В день летнего солнцестояния ростовские учёные рассказали о самых интересных оптических явлениях

В 2024 году летнее солнцестояние произойдет 20 июня в 23:51 по московскому времени. День летнего солнцестояния — это первый день  астрономического лета в Северном полушарии, когда Солнце в своем движении по эклиптике попадает в самую северную ее точку. Земному наблюдателю Солнце открывает различные оптические эффекты, о самых интересных из них рассказывает астрофизик Южного федерального университета.

 Солнечное затмение

Солнечное затмение – это астрономическое явление, при котором Луна полностью или частично покрывает Солнце. Магистрант кафедры физики космоса Физического факультета ЮФУ Анатолий Клименко отметил, что затмение имеет как временные рамки, так и территориальные ограничения.

«Так уж совпало, что размеры дисков Солнца и Луны на небе совпадают! Орбита Луны наклонена к плоскости орбиты Земли примерно на 5 градусов. Из-за этого проекция Луны на небе оказывается выше или ниже Солнца. Только два раза в год новолуние случается вблизи линии пересечения плоскостей орбит Луны и Земли. При этом все три объекта — Солнце, Луна и Земля — оказываются практически на одной прямой, и Луна заслоняет собой Солнце. Земляне наблюдают солнечное затмение», — поделился Анатолий Клименко.

 Длительность полных затмений Солнца не превышает 7,5 минуты, частных– 2 часа. В год на Земле может происходить от 2 до 5 солнечных затмений, из которых не более двух — полные или кольцеобразные. В среднем полное солнечное затмение происходит каждые 18 месяцев.

«К сожалению, ближайшие затмения мы не сможем пронаблюдать в Ростовской области. В 2025 году будет затмение на севере России, а вот в Ростовской области мы сможем увидеть это астрономическое явление только в 2030 году, зато это будет уникальное кольцеобразное затмение», — рассказал Анатолий Клименко.

Северное сияние

Полярное или северное сияние — это свечение верхних слоёв атмосферы, возникающее вследствие взаимодействия магнитного поля планеты с заряженными частицами солнечного ветра, чаще всего протонами. Оно бывает не только на Земле, но и на всех остальных планетах Солнечной системы.

«Заряженные частицы солнечного ветра, подлетая к Земле, взаимодействуют с ее магнитным полем. Они вращаются по спирали вокруг магнитных силовых линий, достигая полюсов. На полюсе эти частицы с огромными скоростями попадают в  атмосферу Земли. Происходит возбуждение атомов атмосферы. Возбужденные атомы кислорода, возвращаясь в основное состояние, дают свечение в линиях красного и зеленого цвета. Азот дает свечение в фиолетовом и зеленом цветах», — отметил Анатолий Клименко.

Пик активности Солнца наступает каждые 11 лет. Ожидается, что до 2025 года число солнечных пятен будет расти, а потом постепенно снижаться. Это значит, что в течение этого года и следующих, на которые приходится пик активности Солнца, нас будут ждать выбросы вещества с поверхности Солнца и, как следствие, магнитные бури на Земле. 11 лет назад пик солнечной активности был не таким высоким, как сейчас, зато 22 года назад — намного сильнее нынешнего.

С выбросом вещества связано такое явление, как магнитная буря – это искажение, часто весьма существенное, магнитного поля Земли. Дело в том, что прилетевшие от Солнца движущиеся заряженные частицы создают свое собственное магнитное поле, которое накладывается на магнитное поле Земли. При этом суммарное поле отличается от естественного. Иногда оно настолько ослабевает, что не может направлять заряженные частицы на полюса Земли и они высыпаются в атмосферу на средних широтах.

Для понимания силы магнитных бурь ученые используют индекс G, который обозначает отдельный уровень опасности геомагнитной бури и степень ее влияния на электричество, связь, людей и животных. Таким образом, существует шкала, где G1 — это незначительные магнитные бури, которые не оказывают особого влияния на работу электронных приборов и не ощущаются людьми, а G5 — экстремально сильные, вызывающие серьезные неполадки в работе спутников, радиосвязи, а также полярные сияния по всему миру.

В 2023 году сияние дважды доходило до южных регионов России, в ночь с 10 на 11 мая 2024 года красные огни в небе видели жители Ростовской области, Краснодарского края, Крыма. Для такого атмосферного явления облако солнечной плазмы должно войти в атмосферу Земли непосредственно вблизи этих мест.

Гало

Гало – это оптическое явление, характеризующееся возникновением вторичного свечения вокруг источника света, как правило, имеющее форму круга, кольца, дуги.

«Гало мы можем наблюдать зимой при наступлении морозов. Именно холодная погода является ключевым фактором возникновения гало. Воздух насыщен кристаллами льда, которые играют роль стекла и преломляют, а после и отражают свет своими гранями. В зависимости от формы кристалла, их ориентации по отношению к Земле, а также расположения источника света мы можем наблюдать разные формы гало вокруг Солнца», — объяснил Анатолий Клименко.

Паргелий

Паргелий, или ложное Солнце, – это оптическое явление, при котором на небе появляется второе, а иногда и третье Солнце.

«В воздухе застывают частицы воды. Ледяные кристаллы чаще выстраиваются в одинаковом направлении — вертикально вниз, чтобы преодолеть сопротивление воздуха. Они начинают отражать лучи, и получается световое пятно. Неожиданно для наблюдателя на небе возникает несколько Солнц», — рассказал Анатолий Клименко.

Он отметил, что сила свечения у паргелия больше, чем у гало. Чаще всего паргелий виден на закате или восходе, когда солнце еще близко к земле. Это явление можно наблюдать в любой точке земного шара, главное, чтобы установились условия для его наблюдения.

Световой столб

Световой столб – это оптическое явление, характеризующееся появлением на небе вертикальной полосы света, тянущейся вверх от Солнца. Как и в случае возникновения гало и паргелия, ключевую роль играют кристаллы льда. Световые столбы появляются в результате отражения света на почти горизонтальных плоских гранях шестиугольных плоских либо столбовидных ледяных кристаллов, взвешенных в воздухе.

«Плоские кристаллы приводят к появлению солнечного столба, если Солнце находится на высоте 6 градусов над горизонтом либо позади него, столбовидные кристаллы — если Солнце находится на высоте 20 градусов над горизонтом. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения. Такие кристаллы образуются в высоких перистых облаках, наиболее часто — в перисто-слоистых», — поделился Анатолий Клименко.

При низких температурах подобные кристаллы также могут образовываться и в более низких слоях атмосферы. Поэтому световые столбы чаще наблюдаются в холодное время года.

Радуга

Радуга — это наиболее часто наблюдаемое оптическое явление: при ярком источнике света множество водяных капель распадается на 7 цветов видимого спектра.

«Показатель преломления воды для более длинноволнового — красного — света меньше, чем для коротковолнового — фиолетового. Поэтому слабее всего отклоняется красный свет — на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый — на 139°20’. Главное условие для наблюдения радуги — это угловая высота Солнца. Она не должна превышать примерно 42 градусов. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и, следовательно, тем больше наблюдаемый участок радуги», — рассказал Анатолий Клименко.

Мираж

Часто наблюдателю предстают озера среди пустыни, лужи во время езды по дороге или летающие корабли. Но и это иллюзии не для нашего ума, а для нашего зрения. Миражи вполне себе можно сфотографировать на камеру, потому что это тоже оптические явления.

«Причиной возникновения миражей являются те же факторы: отражение и преломление света. Из-за разности температур соседние слои воздуха могут обладать различной плотностью, причем переход зачастую довольно резкий. В результате такого перехода возникает отражение и преломление света, мы наблюдаем мираж. Так, в жаркие летние дни, когда раскаленный асфальт сильно нагревает слой воздуха, находящийся непосредственно над ним, световые лучи при внезапном переходе из теплого воздуха в раскаленный преломляются, создавая миражи», —  объяснил Анатолий Клименко.

Обычно, отражаясь от какого-либо объекта, солнечный свет рассеивается во все стороны. Достигая наших глаз, отраженный свет позволяет нам увидеть собственно сам объект. В нормальный, не слишком жаркий день на автостраде мы видим лишь впереди едущий автомобиль.

В солнечный же день из-за раскаленного асфальта плотность воздуха над дорогой уменьшится, и лучи света, переходя из более плотной холодной атмосферы, преломятся в нижнем слое воздушной среды прямо над автострадой. Часть световой волны первой пройдет через слои воздуха с различной плотностью и при этом ускорится на мгновение раньше оставшейся части. Лучи, которые обычно падают прямо на дорогу, при этом преломятся и направятся к глазам наблюдателя. В результате мы увидим автомобиль сдвоенным. В глаз попадут отраженные лучи от самого автомобиля и от нижнего слоя раскаленного воздуха, в районе его колес. При этом нижние лучи преломляются под большим углом, и наблюдателю кажется, что он видит перед собой отражение машины.

Мозг при этом обрабатывает полученную визуальную информацию как обычно, то есть воспринимает отраженные лучи как реальный объект, например как водяную лужу под колесами машины.

«Такой мираж называется нижним, поскольку он появляется ниже линии горизонта. Есть и другой тип миражей — верхний, который формируется над земной поверхностью. Они встречаются обычно при очень низких температурах, например над замерзшими озерами. При этом нижний атмосферный слой оказывается холоднее верхнего, интенсивно отдавая тепло ледяной поверхности. Тогда, например, можно вдруг увидеть высоко в воздухе летающий корабль или часть ландшафта. На самом же деле мы видим лишь отражение, созданное преломленными лучами света. Из-за искажения солнечных лучей такие объекты могут казаться значительно больше, чем на самом деле», — подытожил Анатолий Клименко.

Как на реке Дон, так и на Азовском море можно увидеть мираж «корабль, парящий в воздухе», а нижние миражи луж можно увидеть в любой горячий летний день на автостраде.

Прислал Алексей Романенко, Южный федеральный университет

Подготовила