Фата-моргана
Фата-моргана описана у Антона Павловича Чехова в повести «Чёрный монах». «Тысячу лет тому назад какой-то монах, одетый в чёрное, шел по пустыне, где-то в Сирии или Аравии… За несколько миль от того места, где он шёл, рыбаки видели другого чёрного монаха, который медленно двигался по поверхности озера. Этот второй монах был мираж. Теперь забудьте все законы оптики, которых легенда, кажется, не признаёт, и слушайте дальше. От миража получился другой мираж, потом от другого третий, так что образ чёрного монаха стал без конца передаваться из одного слоя атмосферы в другой.»
Фата-моргана – это редко встречающееся сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями. Это явление часто водило за нос мореплавателей и не менее часто вдохновляло деятелей искусства. Так, в сказке Андерсена «Дикие лебеди» Элиза наблюдает это явление.
«Элиза опять устремила свой взор на замок, и вот горы, леса и замок сдвинулись вместе, и из них образовались двадцать одинаковых величественных церквей с колокольнями и стрельчатыми окнами».
Вы только посмотрите! Это 347-метровый лайнер вместимостью 4180 человек и водоизмещением 168 000 тонн. Который как ни в чём не бывало парит в воздухе!
Принцип Ферма. Закон преломления света.
При́нцип Ферма́ (принцип наименьшего времени Ферма) — постулат в геометрической оптике, согласно которому луч света между двумя точками распространяется по тому пути, который занимает меньше всего времени.

Кейс
Рассмотрим следующую задачу: представьте себе, что вы спасатель, и сидите в точке S, а в точке D тонет ЧЕЛОВЕК. Вы бегаете по земле быстрее, чем плаваете по воде.
Что делать спасателю, чтобы как можно скорее добраться до утопающего?
Конечно, в этих обстоятельствах спасателю глупо анализировать и вычислять, но маршрут, занимающий минимум времени, имеется и его можно рассчитать: это компромисс между прямой дорогой через точку J и дорогой, где меньше всего путь по воде, через точку N.
Преломление света
Опыты.
1. Наберите неполную раковину воды (или любую другую достаточно крупную емкость) и опустите в нее линейку под некоторым углом к вертикали, так как показано на рисунке. Обратите внимание на то, что линейка как будто то бы «искривилась» и ее длина визуально изменилась. Попробуйте объяснить наблюдаемые явления.
2. Для того чтобы проделать еще один опыт для изучения преломления вам потребуется раковина наполненная водой и монета. Положите монетку на дно раковины и посмотрите на нее сверху, вы будете видеть монетку без искажений. Начинайте двигать голову в сторону (как показано на рисунке). Вы будете продолжать видеть монету и после того, как линия, соединяющая ваши глаза и монету будет пересекать край раковины. Данное явление связано с тем, что вследствие преломления вы будете наблюдать не за самой монетой, а за ее изображением, находящимся немного ближе к поверхности воды (подумайте о том, насколько ближе).
Миражи.
Вернёмся к миражам и фата-моргане.
Мираж — оптическое явление в атмосфере: преломление потоков света на границе между резко различными по плотности и температуре слоями воздуха. Для наблюдателя такое явление заключается в том, что вместе с реально видимым отдаленным объектом (или участком неба) также видно и его отражение в атмосфере.
Опишем появление миража в пустыне.
Солнце сильно нагревает песок пустыни. Воздух над песком на некоторое время становится менее плотным, чем в верхних слоях. Поэтому световые лучи, падая под малыми углами на поверхность нагретого слоя воздуха, искривляются и направляются вверх (рис. 1). Наблюдателю кажется, что они отражаются от земли. Обычно отражение происходит от поверхности воды. Поэтому и кажется, что между наблюдателем и горизонтом находится озеро. Образование мнимого изображения предметов из-за отражения света от слоев воздуха малой плотности называется миражом. В жаркий день можно часто наблюдать мираж на асфальтированных дорогах. Свет отражается от нагретых слоев воздуха, и создается впечатление луж, разлитых на асфальте (нижний мираж).
Иногда мираж можно наблюдать над холодной поверхностью моря (рис. 2), когда температура нижних слоев воздуха быстро растет с удалением от морской поверхности. В этом случае лучи света искривляются, поднимаясь в верхние, более теплые слои атмосферы (верхний мираж).
рис.1
рис.2
Фата-моргана – явление более сложное. Фата-моргана возникает в тех случаях, когда в нижних слоях атмосферы образуется (обычно вследствие разницы температур) несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также и преломления лучей, реально существующие (в том числе находящиеся далеко за горизонтом) объекты дают на горизонте или над ним по нескольку искаженных изображений, частично накладывающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создаёт причудливую картину фата-морганы. В каждом отдельном случае фата-моргана своя.
Вот так выглядит, например, двойной мираж:
Фата-моргана может состоять из 3-х, 4-х и большего количества изображений, создавая порой целые города и причудливые конструкции.
Как преломление света встречается в повседневной жизни, кейсы.
Местоположение тел в воде. Преломление в воде.
Блеск бриллиантов. Мокрые предметы становятся темнее.
Из-за явления преломления света, предметы находящиеся под водой мы видим искаженными. Расстояние до предметов под водой нам кажется не таким, какое оно в действительности. Неопытные купальщики нередко подвергаются большой опасности только потому, что забывают об одном любопытном следствии закона преломления света: они не знают, что преломление словно поднимает все погруженные в воду предметы выше истинного их положения. Дно пруда, речки, каждого водоема представляется глазу приподнятым почти на третью часть глубины; полагаясь на эту обманчивую мель, люди нередко попадают в опасное положение.
Вода и человек