Стовпи світла над ліхтарями.
Стовпи світла над ліхтарями.
Якщо взимку в тиху, морозну ніч ви вийдете на міську площу, освітлену ліхтарями, і якщо існують деякі сприятливі обставини, про які буде сказано трохи пізніше, то, може бути, вам пощастить бути свідком рідкісного ефектного видовища: ви побачите над площею ліс світяться стовпів . Світловий стовп стоїть над кожним ліхтарем строго вертикально і йде далеко вгору. Можете обійти ліхтар з усіх боків, світловий стовп залишиться на своєму місці.
У книзі М. Міннарта «Світло і колір в природі» коротко говориться про це явище. Там сказано, що воно спостерігається в Канаді і в Росії і що причина його - відображення світла дрібними крижаними частками, зваженими в повітрі. Від цього ще досить далеко до детального пояснення механізму виникнення світлових стовпів.
Те, що в створенні світлових стовпів беруть участь дрібні сніжинки або крижинки, що знаходяться в атмосфері, не викликає ніяких сумнівів. Освітлені ліхтарем сніжинки і крижинки блищать, наче самі світяться. Але чому світиться тільки стовп, що стоїть над ліхтарем?
Проробивши простий експеримент, ви переконаєтеся, що поява стовпів пов'язано зі стереоефектом. Ви дивіться на ліхтар, закривши праве око, і замість стовпа бачите вертикальну смужку блискучих сніжинок, що знаходяться в повітрі між оком і ліхтарем, але трохи вище його. Таку ж смужку ви бачите, коли дивитеся, закривши ліве око, - це виблискують сніжинки в іншій області, а саме в тій, яка знаходиться між правим оком і ліхтарем. Тепер відкриємо обидва ока: два зображення, дві блискучі смужки зливаються, і ви бачите світловий стовп. Вже над ліхтарем. Ще раз підкреслимо - це свого роду оптичний обман, ви бачите дві різні блискучі смужки, два різних об'єму повітря зі своїми блискучими частинками - один перед правим оком, а інший перед лівим.
А тепер подумаємо: чому блискучі смужки вертикальні і чому сніжинки виблискують тільки тоді, коли потрапляють в вертикальну площину, що проходить через око і через джерело світла? Чому не видно сніжинки за межами цієї площини?
Сніжинки - це, як правило, плоскі зірочки: в центрі маленький шестикутник, від його кутів ростуть шість променів з гілочками, паралельними крайках шестикутника. Від цих гілочок відростають інші, і в підсумку зірочка може прийняти досить складні форми. Процес кристалізації вологи йде від центру сніжинки, і це дозволяє зрозуміти, які проміжні форми приймає зірочка.
У початковій стадії частинки льоду прилипають до кутів правильного шестикутника і їх ланцюжка від двох сусідніх кутів ростуть назустріч один одному. З таких ланцюжків виростає новий геометрично подібний шестикутник більшого розміру, або, іншими словами, спочатку що виник шестикутник збільшується.
Але ось настає такий момент, коли зростаючі ланцюжка не встигають зустрітися, а на кутах вже починають наростати нові ланцюжки. І тоді на кутах виходять мікроскопічні плоскі крижані ялинки з гілочками, паралельними сторонам шестикутника. Далі на променях наростають нові палички, і зірочка стає все більш складною.
Якщо вологи в атмосфері мало, процес закінчується на порівняно ранній стадії і в повітрі народжуються дрібні сніжинки у вигляді шестикутників і найпростіших зірочок. Як ми побачимо далі, це і є одна з «деяких сприятливих обставин», необхідних для виникнення світових стовпів.
Тепер поговоримо про те, як поводяться ці дрібні сніжинки при повільному падінні в тиху погоду.
3. Чим більше подовження «сніжинки», або відношення більшої осі до меншої, тим при тій же її площі обертання йде швидше.
На першому малюнку зображений ліхтар на стовпі і спостерігач, причому передбачається, що площину креслення проходить через центр світиться частини ліхтаря (наприклад, через центр кулі з білого матового скла) і через око спостерігача. У цій же площині знаходяться чотири сніжинки - 1, 2, 3, 4. Їх осі обертання перпендикулярні до площини креслення, а самі сніжинки показані у вигляді коротких рисок в той момент свого обертання, коли світло від ліхтаря, відбиваючись від сніжинки, як від дзеркала , потрапляє в око. Показання чотири сніжинки виблискують по два рази за оборот, а точніше, трохи частіше або рідше, так як, падаючи, змінюють своє місце розташування.
Точки 1, 2, 3, 4 з штрихами. Це - позірна становище світлових точок; вони створюють ілюзію світловий лінії. Відповідно до положення точки 4 видно, що світловий стовп може мати ділянку нижче ліхтаря, якщо тільки він не дуже засвічується прямим світлом самого ліхтаря.
Падаючи і обертаючись, сніжинки посилають світлові спалахи в око до тих пір, поки не підуть з вертикальній площині «очей - ліхтар» або поки їх вісь обертання не відхиляючись від перпендикуляра до цієї площини.
Швидкість падіння сніжинки невелика, а кутова швидкість і, отже, число світлових сплесків в секунду можуть бути досить великими.
На другому малюнку схематично показано, як розташовані в плані ліхтар і лівий (л) і правий (п) очі спостерігача, а також кілька сніжинок, що посилають світлові спалахи в сторону спостерігача. Для наочності діаметр ліхтаря, а отже, і кути сильно перебільшені.
Зроблено це для того, щоб ясніше показати: сніжинки, які бачить спостерігач, розташовуються в межах деяких кутів. Тобто спостерігач бачить не лінії, а світяться смуги, які і створюють в підсумку ілюзію світлових стовпів. Неважко здогадатися, що число сніжинок, які знаходяться між ліхтарем і оком і блиск яких бачить спостерігач, буде тим більше, чим більше кути αл і αп. Можна навіть підрахувати частку цих видимих сніжинок в загальній кількості сніжинок, що падають на землю в просторі, яке обмежене вертикальними площинами, що проходять через лінію, a-л і b-л (для лівого ока) і c-п і d-п (для правого очі). Частка ця досить велика, приблизно вона дорівнює (αл + αп): 360.