По-видимому, кольца вокруг солнца на картине Винсента Ван Гога «Красные виноградники в Арле» никакого отношения к короне не имеют. Скорее, Ван Гог изобразил их, чтобы подчеркнуть яркое сияние, исходящее от солнца.

Проходя холодной зимней ночью мимо замерзшего окна, можно заметить, что огни в помещении окружены цветными кольцами. Почему они появляются? Почему эти кольца окружены еще одним темным кольцом?

ОТВЕТ • Корона, которую видно через окно, появляется по тем же причинам, что и рассмотренная в предыдущей задаче корона в атмосфере. Обе они связаны с дифракцией света на каплях воды, но в данном случае капли конденсируются на стекле. Внешнее темное кольцо — часть дифракционной картины: волны, приходящее отсюда к глазу наблюдателя, находятся не в фазе и, следовательно, ослабляют друг друга.

Если замерзшее окно движется, например, это окно проходящего поезда, корону можно видеть вокруг каждого проносящегося мимо вас источника света. Однако, если источник света мигает, как, скажем, ртутная лампа уличного освещения, можно увидеть наложенные на корону вертикальные яркие и темные полосы.

Почему иногда облака окрашены в бледные пастельные тона, часто розовые и зеленые?

ОТВЕТ • При дифракции солнечного света на каплях воды или кристалликах льда, имеющих в диаметре несколько микрометров, возникает интерференционная картина, где одни волны усиливают, а другие гасят друг друга. При определенных углах рассеяния световые волны распространяются в фазе и усиливают друг друга, и тогда свет яркий. При других углах дифрагированные волны не в фазе. Они гасят друг друга, и тогда свет тусклый или его интенсивность вообще равна нулю. Поэтому при разных углах цвета разные. Однако распределение цветов зависит от размера капелек или кристалликов льда. Если все они примерно одного размера, цвета яркие, если размеры капелек или кристалликов сильно разнятся, разные цвета накладываются друг на друга, и получается либо белый цвет, либо бледные цвета.

Поскольку дифрагированный свет распространяется главным образом вперед, чтобы увидеть цветное облако, оно должно располагаться практически на линии вашего взгляда на солнце. Кроме того, облако должно быть разреженным (тонким). Иначе при прохождении света через это облако разложение на цвета будет происходить многократно, так что перекрытие цветов окажется слишком сильным и разглядеть отдельные цвета будет невозможно. В плотном облаке окрашенными могут быть только его разреженные края.

Моя бабушка жила в маленьком городке в Техасе. Она говорила, что чудеса у них бывают только «при синей луне». Но что же это такое — синяя луна?

ОТВЕТ • За голубой цвет луны ответственны взвешенные в атмосфере частички радиусом от 0,4 до 0,9 мкм. Такие аэрозоли образуются в верхних слоях атмосферы при извержении вулканов или сильных лесных пожарах. Частички изначально могут быть нужного размера или они могут дорасти до него за счет конденсации воды на них. Когда лунный свет проходит через слой этих взвешенных частичек, красная и желтая составляющие спектра рассеиваются в сторону от наблюдателя. Это значит, что только зеленые и синие лучи доходят до него, и он видит либо синюю, либо сине-зеленую луну. Однако, если луна низко над горизонтом, путь лунного света через атмосферу может оказаться настолько длинным, что в воздухе рассеивается большая часть синих лучей, и луна становится зеленой. То же самое относится и к цвету солнца: если смотреть на него через атмосферный аэрозоль, состоящий из частиц нужного размера, оно может быть синим или зеленым.

Действительно ли в тумане желтые фары освещают дорогу лучше белых?

ОТВЕТ • Если радиус капель тумана меньше 0,2 мкм, синий и зеленый свет рассеивается сильнее красного и желтого. Тогда действительно желтый свет пробивается в тумане дальше, чем свет других цветов, и, рассеиваясь или отражаясь от покрытия обратно к водителю, лучше освещает дорогу. Однако, если радиус капель больше и составляет порядка 0,6 мкм, результат противоположный. В этом случае синий и зеленый цвет проникают в туман глубже. А если капли еще крупнее, все цвета проходят через туман приблизительно одинаково. Чтобы еще усложнить задачу, заметим, что в каплях могут содержаться примеси, поглощающие свет определенного цвета. Ситуацию усугубляет и то, что глаз имеет разную чувствительность в разных частях спектра — на краях (синий, красный) она меньше. Так что однозначно ответить на поставленный вопрос нельзя.

Почему мокрый песок темнее сухого? Почему влажные волосы темнее сухих? Почему, когда едешь на машине по неосвещенной дороге, во время дождя разметка практически не видна?

ОТВЕТ • Когда песок сухой, свет в песке поглощается слабо и обычно рассеивается только раз или два до того, как выходит из песка. Поэтому на солнце песок выглядит ярким, даже иногда сверкающим. Когда песок мокрый, свет в нем рассеивается много раз и гораздо меньшая его часть выходит из песка. Такой песок выглядит темнее. Есть две модели, объясняющие дополнительное рассеяние света на песчинках, покрытых водой. Во-первых, слой воды может представлять собой «ловушку»: при многократном отражении внутри этого слоя свет постепенно поглощается. Так можно объяснить, почему влажные волосы темнее. Во-вторых, если песчинки мокрые, свет более эффективно рассеивается вперед, а это означает вглубь песка, и, следовательно, меньше света выходит из песка обратно.

Если дорога сухая, свет от автомобильных фар рассеивается от поверхности дороги во всех направлениях. К водителю возвращается достаточно отраженного света, и он различает разметку и другие особенности дороги. Когда дорога покрыта слоем воды, часть света отражается зеркально от поверхности раздела «воздух — вода», и поэтому меньше света достигает самого покрытия дороги (рис. 6.16). Рассеявшийся здесь свет до того, как его увидит водитель, опять проходит границу раздела «вода — воздух». Здесь какая-то часть света (в зависимости от угла, возможно, и весь свет) отражается обратно на поверхность дороги. Все это означает, что свет, который видит водитель, может оказаться слишком слабым, чтобы он смог различить разметку и особенности дороги.

Рис. 6.16 / Задача 6.52. Слой воды на дороге уменьшает количество света, попадающего на покрытие дороги.

Почему обычно свежевыпавший снег белый, а если выкопать в снегу ямку, он может стать голубым? Какого цвета лед? Почему антарктические айсберги бывают зелеными, а арктические никогда?