Венцы и иризация

Дифракционные явления в атмосфере

Венцы и иризация представляют собой оптические атмосферные явления, обусловленные дифракцией света на мелкодисперсных частицах в облаках или тумане. В отличие от радуги и гало, которые связаны с преломлением и отражением света в каплях или кристаллах, венцы и иризация возникают за счёт волновых свойств света и характерны для взаимодействия света с объектами, сопоставимыми по размерам с длиной волны излучения (около 0,4–0,7 мкм).

Венцы: структура и условия наблюдения

Венец — это система концентрических цветных колец, окружающих Солнце или Луну, часто наблюдаемая в присутствии тонких облаков (высокослоистых или перисто-слоистых), содержащих равномерные по размеру капли воды. Центральная часть венца называется аурой — она яркая и часто белого или слегка окрашенного цвета.

Физический механизм. Венец формируется за счёт дифракции плоской световой волны на сферических частицах воды. При этом в направлении на источник света (нулевой порядок дифракции) происходит интерференционное усиление. Вокруг этого направления на небе появляются кольца дифракционного происхождения. Расчёт интенсивности света в этих кольцах требует применения функций Бесселя (при использовании теории Ми), но основное условие появления чётких колец — однородность размеров частиц.

Угловой радиус кольца обратно пропорционален радиусу капель:

$$ \theta \approx 1.22 \cdot \frac{\lambda}{r} $$

где:

θ — угловое расстояние до первого минимума интенсивности,
λ — длина волны света,
r — радиус капли.

Особенности:

Венцы лучше видны при свете Луны, поскольку яркость Луны позволяет легче различать контрастные кольца.
При поляризованном свете (например, через линзы с поляризатором) структура венца может проявляться отчетливее.
Диаметр венца меньше у облаков, состоящих из мелких капель, и увеличивается по мере уменьшения капель.

Иризация: многоцветные окраски облаков

Иризация — это окрашивание частей облака в нежные, переливающиеся цвета: розовый, голубой, зелёный, фиолетовый. Она часто наблюдается в кучево-дождевых и высококучевых облаках, особенно на их краях или вблизи Солнца.

Физическая природа. Иризация объясняется интерференцией и дифракцией света, рассеянного на отдельных каплях воды или кристаллах льда в облаке. В отличие от венцов, иризация не всегда симметрична и не образует правильных концентрических колец. Цвета могут быть размытыми и непостоянными.

Главные условия возникновения иризации:

Малые размеры капель (до нескольких микрометров).
Относительная однородность капель на небольшом участке облака.
Тонкость слоя облаков, позволяющая свету проходить сквозь него и дифрагировать.

Причины разнообразия окраски:

Взаимное наложение волн, прошедших через капли разного радиуса, вызывает интерференционную картину.
Разные длины волн интерферируют по-разному, что приводит к цветным фрагментам.
Поскольку облака неоднородны, цвета иризации могут быстро меняться по пространству и времени.

Отличия венцов и иризации от других оптических явлений

От радуги: венцы и иризация не требуют присутствия крупных капель воды, не зависят от угла между наблюдателем и источником света, и могут наблюдаться вблизи Солнца, тогда как радуга — напротив источника.
От гало: гало связано с преломлением света в кристаллах льда и формирует геометрически строгие дуги, тогда как венцы — волновое явление, образующее концентрические кольца, и не имеют фиксированного радиуса.
От корон: хотя в некоторых языках «венец» и «корона» — синонимы, в метеорологии различают венец как дифракционное явление, а корону — иногда как эффект, связанный с наложением дифракции и рассеяния в тумане (например, свет фар в тумане).

Цветовая структура и спектральные особенности

Цвета венца и иризации проявляются наиболее ярко в области видимого спектра, где интерференция наиболее эффективна. Основные наблюдаемые цвета:

Внутренние кольца — фиолетовый, синий, зелёный;
Внешние кольца — красноватые, бурые, с постепенным исчезновением при удалении от центра.

Цвета обусловлены тем, что разные длины волн (цвета) имеют разные углы дифракции. При этом фиолетовый и синий наблюдаются ближе к центру венца, а красный — дальше.

Практическое значение и диагностическая ценность

Изучение венцов и иризации имеет значение для оценки микрофизики облаков:

По угловому размеру венца можно определить средний радиус капель и даже стандартное отклонение их размеров.
Иризация указывает на зарождающиеся процессы конденсации, часто наблюдается перед развитием кучево-дождевых облаков.
Чётко выраженный венец — признак однородной структуры облака, а его размытость говорит о вариации размеров частиц.

Эти данные применяются в дистанционном зондировании атмосферы, при анализе спутниковых и наземных наблюдений, а также в задачах моделирования климата.

Условия видимости и методы наблюдения

Для наблюдения венцов и иризации требуется:

Частично прозрачное облако (оптическая толща порядка единиц),
Малый зенитный угол Солнца (вблизи горизонта венцы труднее заметны),
Затенение диска Солнца (например, рукой, зданием, деревом) для увеличения контраста.

Использование поляризационных фильтров может усиливать эффект за счёт устранения паразитных отражений и усиления дифракционной картины. При фотографировании следует использовать короткие экспозиции и нейтральные фильтры.

Связь с размером капель и фазовым состоянием

Размер капель напрямую влияет на характеристики венца. При уменьшении размера капель:

Угловой радиус венца увеличивается;
Цвета становятся менее насыщенными;
Венец может переходить в белую дымку без выраженных колец.

В случае, если облако состоит из кристаллов льда, венец не образуется, или он очень нечеткий. Это позволяет делать выводы о фазовом состоянии облачной воды.

Редкие и необычные проявления

Двойные венцы возникают при наличии капель двух различных, но узких размерных распределений.
Полные венцы с несколькими кольцами — редкое явление, требующее исключительно однородных капель.
Иризация может наблюдаться также в инверсионных следах самолётов или на краях линзовидных облаков, где микрофизические условия обеспечивают стабильность размеров капель.

Моделирование и теоретические основы

Численное моделирование венцов осуществляется с помощью теории Ми и теории дифракции на частицах, предполагающих сферическую форму и известное распределение размеров. Для расчёта яркости и цветовой насыщенности применяются:

Функции рассеяния света в зависимости от длины волны,
Интегрирование по углу и спектру солнечного излучения,
Модели атмосферной прозрачности, учитывающие рассеяние Рэлея и аэрозольное поглощение.

Иризация требует моделирования динамики облачной среды, поскольку она изменчива и зависит от турбулентности, конденсационных процессов и локальных градиентов температуры.

Такие явления, как венцы и иризация, представляют собой наглядные проявления волновой природы света и чувствительную диагностику микрофизических параметров облаков. Их анализ позволяет получать уникальные данные о размерах капель, структуре облаков и фазовом составе атмосферной влаги.