Приключения радиолуча

А на острове Мадагаскар придумали даже специальный дорожный знак: «Внимание! Мираж!» Его установили на одном из поворотов шоссе, как раз в месте, где после захода солнца перед глазами водителей возникают поражающие воображение картины — светящиеся фигуры, замки, силуэты людей. Из-за миража разбились несколько десятков водителей.

Иногда миражи приводили к географическим открытиям», особенно в полярных районах. В 1906 году Роберт Пири в одной из своих отчаянных попыток достигнуть Северного полюса поднялся на вершину мыса Томаса Хаббарда, который расположен на северной окраине земли Акселя Гейберга. На северо-западе милях в 120 он увидел заснеженные вершины гор. Несколько позже он снова наблюдал неизвестные горы, но уже с одного из близлежащих островов. Достичь гор Пири не смог, но определил их местонахождение. Вскоре вышли карты, на которых была нанесена новая земля, которую назвали Землей Крокера.

Но Земля Крокера разделила участь Земли Санникова. Эти открытия пришлось «закрыть». Они оказались «миражами». Легенда о «Летучем Голландце» — призрачном корабле, в основном обитающем у побережья Южной Африки, тоже обязана своим происхождением Фата Моргане.

Чем же объясняются такие причуды распространения световых волн? Один из основных оптических законов, о котором упоминается за 300 лет до нашей эры в сочинении Евклида, гласит — свет распространяется по прямым линиям. Однако воздушный океан, именуемый атмосферой, на дне которого мы живем, далеко не однороден. В неоднородной среде траектория светового луча искривляется. Еще ученые древности пытались постичь законы распространения световых волн в атмосфере. В трудах древнегреческих ученых I и II веков нашей эры Клеомеда и Птоломея упоминается об искривлении (рефракции) светового луча в земной атмосфере, из-за которого звезды и планеты видны несколько выше того места, где они находятся в действительности. Они объяснили это явление преломлением света в атмосфере.

Слово «мираж» произошло от французского глагола semirer — «отражаться в зеркале». Но, хотя многие миражи напоминают картины, которые можно увидеть в кривом зеркале, эффект отражения не является причиной возникновения миражей. Атмосфера порождает миражи, действуя как линза, а не как зеркало, то есть не благодаря отражению света, а в силу рефракции. Она, атмосфера, играет роль огромной воздушной линзы с малым показателем преломления. Его величина равна отношению скоростей распространения электромагнитных волн (в том числе и света) в вакууме и земной атмосфере. Показатель преломления атмосферной линзы непостоянен. Он зависит от метеорологических условий (давления воздуха, температуры, влажности). При определенных метеорологических условиях создается как бы целая цепочка атмосферных линз, которая искривляет траекторию луча таким образом, что он движется почти параллельно земной поверхности. Происходит постоянная «перефокусировка» световых лучей к центру невидимой оси атмосферных линз. Теоретически, если бы такие метеорологические условия смогли возникнуть на всей территории Земли, можно было бы окинуть взглядом весь земной шар и увидеть… даже собственный затылок. Вероятность такого события, конечно, исчезающе мала. Однако бывают случаи, когда такие условия создаются на очень больших расстояниях. Тогда и наблюдаются миражи-рекордсмены.

Цепочка атмосферных линз работает подобно уже упоминавшемуся диэлектрическому волноводу. Волноводный эффект в диэлектрическом стержне обусловлен тем, что скорость волн в диэлектрике меньше, чем в воздухе. Чем ближе к центру стержня, тем скорость распространения меньше. Поэтому фронты волн прижимаются к стержню и энергия концентрируется внутри диэлектрика.

Атмосферные линзы далеки от идеальных, используемых в телескопах и фотокамерах. Последние сделаны из стекла и строго однородны по показателю преломления. Искривление траектории света и характер изображения определяются кривизной поверхности линзы. Атмосферные же линзы не имеют определенной формы, они расфокусированы и астигматичны. Характеристики таких линз меняются самым причудливым образом. Отсюда их удивительная способность создавать различные видения и искажать реальные изображения объектов до неузнаваемости. В этом причина таинственности миражей, послуживших основой для легенд и суеверий.

Уже упомянутый американский метеоролог А. Фрэйзер разработал подробную теорию Фата Морганы и ее Математическую модель. Мираж, полученный на выходе ЭВМ, почти не отличается от реального миража.

Искусственные световые волны, генерируемые лазером, при миражах ведут себя так же, как и естественный свет — их дальность действия намного превышает прямую видимость. Известны случаи, когда лазерная система связи устойчиво работала на расстоянии свыше 300 километров.

Создание мощных лазеров привело к фундаментальным открытиям в оптике. Родилось новое направление — нелинейная оптика, в которой показатель преломления среды распространения зависит от интенсивности пучка света. В 1962 году советский физик Г. А. Аскарьян теоретически предсказал явление самофокусировки светового луча. Луч лазера в среде распространения создает сам себе волновод! Он не разбегается в стороны, как обычный солнечный луч, а стягивается в тончайшую световую нить. Правда, это происходит при условии, если достаточна мощность лазера. Например, если среда распространения — сероуглерод, то требуется мощность лазера 10 киловатт, а в некоторых сортах оптического стекла достаточно одного ватта.

Новое открытие заинтересовало ученых многих стран. Его назвали сенсацией века. Открывалась возможность использовать самофокусирующиеся лучи для передачи энергии без потерь на большие расстояния. Но получить стабильный самофокусирующийся сигнал пока не удалось. Зато в самофокусирующемся луче была обнаружена… высокотемпературная плазма. Открылась еще одна тропа к овладению термоядерной энергетикой. Проблема самофокусировки ждет своего решения. Сейчас даже трудно предугадать, какие новые возможности откроют перед нами самофокусирующиеся лучи. Ведь Аскарьян предсказал, что самофокусироваться могут не только световые, но и радиоволны, а также ультразвуковые, звуковые и гиперзвуковые волны, возбуждаемые мощными лучами лазеров в плотных средах. За открытие и исследование эффекта самофокусировки группе ученых, в том числе и Аскарьяну, присуждена Ленинская премия 1988 года.

ГРОМ ОРУДИЙ РАЗДАЕТСЯ…

В 1837 году в Лондоне в честь коронации королевы Виктории был произведен мощный артиллерийский салют. Гром орудий был услышан далеко на материке на расстоянии 200—300 километров, хотя ближе, на расстоянии 50 километров, его не было слышно. Такая же «сверхслышимость» наблюдалась при взрывах артиллерийских складов в Москве в мае 1920 года, при больших взрывах, производившихся в Германии в 1923—1926 годах и во Франции в мае 1924 года, когда уничтожались запасы боеприпасов, оставшихся после мировой войны.

Случаи столь дальнего распространения звука обязаны также природным волноводам, но только акустическим. Их иногда называют звуковыми каналами. Конечно, акустический и оптический волноводы различны, потому что длина волны световых колебаний в сотни тысяч раз меньше длины волны звука. Но принцип действия остается таким же — акустический волновод не дает «разбегаться» звуковым волнам, его невидимые стенки постоянно возвращают звук к воображаемой оси — туда, где скорость звука минимальна.

Между скоростью звука в атмосфере и ее температурой имеется прямая связь — скорость звука уменьшается с понижением температуры. Запуски метеорологических ракет в СССР и США позволили получить полную картину распределения температуры по высоте. Оказалось, что на высотах около 15—80 километров температура достигает своих минимальных значений. Здесь и проходят оси акустических волноводов — верхнего и нижнего. Для земных наблюдателей основную роль играет, конечно, нижний волновод. Звуковые волны от источников, расположенных ниже 50 километров, «захватываются» нижним волноводом и концентрируются им в пределах высот от 3 до 40 километров. Но при определенных условиях (например, при холодной погоде) они прорываются в некоторых местах сквозь «нижнюю стенку» волновода, и тогда там наблюдается эффект «сверхслышимости».