Яркие закаты, радуга после дождя и мистическое "двойное солнце", известное, как гало, - мы любуемся этими атмосферными явлениями и размещаем их фото в социальных сетях. Но за счет чего эти явления возникают? Почему иногда мы видим одну радугу, а иногда две? Из-за чего одни закаты ярко-красные, а другие лишь слегка желтоватые? И почему появление гало в Сибири побудило ученых проводить расчеты, которые могут изменить климатическую модель Земли?

Об этом корреспондент интернет-редакции "Вести-Томск" поговорил с руководителем лаборатории рассеяния электромагнитных волн Института оптики атмосферы и профессором физико-технического факультета ТГУ, доктором физико-математических наук Александром Коношонкиным.

Почему небо голубое, а закаты красные?

Голубое небо, яркий закат и радуга образуются, благодаря способности мельчайших частиц, которые содержатся в атмосфере, отражать свет. Кроме азота, кислорода и других газов, в атмосфера Земли содержатся аэрозоли - маленькие взвешенные частицы пыли, сажи, пыльцы, воды, льда и других веществ.

Солнечный свет, попадая в атмосферу, начинает рассеиваться, распадаться на спектр - его мы можем наблюдать в радуге. Красные оттенки образует свет с наибольшей длиной волны, синие - свет с наименьшей длиной волны. Аэрозоли, которые содержатся в атмосфере и которые отражают свет, - очень мелкие. Соответственно, синий свет, который имеет меньшую длину волны сильнее отражается от парящих в воздухе частиц. Поэтому мы и видим голубое небо.

Откуда же берутся красные закаты и почему они бывают разной интенсивности? Закаты мы наблюдаем, когда Солнце опускается к горизонту, в это время расстояние, которое проходит солнечный свет, значительно увеличивается - свет идет по касательной. Синий свет, как мы говорили выше, рассеивается сильнее красного, и поэтому практически полностью «вымывается» из спектра. Таким образом, до приземного слоя атмосферы, в котором содержится много аэрозолей, доходит больше красного излучения. И чем больше в воздухе различных частиц, тем это поглощение интенсивнее, то есть, тем более ярко-красные закаты мы можем наблюдать. В Египте, например, редко бывают красные закаты, там в атмосфере очень мало примесей. 

Радуга: почему иногда мы видим одну, а иногда две?

Радуга возникает тогда, когда солнечный свет, попадая на капельку дождя или тумана, преломляется и отражается. Разный цвет отклоняется по-разному, поэтому радуга разноцветная. Если посмотреть, как чаще всего отражаются лучи, мы получим две области, которым будут соответствовать две радуги. Однако, свет не везде рассеивается равномерно, в первой области он рассеивается чуть сильнее. Поэтому одна радуга всегда ярче, а другая менее заметна. 

Двойную радугу можно увить тогда, когда дождь идет как бы сплошной стеной, то есть, фронт дождя достаточно четкий. Если же он размазанный, то вторая радуга затеняется самим же дождем, и мы ее не видим. Может наблюдаться и третья радуга, но в естественных условиях ее видели крайне редко.

Фото: pixabay.com

«Двойное солнце». Что это такое и почему из-за него возникла необходимость менять климатическую модели планеты

Оптическое явление, во время которого вокруг солнца или луны возникает светящееся кольцо, называют гало. Выглядит оно красиво и таинственно, и в Томске его тоже можно наблюдать, хотя гораздо реже, чем двойную радугу и закаты. Во время гало не всегда образуется полный круг, вместо него бывают дуга или арка.

Если радуга образуется, благодаря отражению света от капелек воды, то гало возникает, когда свет отражается от кристалликов льда в перистых облаках. Эти кристаллики часто имеют форму шестигранных столбиков или пластинок. Столбики обычно вырастают в приморских регионах, в Сибири чаще образуются шестигранные пластинки. Грани этих пластинок подобны маленьким зеркалам. Способность этих пластинок при падении выравниваться в горизонтальной плоскости словно семена клена, образуя при этом как будто бы одно единое «зеркало», и позволяет наблюдать гало в сибирских условиях и в Арктике.

Фото: pixabay.com

«Перистые облака - это одно из первых препятствий, которое солнечные лучи встречают на пути к Земле. Они играют важную роль в построении климатической модели планеты. Ранее считалось, что кристаллы в перистых облаках ориентированы хаотически, теперь же понятно, что в определенных условиях они могут выравниваться. И сегодня нет климатической модели планеты, которая бы полностью учитывала это»,

– поясняет Александр Коношонкин.

Как поведет себя солнечный свет, если кристаллы в перистых облаках выровнены? Если отразится, то каким образом? И как именно это повлияет на климат? За решение этой задачи взялись ученые Института оптики атмосферы.

«В начале 2000-х мой научный руководитель Анатолий Георгиевич Боровой выехал на научные конференции по оптике за рубеж. Раньше сделать это было сложно - до 90-х ученые не могли выезжать, а в 90-е был кризис. И вот в начале 2000-х выяснилось, что в мире не знают, как решать задачу рассеяния света, если частицы в перистых облаках ориентированные. При этом в нашем институте за построение подобной модели взялись еще в 80-х. После той конференции и было принято решение, что надо вернуться к этой работе. Это очень большой труд, потребовавший годы»,

– рассказал Александр Коношонкин.

С тех пор решена задача рассеивания света на частицах, созданы инструменты, позволяющие определить параметры облаков. Так, в Институте оптики атмосферы учеными Григорием Коханенко и Юрием Балиным были разработаны первые сканирующие лидары. Один из таких лидаров серии «Лоза» - расположен на крыше института. В настоящее время с его помощью проводится эксперимент, который позволяет определить ориентацию кристаллов в перистых облаках.

«Пренебрегать ориентацией кристаллов в перистых облаках при построении климатической модели планеты уже нельзя, это подходило только для ранних, более грубых моделей»,

– говорит Александр Коношонкин.  

В рамках этих исследований ученые Института оптики атмосферы активно сотрудничают с коллегами из других стран. Так, сеть сканирующих лидаров планируется построить совместно с китайскими учеными. Два лидара будут расположены в Томске, два в Китае, один в Беларуси. Сотрудничество ведется также с Бразилией, Германией, Францией и другими странами.

«Вот так и получилось, что такой красивый оптический эффект, как гало, положил начало масштабным экспериментам и научным исследованиям. Возможно, если бы мы его не наблюдали здесь в Сибири, то не начали бы первыми в мире проводить подобные исследования»,

– говорит Александр Коношонкин.