю старое наблюдение. Занимаясь когда-то любительским кино, многократно замечал потрясающую разницу в качестве движущегося изображения на экране и проекции в режиме «стоп-кадр». Как раз плохое, нерезкое изображение неподвижной картинки при размере кадрика примерно 4 на 5 мм с увеличением до метровой величины очень понятно, учитывая зернистость фоточувствительного слоя бытовой пленки шосткинского завода, с разрешением около 30 линий на миллиметр. Но почему все становится таким четким и красивым, когда включается лентопротяжный механизм кинопроектора, – вот вопрос! Вероятно, это результат блестящей работы той вычислительной машины, которой снабдила даже самого тупого человека матушка-природа. Этим же свойством глаза, соединенного с мозгом, только и могу объяснить нашу способность прилично видеть предметы сквозь слой чистой воды, хотя и не должно этого быть, если читателя это не шокирует. В самом деле, в хорошем вузовском учебнике можно прочитать, что при переходе светового пучка через плоскую границу он перестает быть гомоцентричным. Проще говоря, изображение точки уже не будет точкой. Но это тема отдельного разговора...

Еще один фактор, возможно, следует учитывать. Все видели известную картинку, без которой не обходится ни одна книга об иллюзиях зрения, – белая решетка на черном фоне (например, в книге Дж.Грегга «Опыты со зрением» издания 1970 г. ее можно увидеть на с. 71). На пересечениях белых линий глаз определенно видит серое пятно, так и хочется его смахнуть. Как говорил Нобелевский лауреат по медицине и физиологии
И.П.Павлов, «...здесь, как и всюду в физиологии, гораздо больше остается непознанного, чем известного» (цитирую в обратном переводе с английского, может быть, пострадал стиль, но мысль точная).

Наконец, позволю себе напомнить одну публикацию в газете «Физика». В № 46/99 Н.Н.Иванова нашла любопытную цитату из Л.Н.Толстого: «...Когда в солнечное утро, летом, пойдешь в лес, то на полянах, в траве, видны алмазы, все алмазы эти блестят и переливаются на солнце разными цветами – и желтыми, и красными, и синими. Когда подойдешь ближе и разглядишь, что это такое, то увидишь, что это капли росы собрались в треугольных листьях травы и блестят на солнце». Тогда редакция добавила, что это можно объяснить «значительной дисперсией солнечного света при преломлении лучей на границе среда–воздух, если среда обладает большим показателем преломления». Нельзя сказать, что вода отличается очень уж большим показателем преломления, но если вы смотрите с большого расстояния, да солнце подглядывает через ваше плечо, – это же как раз то, что необходимо для наблюдения радуги, хотя и не все условия.

Но вообще-то, как хорошо, что и сегодня есть люди, которых годами беспокоит какой-то солнечный зайчик и предметы на земле, имеющие «собственную» тень и создающие «падающую», люди наблюдательные и вдумчивые. Пусть принесут им радость их проблемы!

Модельные опыты и объяснения к ним

Как и автор наблюдения, полагаю, что не дифракция является причиной светлого пятна, в котором оказывается тень летящего самолета (или вертолета). Дело в том, что летящие аппараты создают в воздухе значительные изменения плотности, в несколько раз превосходящие нормальную. В результате среда, окружающая летательный аппарат, становится способной, как линза в воздухе, преломлять лучи света, что и приводит к световым эффектам типа обсуждаемого. Могут быть и другие причины, например, тепловая конвективная неоднородность атмосферы в приконтактной с обшивкой самолета области. Эксперименты с летящим самолетом и солнцем весьма дорогостоящи, но эквивалентом может быть эффект искривления поверхности воды при ее контакте с посторонним телом.

Итак, имеем закрытое помещение (2,5x2,5 м) с двумя источниками освещения – настенным плафоном и лампочкой на высоте 1,5 и 1,0 м соответственно над раковиной с пробкой, предотвращающей сток воды. В воду на проволоке погружали ягоду клюквы, которую затем постепенно поднимали из воды и наблюдали за видом и положением теней и бликов (фото 1): а – ягода полностью погружена в воду; б – ягода поднята почти под поверхность воды; в – ягода над водой, но касается поверхности; г – ягода полностью вынута из воды. Четко различаются три теневые области: самая светлая – результат освещения двумя источниками (плафоном и лампочкой), а также рассеянным светом; промежуточная (в которой расположена ягода) – результат прямого освещения только лампочкой и рассеянным светом; темная – результат освещения только рассеянным светом. В случае в тень ягоды размывается, почти исчезает, зато прямо в ее центре образуется яркая точка. В этом случае как раз поверхность воды искривляется, поскольку вода смачивает ягоду и «прилипает» к ней.

Очевидно, что ни о какой дифракции света здесь речи быть не может, происходит просто лучепреломление на неоднородностях контактной поверхности. Получилось «пятно в центре тени».

Чтобы реализовать условие несмачивания, из алюминиевой фольги толщиной 150 мкм была вырезана плоская фигурка самолета, нижняя поверхность которой смазывалась минеральным маслом. На фото 2, а фигурка плавает на поверхности воды (на дно отбрасывается тень, по краю которой видна очень узкая яркая полоска), а на фото 2, б фигурка немного притоплена (контур вокруг тени стал заметно ярче). Особенно хорошо наблюдаем этот эффект в динамике: по мере притапливания фигурки наблюдается нарастание «сияния», причем размер области свечения существенно превосходит размер тени, однако вместе с увеличением яркости контура возрастают и размеры тени (что в случае с самолетом не наблюдается).

В дополнение можно обратиться к фото 2, в (игла-булавка лежит на поверхности воды в секторе с одним источником прямого освещения) и г (с двумя источниками прямого освещения). В случае в около тени иглы наблюдается ореол, в случае г ореол двойной, сама же тень сужается. Это может означать лишь то, что дискообразный источник света типа cолнца над самолетом позволяет самолету отбрасывать уменьшающуюся с расстоянием от Земли тень – в ореоле.

Таким образом, появление светлого пятна вокруг тени самолета обусловлено преломлением солнечных лучей на неоднородностях атмосферы, порожденных летательным аппаратом.

Ю.Е.Устюгин
М.А.Старшов,
СГУ им. Н.Г.Чернышевского, г. Саратов

TopList