Миражи и фата-моргана: как воздух обманывает зрение

Показатель преломления воздуха зависит от его плотности, плотность — от температуры. Там, где по вертикали есть заметный перепад температуры, луч света идёт не по прямой, а по плавной дуге, изгибаясь в сторону более холодного и плотного слоя.

Зрительная система этого не учитывает. Она достраивает изображение так, будто свет пришёл по прямой, и помещает объект туда, откуда луч влетел в глаз, а не туда, где объект находится.

Из этого несовпадения вырастает всё семейство миражей: от лужи на разогретом асфальте до крепостных стен, встающих над морем в ясный штиль.

Два основных типа

Нижний мираж возникает, когда поверхность сильно нагрета: асфальт, песок, раскалённые камни. Воздух у самой земли горячий и разреженный, лучи от неба изгибаются вверх, и наблюдатель видит под объектом его перевёрнутое отражение. Кажущаяся лужа на дороге — это просто участок неба, попавший в глаз снизу.

Верхний мираж требует обратной картины — температурной инверсии, когда холодный воздух лежит внизу, а тёплый над ним. Такое обычно над морем в холодный сезон, над льдом, над остывшей ночью равниной. Изображение поднимается над реальным объектом, иногда вытягивается в высоту, иногда переворачивается. Корабль в такой ситуации выглядит висящим в воздухе, а маяк — вдвое выше своей высоты.

Верхние миражи позволяют видеть объекты, находящиеся физически за горизонтом. Это не оптический курьёз, а измеримый эффект: искривление луча добавляет к дальности видимости десятки, изредка сотни километров.

Фата-моргана

Особый случай — когда инверсионных слоёв несколько и они образуют атмосферный волновод. Изображение при этом дробится на чередующиеся прямые и перевёрнутые полосы, растягивается по вертикали и перестраивается за секунды.

Ровный берег превращается в стену с башнями, низкий остров — в отвесную скалу, судно — в нечто вроде многоярусной постройки. Название явление получило от феи Морганы: в Мессинском проливе такие миражи наблюдали столетиями и приписывали её замку, возникающему над водой.

К этому же семейству относится значительная часть сообщений о кораблях-призраках. Летучий голландец в описаниях очевидцев обычно висит над горизонтом, перевёрнут или неестественно вытянут — набор признаков, точно совпадающий с верхним миражом в холодных водах.

Земли, которых не оказалось

24 января 1597 года участники экспедиции Виллема Баренца, зимовавшие на Новой Земле, увидели солнце примерно на две недели раньше астрономического срока. Записи об этом долго считали ошибкой счёта дней или добросовестным заблуждением: увидеть солнце до его восхода невозможно.

Объяснение нашлось в XX веке. При сильной приземной инверсии над льдом атмосфера работает как волновод: луч идёт вдоль искривления планеты и выносит изображение солнца, находящегося ниже горизонта. Эффект получил название новоземельского, а расчёты подтвердили, что наблюдения голландцев физически возможны.

Не менее показательна история Земли Крокера. В 1906 году Роберт Пири сообщил, что видел с северо-западной оконечности острова Аксель-Хейберг далёкую сушу, и нанёс её на карту. Экспедиция Дональда Макмиллана 1913–1917 годов отправилась туда специально. Земля была прекрасно видна с расстояния, отряд шёл к ней по льду несколько дней, и она отступала, оставаясь всё такой же далёкой. Проводник-инуит Пиугаатток с самого начала говорил, что это туман. К подобным же случаям относят Землю Санникова, Землю Джиллиса и ещё ряд арктических объектов с карт XIX века.

Признаки, по которым мираж узнаётся

• изображение всегда привязано к линии горизонта и не поднимается высоко над ней
• картина меняется при малейшем изменении высоты глаза: присядьте и встаньте
• в бинокль видно расслоение на горизонтальные полосы
• объект дрожит, вытягивается и сжимается за секунды
• явление живёт вместе с температурным профилем и исчезает при прогреве или ветре
• предмет никогда не оказывается сбоку от направления на реальный источник

Простая проверка — фотография с двух высот. Если верхняя часть картины изменилась радикально, а нижняя нет, вы смотрите на рефракцию.

Мираж не показывает то, чего нет. Он показывает то, что есть, но в другом месте и в искажённом виде.

Ценность миражей для разбора необычных наблюдений велика именно из-за их расчётности. Зная профиль температуры по высоте, оптик воспроизводит искажение численно и предсказывает, как будет выглядеть конкретный маяк или судно. Это редкий случай, когда обманчивое зрелище превращается в инструмент: по форме миража можно восстановить, как распределена температура в слое воздуха, куда никто не забирался с термометром.