Спросите Итана: почему солнечные лучи выглядят, как солнечные лучи?

Если посмотреть на Солнце, когда оно частично закрыто облаками и прячется за этими комками атмосферной воды, вы можете увидеть знакомое зрелище: лучи света, пробивающиеся сквозь облака, и падающие на землю. Иногда они кажутся параллельными, иногда кажется, что они расходятся. Иногда может видеть форму Солнца через облака. Почему так происходит? Наш читатель на этой неделе спрашивает ^[1]:

Можете ли вы объяснить мне, почему в облачный день можно видеть лучи солнца, пробивающиеся сквозь облака? Мне кажется, что поскольку Солнце гораздо больше Земли, и поскольку его фотоны доходят до нас по примерно параллельным путям, мы должны видеть всё небо равномерно освещённым, а не наблюдать небольшой шар света.

Большинство людей даже не задумываются над удивительным фактом существования солнечных лучей.

В типичный солнечный день всё небо освещено. Лучи Солнца падают на Землю почти параллельно, поскольку Солнце очень далеко и оно очень велико по сравнению с Землёй. Атмосфера достаточно прозрачна для того, чтобы весь солнечный свет доходил до поверхности Земли или рассеивался во всех направлениях. Последний эффект и отвечает за то, что в пасмурный день на улице что-то можно рассмотреть – атмосфера отлично рассеивает солнечный свет и заполняет им окружающее пространство.

Именно поэтому в яркий солнечный день ваша тень будет темнее остальной поверхности, на которую она падает, но всё-таки останется подсвеченной. В вашей тени можно рассмотреть землю точно так же, как если бы Солнце скрылось за облаками, и тогда всё остальное становится таким же неярким, как ваша тень, но всё-таки освещается рассеянным светом.

Памятуя об этом, вернёмся к феномену солнечных лучей. Почему, когда Солнце прячется за облаками, иногда можно видеть лучи света? И почему иногда они выглядят, как параллельные колонны, а иногда – как расходящиеся?

Первое, что нужно понять, это то, что рассеивание солнечного света, когда он сталкивается с частицами атмосферы и перенаправляется во все стороны, работает всегда – прячется Солнце за облаками или нет. Поэтому днём всегда присутствует базовый уровень освещения. Поэтому это и есть «день», и поэтому, чтобы найти днём темноту, вам нужно поглубже забраться в пещеру.

А что же такое лучи? Они происходят от промежутков или тонких участков облаков (или деревьев или других непрозрачных объектов), не блокирующих солнечный свет. Этот идущий напрямую свет кажется более ярким, чем его окружение, но его заметно, только если он контрастирует с тёмным, теневым фоном! Если это свет будет повсюду, в нём не будет ничего примечательного, наши глаза приспособятся к нему. Но если яркий луч света оказывается светлее своего окружения, ваши глаза отмечают это и сообщают вам о разнице.

А что насчёт формы лучей? Вы можете подумать, что облака работают, как линзы или призмы, отклоняя или преломляя лучи и заставляя их расходиться. Но это не так; облака поглощают и переиспускают свет одинаково во всех направлениях, поэтому они и непрозрачны. Эффект с лучами возникает только там, где облака не поглощают большую часть света. При проведении измерений оказывается, эти лучи на самом деле параллельны, что соответствует большому расстоянию до Солнца. Если вы понаблюдаете за лучами, направленными не к вам и не от вас, а перпендикулярно линии вашего зрения, вы именно это и обнаружите.

Причина, по которой нам кажется, что лучи «сходятся» к Солнцу та же самая, по которой нам кажется, что рельсы или полотно дороги сходится в одной точке. Это параллельные линии, одна часть которых оказывается ближе к вам, чем другая. Солнце находится очень далеко, и точка, из которой исходит луч, находится дальше от вас, чем точка его соприкосновения с Землёй! Это не всегда очевидно, но именно поэтому лучи принимают форму лучей, что хорошо заметно, когда становится видно, насколько близко вы находитесь к концу луча.

Поэтому наличием луча мы обязаны перспективе окружающих его теней и возможности наших глаз различать яркость прямого света и окружающей его относительной темноты. А причина, по которой лучи кажутся сходящимися, лежит в перспективе, и в том, что точка приземления этих на самом деле параллельных лучей света находится ближе к нам, чем их начальная точка в нижней части облаков. Вот такая наука у солнечных лучей, и вот почему они выглядят именно так!

Автор: SLY_G

Источник ^[2]