Новый физический фейерверк - [268]

6.39. Блестящие отражения солнца и луны

Что определяет форму ярко освещенной области на открытой воде при низком солнце или луне («солнечная дорожка», «лунная дорожка»)? Как эта форма меняется в зависимости от высоты солнца и луны над горизонтом?

Когда луна несколько выше горизонта, на небе непосредственно над ярко освещенной областью на воде можно увидеть темный треугольник. С чем связано его появление?

ОТВЕТ • Если волнения совсем нет и поверхность воды идеально плоская, наблюдатель видит зеркальное отражение солнца или луны в воде ниже горизонта. Это отражение будет настолько же ниже горизонта, насколько источник света выше горизонта. Однако, когда поверхность воды покрыта волнами, свет отражается от бесчисленного количества наклоненных поверхностей. Мы видим множество мимолетных отражений солнца или луны от всех волн в произвольном месте в произвольный момент времени, если до нас доходит отраженный от их наклонной поверхности свет. В среднем все эти изображения попадают внутрь овала или уходящей от нас так называемой световой дорожки, левая и правая стороны которой ограничивают область, куда попадают отраженные изображения. Стороны световой дорожки сходятся в точку на горизонте непосредственно под солнцем или луной. Когда луна или солнце высоко, область, в которой видны изображения, имеет форму овала. Когда луна или солнце низко, эта область больше напоминает дорожку, уходящую к горизонту.

Темный треугольник над блестящей лунной дорожкой, вероятно, просто оптическая иллюзия, результат контраста между сверкающей яркой световой дорожкой ниже горизонта и темным небом над горизонтом рядом с ней.

6.40. Кольца света

Обычно в волнующейся воде отражения меняются так быстро, что глазом их различить нельзя, но их можно «поймать» с помощью фотоаппарата с короткой выдержкой. Предположим, вы фотографируете отражение корабельной мачты. На фотографии часть мачты будет выглядеть как волнистая линия, а другие — как отдельные замкнутые петли. Объяснить, почему изображение мачты получилось волнистым, не составит труда, но откуда взялись петли? Могут ли получаться изолированные незамкнутые петли? Отражения других объектов тоже могут быть искажены до неузнаваемости, в частности, прямые линии могут превращаться в овалы.

ОТВЕТ • Искажения отражений, будь то волнистые линии или петли, обусловлены кривизной поверхности воды при волнении. Если участок мачты, отражающийся в воде, достаточно длинный, то в вогнутой части поверхности воды он может отразиться в виде овала. Когда изображение мачты представляет собой замкнутую петлю, это означает, что небо по одну сторону от мачты отображается внутрь петли, а по другую — наружу. Петли, образующиеся при отражении вытянутых объектов, таких как мачта, всегда замкнутые. Однако на снимке отражения в воде точечного источника света могут присутствовать петли со «свободными концами». Они соответствуют моментам открытия и закрытия затвора камеры.

6.41. Тени и цвета на воде

Почему свою тень можно увидеть на поверхности мутного пруда или чистой лужи, но она не видна, если пруд глубокий и чистый? Почему тени других людей можно увидеть, только если вода в пруду очень грязная?

Глядя на свою тень на поверхности воды с рябью из небольших случайно ориентированных волн, обратите внимание на область вблизи тени головы. Кажется, что от нее во все стороны расходятся яркие лучи-спицы, описанные Уолтом Уитменом в стихотворении «На Бруклинском перевозе»[68].

Пусть чистую воду глубиной около метра освещают солнечные лучи, пробивающиеся через листву дерева. Обратите внимание на края пятен света на дне. Если солнце позади вас, пятна белые, если же солнце светит вам в лицо, края у пятен цветные: ближе к вам они красные, а на дальнем краю — голубые. Почему края цветные и отчего их вид зависит от направления взгляда?

ОТВЕТ • Тень видна только в том случае, когда она освещена гораздо меньше, чем окружающая ее поверхность. Например, на тротуаре ваша тень видна. Но если на тротуар налить чистой воды, тень станет менее четкой, так как от поверхности воды отражаются небо и окружающие вас предметы. Поскольку какие-то из этих отражений накладываются на вашу тень, она не будет такой же темной, как на сухом асфальте.

Если же вода существенно глубже, чем лужа на тротуаре, контраст тени с окружающей ее поверхностью будет еще слабее: в окрестности тени интенсивность отраженного от дна света уменьшается. Однако, если вода не слишком прозрачная, тень различима лучше, поскольку взвешенные в воде частицы, окружающие тень, рассеивают свет в направлении наблюдателя. В этом случае тень не плоская, как на дороге, а скорее трехмерная. Именно поэтому увидеть тень кого-то другого бывает сложно: вы смотрите на нее вдоль наклонной линии и видите в воде как освещенные, так и затененные области. По мере увеличения загрязненности воды тень другого человека постепенно «поднимается» к поверхности. А если вода совсем уж грязная, вы эту чужую тень легко различите.

При волнении волны в сравнительно чистом водоеме фокусируют свет в воде, где затем лучи света рассеиваются на взвеси и выходят из воды обратно. Вы видите этот рассеянный свет как яркие линии там, где свет фокусируется, и как темные — там, где фокусировки нет. Направление этих линий зависит от структуры волн, и часть из них параллельна линии, направленной от ваших глаз к солнцу. Следовательно, вам кажется, что они сходятся в точке прямо напротив солнца, то есть в области тени от вашей головы, подобно тому, как «сходятся» убегающие вдаль прямые рельсы. Иногда создается впечатление, что эти «спицы» вращаются, но это лишь иллюзия, попытка мозга разобраться со случайно меняющимися изображениями.