Фата-моргана: почему над морем появляются искажённые корабли и берега

На фотографии, сделанной 7 июня 2016 года на Балтике, паром трудно узнать. Его изображение вытянуто вверх, а вдоль горизонта проходят тонкие полосы. Судно будто превратилось в странное сооружение над водой. Так меняется вид далёких предметов при фата-моргане — сложном мираже, который создают неодинаково прогретые слои воздуха.

Свет от парома идёт к наблюдателю по искривлённому пути. Воздух способен приподнять изображение, перевернуть его, растянуть отдельные части или показать несколько копий одновременно. Сам корабль при этом остаётся на воде.

Воздух, который меняет путь света

Обычно от далёкого корабля к глазу приходит свет, и мы без труда определяем, где находится судно. Но воздух вдоль этого пути не всегда однороден. Его температура и плотность меняются с высотой, а вместе с ними меняется показатель преломления — величина, от которой зависит распространение света в среде.

С преломлением знаком каждый, кто видел ложку в стакане воды: на границе сред она кажется изломанной. В атмосфере переходы часто плавные. Поэтому и луч может изгибаться постепенно, проходя через слои с разной температурой.

Для верхнего миража подходят условия, при которых холодный воздух лежит внизу, а более тёплый — над ним. Такое расположение называют температурной инверсией. Оно возникает, например, когда тёплый воздух приходит над холодной водой или льдом и снизу охлаждается.

Как объясняет Гонконгская обсерватория, при таком распределении температур свет от далёкого объекта может изгибаться вниз. Луч попадает в глаз под таким углом, что изображение кажется расположенным выше настоящего предмета. Поэтому корабль или берег выглядят приподнятыми.

Вид миража зависит от положения наблюдателя. Глаз получает только те лучи, которые дошли до этой точки. Стоит подняться выше или спуститься ближе к воде, и часть изображения может исчезнуть либо изменить форму. Камера рядом с наблюдателем запишет ту же картину. Мираж вполне можно сфотографировать.

Как один корабль превращается в несколько

Простой подъём изображения ещё не объясняет всех странностей фата-морганы. От корпуса, палуб и мачт свет идёт разными путями. Если температурные слои сложились определённым образом, лучи от одного участка могут прийти к наблюдателю с нескольких направлений. Тогда появляются дополнительные изображения.

При пересечении лучей меняется порядок деталей по высоте: верх предмета оказывается внизу, низ — вверху. Так возникает перевёрнутая копия. Рядом с ней могут сохраниться обычное изображение и участки с сильным увеличением. Одна часть корабля вытягивается, другая сжимается почти в линию.

В Международном атласе облаков Всемирной метеорологической организации фата-моргана описана как особенно сложный верхний мираж. Для неё характерны сильные, меняющиеся искажения. Она отличается от знакомого «отражения», в котором весь предмет просто перевёрнут: здесь разные части видимого объекта могут выглядеть совершенно по-разному.

Астроном Эндрю Янг рассчитывал такие изображения, развивая модель верхнего миража Альфреда Вегенера. В расчёте использовалась простая треугольная мишень. При изменении расстояния её вид сначала оставался обычным, затем появлялась перевёрнутая часть, а дальше получались вытянутые и деформированные фигуры.

Модель позволяет проследить происхождение каждого участка. Высокая «башня» может получиться из небольшой детали, растянутой по вертикали. Широкая полоска — из сжатого изображения. Для этого вдали не обязательно должны стоять настоящие башни или стены: нужную форму приобретает световой образ другого предмета.

Когда распределение температуры меняется, перестраиваются и пути лучей. Поэтому за наблюдаемым силуэтом бывает трудно уследить. Только что он напоминал корабль, затем корпус разделился на полосы, а спустя некоторое время вновь стали видны знакомые очертания. На одном кадре из такой серии самая необычная форма может выглядеть как самостоятельный объект.

Расчёт треугольной мишени объясняет принцип, но для точного воспроизведения конкретной фотографии нужны сведения об условиях съёмки: расстояние до корабля, высота камеры и температура воздуха вдоль всего пути. У большинства случайных наблюдений такого набора измерений нет. Обычно сохраняется сама последовательность снимков, по которой можно изучать видимые изменения.

Чем это отличается от «воды» на асфальте

Летом на дороге вдали часто блестит будто бы лужа. По мере приближения она отступает, а асфальт под колёсами остаётся сухим. Это нижний мираж. Нагретый асфальт согревает самый нижний слой воздуха, и температура у поверхности оказывается выше, чем над ней.

Свет изгибается вверх. До водителя доходят лучи от неба, но приходят они с направления дороги. Светлая область напоминает отражение в воде. В верхнем мираже, к которому относится фата-моргана, температурные слои расположены иначе: снизу холоднее.

Поэтому холодная погода вполне совместима с миражом. Для его возникновения имеет значение разница температур на разной высоте, а не то, жарко ли человеку на берегу. Над водой могут наблюдаться оба вида — в зависимости от того, что теплее: её поверхность или воздух.

Гонконгская обсерватория описала нижний мираж над морем в феврале 2020 года. После холодного фронта воздух остыл сильнее воды. Изображение острова исказилось в условиях, похожих на те, которые летом создаёт нагретая дорога. Одного указания «мираж над морем» поэтому недостаточно, чтобы определить его вид.

В случае фата-морганы особенно заметно сложное сочетание нескольких изображений, вытянутых и сжатых частей. Оно может занимать совсем небольшую полосу у горизонта. Слово «верхний» не требует, чтобы корабль оказался высоко над головой: оно описывает положение изображения относительно настоящего предмета.

Почему «летящий корабль» не всегда фата-моргана

Иногда на фотографии нет ни нескольких копий, ни перевёрнутого силуэта. Судно выглядит почти обычным, только под ним лежит светлая полоса, похожая на воздух. Такой кадр тоже принято называть фата-морганой, хотя причина может быть проще.

Янг разбирает явление looming — видимый подъём далёкого предмета из-за усиленной рефракции. При этом морской горизонт может отодвинуться и стать слабоконтрастным. Если дальняя вода сливается с дымкой, зрителю трудно понять, где она заканчивается. На этом фоне корпус кажется подвешенным.

В строгом употреблении, которого придерживается исследователь, один лишь подъём без дополнительного перевёрнутого изображения ещё не считается миражом. В повседневной речи различие обычно не соблюдают. Однако для объяснения конкретного снимка оно полезно: обычный приподнятый силуэт и многослойная деформация требуют разного описания.

Фотография также может усиливать впечатление необычности. Длиннофокусный объектив крупно показывает небольшую область далёкого горизонта. На балтийском снимке в начале статьи, согласно метаданным, использовалось фокусное расстояние 300 миллиметров. Зритель рассматривает детали, которые без увеличения занимали бы значительно меньшую часть поля зрения.

После обрезки кадра может исчезнуть и ближняя вода, по которой удобно оценивать расположение горизонта. От этого подлинное оптическое явление становится труднее понять. Полный снимок и соседние кадры обычно дают больше сведений, чем отдельный увеличенный корабль на светлом фоне.

При чём здесь фея Моргана

Итальянское название Fata Morgana связано с Морганой из артуровских преданий. Особенно известны были необычные виды над Мессинским проливом между Сицилией и материковой Италией. Старые наблюдатели узнавали в меняющихся очертаниях города, колоннады, леса и войска.

В своём разборе истории фата-морганы Янг сопоставляет эти описания с оптикой миражей. Названия знакомых вещей помогали людям передать увиденное. По словам «город» или «колоннада» теперь трудно установить, какой именно берег или предмет дал такое изображение.

Сегодня фата-моргану наблюдают далеко за пределами Мессинского пролива: на морских побережьях, у больших озёр, в полярных районах. Холодная вода и лёд благоприятствуют появлению инверсий, но подходящие слои воздуха встречаются и в более тёплых широтах. Поэтому южное происхождение названия вполне сочетается с балтийской фотографией.

В рассказах о кораблях-призраках тоже можно узнать детали, похожие на мираж: необычное положение над горизонтом, меняющуюся форму, внезапное исчезновение. Для конкретной легенды одного такого сходства мало, чтобы восстановить событие. Зато современное наблюдение можно сохранить гораздо полнее.

Если силуэт начал искажаться, полезна серия кадров с одной точки, где вместе с ним видны вода и берег. Время, направление съёмки и несколько снимков с другой высоты помогут разобраться, как менялся вид. По такой последовательности легче отличить собственное движение парома по морю от изменений его изображения в воздухе.