Рефракция (преломление света) в атмосфере обусловлена изменением показателя преломления воздуха с высотой. Плотность и температура воздуха изменяются по вертикали, что приводит к неоднородному распределению показателя преломления. Луч света, проходящий через такие слои, отклоняется от прямолинейного пути и изгибается. Это явление лежит в основе формирования миражей — видимых иллюзорных изображений объектов, находящихся за горизонтом или искажённых в форме и положении.
В отличие от простого линейного распространения света в однородной среде, в атмосфере градиенты температуры и давления создают кривизну траекторий лучей. Так, горячий воздух у поверхности земли имеет меньшую плотность и, соответственно, меньший показатель преломления, чем более холодные слои выше. Свет, идущий от удалённого объекта, изгибается к зонам с более высоким показателем преломления, то есть к более плотному воздуху.
Миражи подразделяются на несколько основных типов, в зависимости от характера вертикального температурного градиента.
Нижние миражи Возникают в условиях сильного нагрева земной поверхности (например, в пустынях или на раскалённом асфальте). Вблизи поверхности воздух сильно разогрет и имеет меньший показатель преломления, чем более холодные слои выше. Световые лучи изгибаются вверх, и наблюдатель видит отражение неба на поверхности, воспринимая его как воду или блестящую поверхность. Характерный пример — «озёра» в пустынях или дрожащие отражения на дорогах в жаркий день.
Верхние миражи Формируются при инверсии температуры, когда у поверхности воздуха холоднее, чем выше. Световые лучи изгибаются вниз, в результате чего наблюдатель видит изображение объекта, находящегося за горизонтом. Этот эффект позволяет «поднимать» далёкие корабли или берега над линией горизонта.
Фата-моргана Это сложный тип миража, возникающий при чередовании нескольких слоёв воздуха с различной температурой. Фата-моргана сопровождается многократным искажением изображения: объекты могут казаться вытянутыми, расплывчатыми, раздвоенными или нависающими в воздухе. Данный мираж особенно часто встречается в полярных широтах и над морскими просторами.
Для возникновения миража необходимы следующие физические факторы:
Важно отметить, что миражи — это не локальное отражение света от поверхности (как зеркало), а результат плавного изгиба луча при прохождении через неоднородные слои атмосферы.
В геометрической оптике мираж описывается как следствие изменения направления луча вследствие закона Снеллиуса. Поскольку показатель преломления изменяется непрерывно, траектория луча приобретает криволинейный вид, и наблюдатель воспринимает изображение в ложном положении.
С точки зрения волновой оптики, преломление объясняется замедлением фазы электромагнитной волны в более плотных слоях воздуха. Фронт волны изгибается, следуя закону Ферма о минимуме времени: свет всегда выбирает путь, на который тратит наименьшее время.
Явление атмосферной рефракции тесно связано с миражами, но имеет более широкий спектр проявлений. Даже в обычных условиях атмосфера приводит к видимому смещению небесных тел. Например:
Понимание механизмов миражей и рефракции имеет практическое значение:
Таким образом, миражи представляют собой наглядное проявление атмосферной рефракции и одновременно служат ценным источником информации о состоянии окружающей среды.