6.44. Венец и оппозиционный эффект

Как-нибудь утром, когда трава мокрая от росы, посмотрите внимательно на тень своей головы на траве. Может, вам удастся увидеть, что ее окружает яркий свет, который называют венцом (рис. 6.15a). Такой же яркий свет вокруг тени можно увидеть и на многих поверхностях: на сухой траве и других растениях, на поверхности мелких водоемов, покрытых рябью, и на разнообразных сухих шероховатых поверхностях. Можно даже увидеть яркие лучи, отходящие от тени движущейся машины, падающей на покрытое травой поле.

Рис. 6.15 / Задача 6.44. a) Тень на росистой траве при низком солнце. б) Путь двух лучей через поверхностный слой лунного грунта.

Во время полета попытайтесь увидеть венец на земле вокруг тени самолета в точке прямо напротив солнца. Когда эта точка с большой скоростью движется по траве, деревьям, голой земле, тротуарам и тучам, венец то появляется, то исчезает. Если самолет летит низко, внутри венца можно заметить внезапные яркие вспышки света. Когда самолет достаточно высоко над землей, бывают видны отходящие от венца тонкие темные линии. Что является причиной появления венца, ярких вспышек и темных линий?

Если некоторые растения, покрытые ночью росой, осветить, например, фонариком, человек с фонариком увидит, что растения сверкают в его лучах, а человек, стоящий сбоку, ничего не увидит. С чем связано это сияние и почему ночью так светятся не все растения?

Когда наступает полнолуние, любой освещенный участок на поверхности луны вдруг может стать аномально ярким. Это так называемый оппозиционный эффект[70]. Такие участки могут быть на 25% ярче полной луны днем раньше или позже. Почему же вдруг лунная поверхность начинает сильнее рассеивать солнечный свет? До того как астронавты высадились на Луну, в НАСА беспокоились, что, если шлемы их скафандров не снабдить специальным экраном, отраженный от лунного грунта свет может ослепить «прилунившихся» астронавтов.

Если газон или спортивную площадку подстричь определенным образом, она будет напоминать шахматную доску с яркими и темными квадратами. С чем связано такое изменение яркости? Имеет ли научное обоснование старая английская поговорка: «По другую сторону забора трава всегда зеленее»?[71]

ОТВЕТ • Пусть сначала трава будет сухой. Если смотреть на траву вблизи тени своей головы, видны только травинки, но не отбрасываемые ими тени, которые сами же травинки заслоняют. Следовательно, область вблизи тени головы хорошо освещена, поскольку вы видите только отраженный от нее солнечный свет. Подальше, за этой яркой областью, в какой-то мере становится видна и тень, отбрасываемая травинками, а значит, суммарная яркость уменьшается. На этом фоне область вокруг тени головы кажется яркой.

Венец вокруг тени на неровной местности обусловлен небольшими углублениями, особенно если они напоминают по форме прямые углы (катафоты). Свет от таких мест отражается обратно в направлении источника света, и вы в какой-то мере видите этот свет. Структура поверхности (ее форма и материал) может дополнительно способствовать отражению света в обратном направлении.

Когда трава покрыта росой, лучи света проходят внутрь капли, отражаются от ее внутренней поверхности и от травинки, а затем выходят из капли обратно, фактически в направлении солнца. Если смотреть на траву вблизи тени головы, этот уходящий к солнцу свет частично виден, а значит, трава выглядит яркой. Но если смотреть на траву сбоку, отраженный обратно свет не виден, то есть трава уже не такая яркая.

Сферическая капля фокусирует солнечный свет в небольшое пятнышко чуть позади себя. Отраженный обратно свет наиболее ярок, если листья покрыты тоненькими волосками, которые могут удерживать каплю на небольшом расстоянии от поверхности листа. На таких листьях получается очень яркий венец.

Когда фонарик освещает капли росы на растении, как и при образовании венца, свет частично отражается обратно в направлении фонарика. Отраженный свет гораздо ярче, если капли почти сферические. На покрытых воскоподобным веществом листьях некоторых растений капли стремятся свернуться в сферические бусинки. Поэтому, если луч света направить на такое растение, по сравнению с другими растениями оно покажется сияющим.

Яркие вспышки, заметные внутри венца во время полета, обязаны своим появлением ретрорефлекторам, или катафотам. Обычно это выполненные из пластмассы или стекла бусины, направляющие отраженный свет обратно к его источнику. Например, в краску для дорожной разметки иногда добавляют крошечные ретрорефлекторы, которые направляют отраженный свет фар обратно к водителю, так что разметка хорошо видна ночью. Когда тень самолета проходит через такой знак, ваш глаз видит свет, отраженный такой краской обратно в направлении солнца. Темные линии, которые иногда сопровождают появление венца, — тени конденсационного следа, оставленного самолетом.

Когда самолет летит достаточно низко и на земле видна его тень, вокруг нее можно заметить яркую полосу. Эта полоса может быть результатом обратного рассеяния света в направлении солнца капельками воды на растениях (тогда это венец) или капельками воды в воздухе. Однако яркую полосу можно увидеть даже в отсутствие капель воды, на сухой земле без всякой растительности. Кроме того, яркую полосу можно увидеть и вокруг тени другого самолета. Такая полоса, конечно, не может появиться из-за капелек воды. В этом случае яркие полосы — оптическая иллюзия. Когда темное пятно (например, тень самолета) соседствует с яркой областью, на границе между ними зрительный анализатор создает иллюзорные зоны, известные как зоны Маха.

Солнечный свет, достигший поверхности Луны, рассеивается практически во всех направлениях. Однако яркость света максимальна при обратном рассеянии в направлении Солнца. Возможна такая гипотеза. Пусть два разделенных небольшим расстоянием луча света проходят через лунный грунт по одной и той же траектории, но в противоположных направлениях, а затем, выйдя из него, — в направлении Солнца. Волны света, соответствующие этим лучам, почти совпадают по фазе (распространяются почти синхронно) и, интерферируя, усиливают друг друга и дают более яркий свет (рис. 6.15б). Так происходит во время полнолуния, когда мы входим в эту яркую полосу света, рассеянного обратно в направлении Солнца, и тогда Луна особенно яркая. В остальные дни мы воспринимаем свет, прошедший через лунный грунт и вышедшей из него, со случайными фазами. Такие световые волны не усиливают друг друга, и поэтому Луна не такая яркая.

Свет, рассеянный некоторыми мхами обратно в направлении Солнца, тоже может быть ярким, поскольку отраженные световые волны усиливают друг друга. Этот яркий, рассеянный мхом в обратном направлении свет можно заметить, если ваша тень падает на достаточно удаленную, покрытую мхом поверхность, но чаще его можно увидеть на аэрофотоснимках.

Газон после стрижки может выглядеть клетчатым из-за ориентации травинок после прохождения косилки. На некоторых участках травинки ориентированы так, что отражают свет в направлении наблюдателя, на других участках травинки ориентированы иначе, и поэтому мы видим только отбрасываемую ими тень.

Трава за забором может выглядеть зеленее, поскольку вы смотрите на нее под углом и не замечаете темную землю под ней. Земля будет видна, если смотреть на траву точно сверху вниз. В поговорке отражено отношение к жизни, но это уже не из области физики.