Немного об общей теории венцов, радуг, гало

К настоящему времени многочисленными работами советских и зарубежных ученых создана общая теория рассеяния электромагнитных волн в атмосфере, включающая в себя и теорию венцов, радуг, гало.

Ряд новых теоретических работ по исследованию венцов, глорий, радуг и гало в последнее десятилетие был выполнен зарубежными учеными, имена которых были названы при описании соответствующих явлений.

Согласно теории рассеяния, все рассмотренные явления возникают при дифракции и интерференции солнечных или лунных лучей на каплях и кристаллах облака, тумана или выпадающих осадков. Какое из явлений будет наблюдаться, определяется преобладающим размером элементов облака или осадков. Нельзя назвать четких границ размеров капель и кристаллов, при которых происходит смена одного явления другим. Переход осуществляется постепенно, а главное, что в облаках всегда присутствуют капли и кристаллы всевозможных размеров, как говорят оптики, спектр размеров капель. Для возникновения того или иного явления важно, чтобы в облаке или тумане преобладали капли или кристаллы определенного размера.

Пока элементы облака мелкие, не превышают примерно 6 мкм, наблюдаются типичные дифракционные максимумы в виде венцов (вокруг источников света). Был обнаружен и довольно четкий максимум яркости рассеянного света под углом 180°, соответствующий глории. Этот максимум был виден только в очень тонких облаках.

При укрупнении капелек облака до размеров 10 мкм и больше появляются дифракционные максимумы под углами рассеяния, типичными для положения радуг на небосводе. На индикатрисе рис. 2.2 е, полученной О. Д. Бартеневой, виден максимум, соответствующий первой радуге (под углом рассеяния 138°), на индикатрисе рис. 2.2 ж - несколько дифракционных максимумов. "Пики" радуг отчетливо выражены только при малой оптической толщине облака (менее 1). Дальнейшее укрупнение капель в облаке, возможное лишь при значительном увеличении его оптической толщины, неизбежно приводит к исчезновению радуг.

Появление привычных нам радуг в завесе выпадающего дождя или около фонтанов, водопадов вызвано значительно более крупными каплями, хотя образованная ими завеса выпадающего дождя достаточно тонкая и радуги хорошо видны на фоне более темного неба.

Теоретические исследования дифракционных явлений в кристаллических облаках проводить труднее, и этих работ меньше. Тем не менее было показано, что при малых (также не превышающих 1) оптических толщинах кристаллического облака, состоящего из бесконечно длинных гексагональных цилиндров, появляются слабые максимумы гало начиная с размеров кристаллов 10 мкм, а более отчетливые, при 20 мкм и больше. Это исследование было распространено и на ледяные столбики конечной длины.

Итак, яркие венцы, глории, радуги, гало наблюдаются только в тонких облаках или завесах из капель дождя или из ледяных кристаллов, оптическая толщина которых не превышает 1.

Чем же это вызвано? Дело в том, что только в тонких облаках определяющим является рассеяние первого порядка, оно-то и создает все эти дифракционные максимумы ("пики"), а роль многократного рассеяния еще мала, и оно не смазывает картины, созданной однократным рассеянием.

При достаточном увеличении размеров капель и кристаллов происходит постепенный переход от рассеяния (дифракции) к преломлению и отражению света в каплях и кристаллах. Законы теории рассеяния переходят в формулы геометрической оптики.