Говорят, что видишь, значит веришь. Но все, что мы видим, должно иметь научное объяснение.
Когда вы смотрите на Солнце в ясный день, вы обычно ожидаете увидеть ослепительный шар света. Но время от времени атмосфера преподносит нам сюрприз и дает нам редкое и незнакомое зрелище. Рэйчел Перри, фотограф-любитель из Вирджиния-Бич, написала (вместе с изображением выше) после наблюдения этого явления, которое она никогда раньше не снимала.
Во вторник, 21 апреля 2020 года, у берегов Вирджиния-Бич, штат Вирджиния, наблюдалось самое примечательное астрономическое явление. Почти через 60 минут после восхода солнца, примерно в 7:33 утра.м. EST., многочисленные вспышки конусообразного света, испускаемые сверху и снизу Солнца, образуют дуги в 22 градуса с обеих сторон. […] Будем очень признательны за любые отзывы о том, чему я был свидетелем!
Короткий ответ заключается в том, что это известно как Столб Солнца, но наука, стоящая за ним, совершенно увлекательна. Давайте углубимся.
Если бы все, с чем нам приходилось работать, это свет, излучаемый Солнцем, подобные оптические явления никогда бы не произошли. Солнце излучает удивительный набор света, который мы можем грубо смоделировать как абсолютно черное тело: идеальный поглотитель, который нагревается до определенной температуры и излучает энергию. Это отличное приближение, но наука сделала даже лучше, чем это приближение.
Солнце на самом деле не является твердым телом с идеальной поглощающей способностью, а скорее излучает свет с множества различных поверхностей в своих тонких внешних слоях. Это важно, потому что нижние слои имеют более высокую температуру, чем самые верхние слои, поэтому правильнее моделировать Солнце как сумму ряда черных тел, как вы видите выше. Более того, Солнце содержит множество атомов, и эти атомы поглощают свет на определенных частотах (см. ниже), а это означает, что в свете, фактически покидающем Солнце, есть «пробелы».
Проходя через пустоту пустого пространства, этот свет просто распространяется в сферической форме, поскольку он излучается во всех направлениях от Солнца. Если бы мы жили в мире вообще без атмосферы, мы бы наблюдали именно такой свет: тот же самый свет, который излучает само Солнце.
Но мы живем на планете Земля, что - для астронома, по крайней мере - все равно что смотреть на всю Вселенную со дна бассейна. Наша атмосфера поглощает, рассеивает или отражает большую часть падающего на нее солнечного света даже в совершенно ясный день. Поглощенный свет переизлучается в виде инфракрасного света; рассеянный свет влияет на разные длины волн в разной степени и окрашивает небо в голубой цвет; отраженный свет возвращается обратно в космос. Однако большая часть солнечного света, попадающего в нашу атмосферу, проходит сквозь нее, и это то, что мы наблюдаем, когда совершенно ясно.
Теперь нам нужно добавить еще один уровень сложности, чтобы понять, что происходит: свойства нашей атмосферы. Если вы думали, что наша атмосфера состоит примерно из 4 частей азота на 1 часть кислорода, поздравляю, так как именно из этого состава состоит большая часть земной атмосферы. Туда добавлено около 1% аргона, а также следовые количества углекислого газа, метана и других газов.
Но в атмосфере также содержится водяной пар: в больших (около 1-2%) количествах, которые меняются со временем и конкретными условиями. Кроме того, атмосфера также имеет серьезные температурные градиенты, что делает кое-что очень интересным, когда вы добавляете в смесь водяной пар. В какой-то момент температура станет такой, что вода перестанет оставаться в газообразной фазе, а либо сконденсируется в капли жидкости (образуя знакомые вам облака), либо полностью перейдет в твердую фазу, образуя лед..
Хотя вы можете думать об атмосферном льде в виде града или мокрого снега, на самом деле гораздо чаще, особенно на очень больших высотах, образуются очень маленькие кристаллы высоко в атмосфере. Эти кристаллы не похожи на сложные снежинки, к которым вы привыкли, а скорее имеют форму шестиугольника: одна из наиболее распространенных форм кристаллов льда, состоящих из небольшого количества молекул воды.
Все ледяные кристаллы шестиугольной формы имеют одинаковые углы при вершинах, что приводит к одинаковым углам отражения любого падающего на них солнечного света. Те же самые оптические свойства, которые проявляются в атмосфере в целом - преломление, отражение, пропускание, рассеяние и т. д.- по-прежнему встречаются среди этих ледяных кристаллов, но результаты гораздо более поразительны и зрелищны. Гексагональная симметрия позволяет создавать длинные столбы (известные как колонны) или тонкие пластины, но все они имеют одинаковые углы между гранями.
Когда эти кристаллы создаются, они всегда тяжелее воздуха, что верно для всех форм льда. Когда эти ледяные кристаллы начинают падать, сопротивление воздуха замедляет их движение, и определенный баланс между сопротивлением воздуха и самими кристаллами будет определять их ориентацию относительно линии нашего обзора. Пластинчатые кристаллы обычно дрейфуют вниз, как листья, с большой поверхностью, параллельной земле, в то время как столбчатые кристаллы обычно ориентированы горизонтально.
Когда солнечный свет падает на эти кристаллы, он всегда заставляет свет отражаться под определенным набором предсказуемых углов, в то время как мы можем наблюдать только тот свет, который падает точно под правильным углом. наши глаза. Обычно это проявляется только тремя способами:
- большой световой ореол, расположенный под определенным углом разделения (22°) от Солнца (из беспорядочно ориентированных кристаллов),
- столб света, возникающий из-за вертикальных отражений либо от пластинчатых кристаллов (когда Солнце находится очень близко к горизонту), либо от кристаллов-столбцов (когда Солнце находится несколько выше),
- или комбинация двух эффектов, когда горизонтальные кристаллы отражают свет от вертикальных частей ореола, создавая эффект «расширенного» ореола, известный как солнечная собака.
Тот факт, что рассматриваемая фотография была сделана примерно через час после восхода солнца, указывает на то, что преобладающий эффект столба в значительной степени связан с кристаллами столба, которые падают через атмосферу как выше, так и ниже видимого местоположения Солнца.. Учитывая дату, время и место события, Солнце находится примерно на 9° над горизонтом в момент, когда была сделана эта фотография.
Исследования оптических свойств различных световых столбов (к которым относятся не только солнечные столбы, но и подобные столбы, создаваемые Луной или любыми другими, даже искусственными, источниками света) научили нас, что тонкие пластинчатые кристаллы ответственны за столбы, где Солнце находится ниже или очень близко (в пределах 6°) от горизонта, в то время как горизонтально ориентированные кристаллы столбцов в первую очередь ответственны за столбы, когда Солнце находится в более высоких положениях (до 20° над горизонтом).. Таким образом, основной причиной наблюдаемого столба, вероятно, являются столбчатые кристаллы.
Что интересно в этом конкретном солнечном столбе, который был запечатлен здесь, так это то, что он сопровождается еще более редким оптическим явлением: эллиптическим ореолом. Эллиптические ореолы очень редко видны и являются одним из наименее изученных оптических явлений, которые мы наблюдаем в нашей атмосфере. Вокруг Солнца одновременно можно увидеть до трех эллиптических колец, но обычно они полностью теряются в ярком солнечном свете.
Хотя мы точно не знаем, что вызывает эти эллиптические ореолы, один интересный подход заключается в моделировании того, что может создать это оптическое явление с помощью трассировки лучей. Вполне вероятно, что вместо шестиугольных пластинчатых или столбчатых кристаллов некоторые из этих кристаллов могут быть пластинами с дефектами: верхняя и нижняя грани не совсем плоские, а представляют собой очень неглубокие пирамиды с углами, отклоняющимися от идеальной плоскости всего на 1 °. -к-3°.
Но мы также должны быть осторожны, приписывая 100% оптических явлений, которые мы видим здесь, только атмосфере. Часто, особенно когда дело доходит до фотографирования ярких объектов, таких как Солнце, внутри компонентов самой камеры возникают внутренние отражения и оптические эффекты. Многие лучи, которые вы видите на подобных фотографиях, могут не казаться вашим глазам; это становится ясно, когда вы замечаете лучи, исходящие от отражения воды, которое можно увидеть только на фотографиях, а не при непосредственном наблюдении.
Тем не менее, и столб, и эллиптический ореол определенно реальны, и фотографу очень повезло, что он смог их поймать. Менее чем 1 из 1000 закатов и восходов содержат эти замечательные явления; всем, кто увидит или испытает это на себе, оцените, что вас угощают чем-то, с чем большинство людей никогда не столкнутся ни разу.
Почти все атмосферные явления, которые приводят к появлению света в месте, отличном от основного источника, связаны либо с кристаллами льда, либо с каплями воды в атмосфере. В то время как радуги и слава возникают из капель воды, почти все остальное, что мы наблюдаем, связано с кристаллами льда. Ореолы, столбы, солнечные лучи, субсолнца (яркий свет, который вы видите от самолетов в направлении, противоположном Солнцу) и многое другое возникает из одного и того же источника: крошечных кристаллов льда.
Здесь мы имеем дело не только с явлением солнечного столба, но и с сопутствующим набором очень редких эллиптических ореолов, которые стали возможными только при правильных условиях, которые все еще находятся в процессе обнаружения. Какой бы ни была причина, это еще одно напоминание о захватывающих видах, которые может предложить мир природы. Вы никогда не знаете, как это вас удивит и удивит, если вы не посмотрите.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!