Добавить свою цену в базу

Комментарий

Почему небо голубое? Трудно найти ответ на такой простой вопрос. Многие ученые ломали себе голову в поисках ответа. Наилучшее решение проблемы предложил около 100 лет назад английский физик лорд Джон Рэлей .

Солнце излучает ослепительно чистый белый свет. Значит и цвет неба должен быть таким же, но оно все таки голубое. Что же происходит с белым светом в земной атмосфере?

Белый свет — это смесь цветных лучей. С помощью призмы мы можем сделать радугу.

Призма раскладывает белый луч на цветные полосы:

■ Красную

■ Оранжевую

■ Желтую

■ Зеленую

■ Голубую

■ Синюю

■ Фиолетовую

Соединяясь вместе, эти лучи вновь образуют белый свет. Можно предположить, что солнечный свет сначала расщепляется на цветные составляющие. Потом что-то происходит, и поверхности Земли достигают только голубые лучи.

Так почему же небо голубое?

Есть несколько возможных объяснений. Воздух, окружающий Землю,- это смесь газов: азота, кислорода, аргона и других. В атмосфере присутствуют еще водяной пар и кристаллики льда. В воздухе взвешены пыль и другие мелкие частицы. В верхних слоях атмосферы находится слой озона. Может быть причина в этом? Некоторые ученые считали, что молекулы озона и воды поглощают лучи красного цвета и пропускают голубые. Но оказалось, что в атмосфере просто не хватит озона и воды, чтобы окрасить небо в голубой цвет.

В 1869 году англичанин Джон Тиндалл предположил, что пыль и другие частицы рассеивают свет. Синий свет рассеивается в наименьшей степени и проходит слои таких частиц, достигая поверхности Земли. В своей лаборатории он создал модель смога и осветил ее ярким белым лучом. Смог окрасился в глубокий синий цвет. Тиндалл решил, что если бы воздух был абсолютно чист, то ничто бы не рассеивало свет, и мы могли бы любоваться ярким белым небом. Лорд Рэлей тоже поддерживал эту идею, но недолго. В 1899 году он опубликовал свое объяснение:

Именно воздух, а не пыль или дым, окрашивает небо в голубой цвет.

Основная теория о голубом цвете неба

Часть солнечных лучей проходит между молекулами газа, не сталкиваясь с ними, и без изменений достигает поверхности Земли. Другая, большая часть, поглощается газовыми молекулами. При поглощении фотонов молекулы возбуждаются, то есть заряжаются энергией, а затем испускают ее в виде опять-таки фотонов. Эти вторичные фотоны имеют разную длину волны и могут быть любого цвета - от красного до фиолетового. Разлетаются они во всех направлениях: и к Земле, и к Солнцу, и в стороны. Лорд Рэлей предположил, что цвет испускаемого луча зависит от преобладания в луче квантов того или иного цвета. При столкновении молекулы газа с фотонами солнечных лучей на один вторичный квант красного цвета приходится восемь квантов синего.

Каков результат? Интенсивный голубой свет буквально льется на нас со всех сторон из миллиардов молекул газов атмосферы. К этому свету примешаны фотоны других цветов, поэтому он не имеет чисто синего тона.

Почему тогда закат красный?

Однако, небо голубое не всегда. Закономерно возникает вопрос: если мы видим в течение всего дня синее небо, почему закат красный? Красный цвет меньше всего рассеивается молекулами газа. Во время заката Солнце приближается к горизонту и солнечный луч направлен к поверхности Земли не вертикально, как днем, а под углом.

Поэтому путь, который он проходит через атмосферу, намного больше того, что он проходит днем, когда Солнце стоит высоко. Из-за этого сине-голубой спектр поглощается в толстом слое атмосферы, не доходя до Земли. А более длинные световые волны красно-жёлтого спектра доходят до поверхности Земли, окрашивая небо и облака в характерные для заката красный и жёлтый цвета.

Научное объяснение

Выше мы дали ответ сравнительно простым языком. Ниже мы процитируем обоснование с использованием научных терминов и формул.

Отрывок из Wiki:

Небо выглядит голубым по той причине, что воздух рассеивает свет с короткой длиной волны сильнее длинноволнового излучения света. Интенсивность рассеяния Релея, обусловленного флуктуациями количества молекул газов воздуха в объемах, соизмеримых с длинами волн света, пропорционально 1/λ 4 , λ — длина волны, т. е. фиолетовый участок видимого спектра рассеивается в приблизительно 16 раз интенсивнее красного. Так как излучение синего цвета имеет более короткую длину волны, в конце видимого спектра, он больше рассеивается в атмосфере, чем красный. Благодаря этому участок неба вне направления на Солнце имеет голубой цвет (но не фиолетовый, так как солнечный спектр неравномерный и интенсивность фиолетового цвета в нём меньше, а также вследствие меньшей чувствительности глаза к фиолетовому цвету и большей к синему, который раздражает не только чувствительные к синему цвету колбочки в сетчатке, но и чувствительные к красным и зеленым лучам).

Во время заката и рассвета свет проходит по касательной к земной поверхности, так что путь, проходимый светом в атмосфере, становится намного больше, чем днём. Из-за этого большая часть синего и даже зелёного света рассеивается из прямого солнечного света, поэтому прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небо вблизи горизонта окрашиваются в красные тона.

Вероятно, при другом составе атмосферы, например, на других планетах цвет неба, в том числе и при закате светила, может быть другим. Например, цвет неба на Марсе красновато-розовый.

Рассеяние и поглощение - главные причины ослабления интенсивности света в атмосфере. Рассеяние меняется как функция от отношения диаметра рассеивающей частицы к длине волны света. Когда это отношение меньше 1/10, возникает рэлеевское рассеяние, при котором коэффициент рассеяния пропорционален 1/λ 4 . При бо́льших значениях отношения размера рассеивающих частиц к длине волны закон рассеивания изменяется согласно Уравнению Гюстава Ми; когда же это отношение больше 10, с достаточной для практики точностью применимы законы геометрической оптики.

Красоту неба не раз изображали художники, описывали писатели и поэты, даже люди, очень далекие от искусства, засматриваются в эту манящую бездну, восхищаются нею, не находя ни слов, ни достаточных эмоций для выражения тех чувств, которые бередят душу и разум. Высь притягивает человека в любом амплуа, она прекрасна своей кристальной голубой гладью, не менее привлекательны и ее бурлящие потоки бело-серых туч, сменяемых легкими вкраплениями перистых облаков или пышных кучевых «барашков». И сколь бы меланхолично ни выглядело пасмурное небо, обволакивающее своей глубиной, оглушающее и давящее всей массой, оно также вызывает бурю эмоций и переживаний, навевая мысли на особую волну.

Красоту видит смотрящий

Каждый человек по-своему воспринимает мир. Для одних он угрюмый и серый, другие, наоборот, видят лишь цветущую, зеленую, исполненную красок планету. Также неодинаково оцениваем мы небеса над нашими головами. Если брать во внимание человека с обычным цветовым восприятием, то он будет видеть небосвод таким, как принято его считать - голубым, серым, розоватым на закате, дымчато-сизым на рассвете.

На деле же эти краски - это лишь то, что способны передать нам наши глаза и мозг. Зрению людей проще всего воспринять пасмурное небо серым. В ясную погоду над головами у нас бескрайняя лазурь, на деле же атмосферный купол ближе фиолетовому оттенку, если смотреть на него со стороны Земли.

В данной публикации мы выясним, почему небо в пасмурный день серое и то, от чего зависит насыщенность этой окраски, также узнаем, как его расцветка меняется на протяжении суток и года и что влияет на эти процессы.

Бездонный океан в вышине

Над территорией Европейских стран небосвод в теплую пору года обычно поражает своим насыщенным Иногда о нем можно сказать, что оно синее-синее. Однако если уделить тому, что происходит над нашими головами, хотя бы один день и внимательно понаблюдать за природными процессами, то можно заметить градацию цвета, который очень сильно меняется с момента восхода солнца и до того момента, как оно полностью сядет.

Летом небо кажется таким чистым и визуально высоким из-за низкой влажности, отсутствия большого количества облаков, которые, накапливая воду, постепенно опускаются все ближе к земле. В ясную погоду наш взгляд смотрит даже не на сотни метров вперед, а на расстояние, равное 1-1,5 км. Поэтому и воспринимаем мы небо столь высоким и ярким - отсутствие помех на пути световых лучей в атмосфере способствует тому, чтобы они не преломлялись, а глаза воспринимали его цвет именно голубым.

Почему небо меняет цвет

Такая перемена описана наукой, правда, не столь живописно, как писателями, и называется диффузным излучением неба. Если говорить простым и доступным для читателя языком, то объяснить процессы цветообразования небес можно так. Свет, который излучает солнце, проходит сквозь воздушную прослойку вокруг Земли, она его рассеивает. Проще этот процесс происходит с волнами короткой длины. Во время максимального подъема небесного светила над нашей планетой, в точке, расположенной вне его направления, будет наблюдаться самый яркий и насыщенный голубой цвет.

Однако когда солнце садится или встает, его лучи проходят по касательной к поверхности Земли, свету, излучаемому ими, нужно проходить более долгий путь, а значит и рассеваются в воздухе они в гораздо большей мере, чем днем. В результате человек воспринимает утром и вечером небо в розовых и красных тонах. Сильнее всего это явление видно, когда над нами пасмурное небо. Облака и тучи тогда становятся очень яркими, зарево садящегося солнца окрашивает их в потрясающие

Грозовая сталь

Но что такое пасмурное небо? Почему оно становится таким? Это явление выступает одним из звеньев круговорота воды природе. Поднимаясь ввысь в виде пара, водяные частички попадают в атмосферный слой с более низкой температурой. Накапливаясь и охлаждаясь на большой высоте, они соединяются между собой, превращаясь в капли. В тот момент, когда эти частицы еще очень малы, и предстают нашему взору красивые белые кучевые облака. Однако чем большими становятся капли, тем больше в тучах серого.

Иногда, глядя на небо, по которому проплывают эти огромные «барашки», можно увидеть, что одна их часть окрашена в серый цвет, другие и вовсе приобретают стальной грозовой оттенок. Такая трансформация объясняется тем, что капли в облаках имеют разную величину и форму, поэтому и свет они преломляют по-разному. Когда небо пасмурное абсолютно, оно сплошь окрашено в мышино-серые тона, до нас доходит только белый свет.

Необъятные дымчатые просторы

Бывают такие дни, когда серое пасмурное небо не имеет ни единого просвета. Так происходит, когда концентрация облаков и туч очень высокая, они обволакивают все зрительное пространство в вышине. Иногда они воспринимаются как огромная давящая масса, готовая обрушиться на голову. Причем наиболее характерно такое явление продемонстрировано осенью и зимой, когда температура воздуха низкая, а вот влажность, наоборот высокая и находится на уровне 80-90 %.

В такие дни облака очень сильно приближены к земной поверхности, они располагаются всего в сотне-другой метров от нее. Описание пасмурного неба часто имеет меланхоличные и депрессивные нотки, и связано это, скорее всего, именно с теми ощущениями, которые возникают, когда чувствуешь себя один на один с этой мрачной громадиной, готовой низвергнуться на тебя дождем и холодом.

А все могло быть иначе…

То, какими тонами играет небосвод, зависит от интенсивности светового излучения и длины волн, достигающих планеты, поэтому зимой даже в ясные дни он сизо-голубой. Но чем ближе весна и выше расположение солнца, тем ярче его синева, особенно в дни, когда рассеивается дымка в верхних слоях атмосферы, искажающая попадание света.

Ученые выяснили, что на других планетах небо вовсе может не иметь привычных для нас голубых и серых цветов, на Марсе, к примеру, оно розовое даже в разгар светового дня.

Простое объяснение

Что такое небо?

Небо это бесконечность. Для любого народа, небо символ чистоты, ведь считается, что там живет сам Бог. Люди, обращаясь к небу, просят дождя, или наоборот солнца. То есть, небо не просто воздух, небо это символ чистоты и непорочности.

Небо - это всего лишь воздух, тот обычный воздух, которым мы ежесекундно дышим, тот которые нельзя увидеть и потрогать, потому что он прозрачный и невесомый. Но дышим-то мы прозрачным воздухом, почему же он над головой приобретает такой голубой цвет? Воздух содержит в себе несколько элементов, азот, кислород, углекислый газ, пары воды, различные пылинки, которые постоянно находятся в движении.

С точки зрения физики

На практике, как говорят физики, небо это просто воздух, окрашенный солнечными лучами. Если говорить проще, то солнце светит на Землю, но солнечные лучи для этого должны пройти через огромный слой воздуха, который буквально окутывает Землю. А так, как солнечный луч имеет множество цветов, а точнее семь цветов радуги. Для тех, кто не знает, стоит напомнить, что семь цветов радуги это красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Причем, все эти цвета имеет каждый луч и он, проходя через этот слой воздуха, то он разбрызгивает во все стороны различные цвета радуги, но вот сильнее всего происходит раскидывание голубого цвета, за счет которого небо и приобретает голубую окраску. Если охарактеризовать коротко, то голубое небо - это брызги, которые дает луч, окрашенный в этот цвет.

А на Луне

Там нет атмосферы и следовательно, небо на Луне не голубое, а черное. Космонавты, которые выходят на орбиту видят черное-черное небо, на котором сверкают планеты и звезды. Конечно же, небо на Луне выглядит очень красиво, но всё-таки не хотелось бы видеть над головой постоянно черное небо.

Небо меняет цвет

Небо не всегда бывает голубого цвета, оно имеет свойство менять цвет. Все, наверное, замечали, что иногда оно беловатое, иногда иссиня-черное… Почему так? Например, ночью, когда солнце не посылает свои лучи, мы видим небо не голубым, атмосфера кажется нам прозрачной. И сквозь прозрачный воздух, человек может увидеть планеты и звезды. А днем, голубой цвет снова надежно спрячет от посторонних глаз таинственный космос.

Различные гипотезы Почему небо голубое? (гипотезы Гете, Ньютона, ученых XVIII в., Рэлея)

Каких только гипотез не выдвигалось в разное время для объяснения цвета неба. Наблюдая, как дым на фоне темного камина приобретает синеватый цвет, Леонардо да Винчи писал: „...светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной, чем превосходными будут светлое и темное". Примерно такой же точки зрения придерживался Гёте , который был не только всемирно известным поэтом, но и крупнейшим ученым естествоиспытателем своего времени. Однако такое объяснение цвета неба оказалось несостоятельным, поскольку, как стало очевидно позднее, смешение черного и белого может дать только серые тона, а не цветные. Синий цвет дыма из камина обусловливается совершенно другим процессом.

После открытия интерференции, в частности в тонких пленках, Ньютон пытался применить интерференцию к объяснению цвета неба. Для этого ему пришлось допустить, что капли воды имеют форму тонкостенных пузырей, наподобие мыльных. Но так как капельки воды, содержащиеся в атмосфере, в действительности представляют собой сферы, то и эта гипотеза вскоре „лопнула", как мыльный пузырь.

Ученые XVIII в. Мариотт, Бугер, Эйлер думали, что голубой цвет неба объясняется собственным цветом составных частей воздуха. Такое объяснение даже получило некоторое подтверждение позднее, уже в XIX в., когда установили, что жидкий кислород имеет голубой цвет, а жидкий озон -- синий. Ближе всех к правильному объяснению цвета неба подошел О.Б. Соссюр. Он считал, что если бы воздух был абсолютно чистым, то небо было бы черным, но воздух содержит примеси, которые отражают преимущественно голубой цвет (в частности -- водяной пар и капельки воды). Ко второй половине XIX в. накопился богатый экспериментальным материал по рассеянию света в жидкостях и газах, в частности была обнаружена одна из характеристик рассеянного света, поступающего от небосвода,-- его поляризация. Первым ее открыл и исследовал Араго. Это было в 1809 г. Позднее исследованиями поляризации небесного свода занимались Бабине, Брюстер и другие ученые. Вопрос о цвете неба настолько приковывал внимание ученых, что проводимые эксперименты по рассеянию света в жидкостях и газах, имевшие гораздо более широкое значение, проводились под углом зрения „лабораторное воспроизведение голубого цвета неба". Об этом говорят и названия работ: „Моделирование голубого цвета неба" Брюкке или „О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще" Тиндаля. Успехи этих экспериментов направили мысли ученых по правильному пути -- искать причину голубого цвета неба в рассеянии солнечных лучей в атмосфере.

Первым, кто создал стройную, строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей. Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на самих молекулах воздуха. Первая работа Рэлея ПО рассеянию света была опубликована в 1871 г. В окончательном виде его теория рассеяния, основанная на электромагнитной природе света, установленной к тому времени, была изложена в работе „О свете от неба, его поляризации и цвете", вышедшей в свет в 1899 г. За работы в области рассеяния света Рэлея (его полное имя Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей III) часто называют Рэлеем Рассеивающим, в отличие от его сына, лорда Рэлея IV. Рэлея IV за большой вклад в развитие физики атмосферы называют Рэлеем Атмосферным. Для объяснения цвета неба приведем только один из выводов теории Рэлея, к другим мы еще будем обращаться несколько раз при объяснении различных оптических явлений. Этот вывод гласит: яркость, или интенсивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу. Таким образом, молекулярное рассеяние чрезвычайно чувствительно к малейшему изменению длины волны света. Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 мкм) примерно в два раза меньше длины волны красных (0,8 мкм). Поэтому фиолетовые лучи будут рассеиваться в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающих лучей их в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все цветные рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым.

Прямой солнечный свет (т. е. свет, исходящий непосредственно от солнечного диска), теряя за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи, приобретает слабый желтоватый оттенок, который усиливается при опускании Солнца к горизонту. Теперь лучам приходится проходить в атмосфере все больший и больший путь. На длинном пути потери коротковолновых, т. е. фиолетовых, синих, голубых, лучей становятся все более заметными, и в прямом свете Солнца или Луны до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи -- красные, оранжевые, желтые. Поэтому цвет Солнца и Луны становится сначала желтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба это два следствия одного и того же процесса рассеяния. В прямом свете, после того как он проходит сквозь толщу атмосферы, остаются преимущественно длинноволновые лучи (красное Солнце), в рассеянный свет попадают коротковолновые лучи (голубое небо). Так теория Рэлея очень наглядно и убедительно объяснила загадку голубого неба и красного Солнца.

небо тепловой молекулярный рассеяние

Цвет неба при разных состояниях погоды бывает различным, меняясь от белесоватого до интенсивно синего. Теория, объясняющая цвет неба была разработана Рэлеем.

По этой теории цвет неба объясняется тем, что лучи солнца, многократно отражаясь от молекул воздуха и мельчайших частичек пыли, рассеиваются в атмосфере. Световые волны разной длины рассеиваются молекулами неодинаково: молекулы воздуха рассеивают преимущественно коротковолновую часть видимого солнечного спектра, т.е. голубые, синие и фиолетовые лучи, а так как интенсивность фиолетовой части спектра невелика сравнительно с голубой и синей частями, то небо и представляется голубым или синим.

Значительная яркость небесного свода объясняется тем, что земная атмосфера имеет значительную толщу и свет рассеивается громадным числом молекул.

На больших высотах, например, при наблюдениях с космических кораблей, над головой наблюдателя остаются разряженные слои атмосферы с меньшим числом молекул, рассеивающих свет, а следовательно, и яркость небесного свода уменьшается. Небо кажется темнее, его цвет с увеличением высоты меняется. Небо кажется темнее, его цвет с увеличением высоты меняется от тёмно-синего до тёмно-фиолетового. Очевидно, что на ещё больших высотах и за пределами атмосферы небо представляется наблюдателю чёрным.

Если воздух содержит большое количество относительно крупных частиц, то эти частицы рассеивают и более длинные световые волны. В этом случае небо приобретает белесоватый цвет. Крупные водяные капли, или водяные кристаллики, из которых состоят облака, приблизительно одинаково рассеивают все спектральные цвета, и облачное небо имеет поэтому бледно-серый цвет.

Это подтверждают проведённые наблюдения, в ходе которых отмечались метеорологические условия и соответствующий цвет неба над городом Новокузнецком.

Характерные оттенки в цвете неба 28-29 ноября обусловлены присутствием промышленных выбросов, которые концентрируются в воздухе с понижением температуры и отсутствием ветра.

На цвет неба влияет также характер и цвет земной поверхности, а также плотность атмосферы.

Экспоненциальный закон убывания плотности атмосферы с высотой.

Барометрическая формула описывает убывание плотности атмосферы с высотой в общих чертах; она не учитывает ветра, конвекционных потоков, изменений температуры. Кроме того, высота не должна быть слишком большой, чтобы можно было пренебрегать зависимостью ускорения g от высоты.

Барометрическую формулу связывают с именем австрийского физика Людвига Больцмана. Но первые указания на экспоненциальный характер убывания плотности воздуха с высотой содержались фактически в исследованиях Ньютона по рефракции света в атмосфере и были использованы при составлении уточнённой таблицы рефракции.

Графики, приведённые показывают, как в процессе исследования астрономической рефракции уточнялись представления об общем характере изменения показателя преломления атмосферы с высотой.

• соответствует теории Кеплера
• первоначальной ньтоновской теории рефракции
• уточнённой ньютоновской и современной теории рефракции света в атмосфере

Рефракция света в атмосфере

Атмосфера представляет собой оптически неоднородную среду, поэтому траектория светового луча в атмосфере всегда в какой-то степени криволинейна. Искривление световых лучей при прохождении через атмосферу называют рефракцией света в атмосфере.

Различают астрономическую и земную рефракцию. В первом случае рассматривается искривление световых лучей, приходящих к земному наблюдателю от небесных тел. Во втором случае рассматривается искривление световых лучей, приходящих к наблюдателю от земных объектов. В обоих случаях вследствие искривления световых лучей наблюдатель может видеть объект не в том направлении, которое соответствует действительности; объект может казаться искажённым. Возможно наблюдение объекта даже тогда, когда тот фактически находится за линией горизонта. Таким образом, рефракция света в земной атмосфере может приводить к своеобразным обманам зрения.

Допустим, что атмосфера состоит из набора оптически однородных горизонтальных слоёв одинаковой толщины; показатель преломления скачком меняется от одного слоя к другому, постепенно увеличиваясь в направлении от верхних слоёв к нижним. Такая чисто умозрительная ситуация показана.

В действительности плотность атмосферы, а следовательно, и её показатель преломления изменяются с высотой не скачками, а непрерывно. Поэтому траектория светового луча представляет собой не ломаную, а кривую линию.

Предположим, что изображённый на рисунке луч проходит к наблюдателю от некоторого небесного объекта. Если бы не было рефракции света в атмосфере, то этот объект был бы виден наблюдателю под углом ά . Вследствие рефракции наблюдатель видит объект не под углом ά, а под углом φ. Поскольку φ ά, то объект кажется находящимся выше над горизонтом, чем это есть на самом деле. Иначе говоря, наблюдаемое зенитное расстояние объекта меньше действительного зенитного расстояния. Разность Ώ = ά – φ называют углом рефракции.

Согласно современным данным максимальный угол рефракции составляет 35" .

Когда наблюдатель следит за закатом Солнца и видит, как нижний край светила коснулся линии горизонта, в действительности в данный момент этот край уже находится на 35" ниже линии горизонта. Интересно, что верхний край солнечного диска приподнимается рефракцией слабее – только на 29" . Поэтому заходящее Солнце кажется немного сплюснутым по вертикали.

Удивительное в солнечных закатах

Рассматривая рефракцию света, необходимо учитывать наряду с систематическим изменением плотности воздуха с высотой также и ряд дополнительных факторов, многие из которых имеют достаточно случайный характер. Речь идёт о влиянии на показатель преломления воздуха конвекционных потоков и ветра, температуры воздуха в разных точках атмосферы над разными участками земной поверхности.

Особенности состояния атмосферы и прежде всего особенности прогревания атмосферы в нижних её слоях над различными участками земной поверхности приводят к своеобразию наблюдаемых закатов Солнца.

Слепая полоса. Иногда Солнце кажется заходящим не за линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом. Такое явление наблюдается в отсутствие какой-либо облачности на горизонте. Если в это время подняться на вершину холма, то можно наблюдать ещё более странную картину: теперь Солнце заходит за линию горизонта, но при этом солнечный диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой», положение которой по отношению к линии горизонта сохраняется неизменным. Эти необычные солнечные закаты можно увидеть, по словам очевидцев, в разных географических областях, например, в п. Большой камень Приморского края и г. Сочи Краснодарского края.

Такая картина наблюдается, если воздух около самой Земли оказывается холодным, а выше располагается слой относительно тёплого воздуха. В этом случае показатель преломления воздуха изменяется с высотой примерно так, как это показано на графике; переход от нижнего холодного слоя воздуха к лежащему над ним тёплому может приводить к довольно резкому спаду показателя преломления. Для простоты примем, что этот спад совершается скачком и что поэтому между холодным и тёплым слоями существует чётко выраженная поверхность раздела, находящаяся на некоторой высоте h1 над поверхностью Земли. На рисунке через nx обозначен показатель преломления воздуха в холодном слое, а через nт – в тёплом слое вблизи границы с холодным.

Показатель преломления воздуха очень мало отличается от единицы, поэтому для большей наглядности по вертикальной оси на этом рисунке отложены значения не самого показателя преломления, а его превышения над единицей, т.е. разность n-1.

Картина изменения показателя преломления, представленная на рис.4б), использована при построении хода лучей на рисунке 5, где изображены часть поверхности земного шара и примыкающий к ней слой холодного воздуха толщиной hο.

Если постепенно увеличивать φ, начиная от нуля, при этом угол α2 также будет увеличиваться. Предположим, что при некотором значении φ = φ´ угол α2 становится равным предельному углу αο , отвечающему полному внутреннему отражению на границе холодного и тёплого слоёв; в этом случае sin α1 = 1. Углу αο соответствует на рисунке 5 луч ВА; он образует с горизонталью угол β = 90˚ - φ´. К наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, угловая высота которых над горизонтом меньше, чем угловая высота точки В, т.е. меньше угла β. Тем самым получает объяснение слепая полоса.

Зелёный луч. Зелёным лучом называют очень эффектную вспышку зелёного света, наблюдаемую иногда при заходе и восходе Солнца. Продолжительность вспышки составляет всего 1-2сек. Явление состоит в следующем: если Солнце заходит при ясном небе, то при достаточной прозрачности воздуха иногда можно наблюдать, как последняя видимая точка Солнца быстро меняет свой цвет от бледно-жёлтого или оранжево-красного до ярко-зелёного. При восходе Солнца можно наблюдать то же явление, но с обратным порядком чередования цветов.

Возникновение зелёного луча можно объяснить, если принять во внимание изменение показателя преломления с частотой света.

Обычно показатель преломления растёт с увеличением частоты. Лучи с более высокой частотой преломления сильнее. Значит, сине-зелёные лучи претерпевают более сильную рефракцию по сравнению с красными лучами.

Допустим, что рефракция света в атмосфере есть, а рассеивания света нет. В этом случае верхний и нижний края солнечного диска вблизи линии горизонта должны были бы быть окрашенными в цвета радуги. Пусть в спектре солнечного света имеются всего два цвета – зелёный и красный; «белый» солнечный диск можно рассматривать в данном случае в виде наложенных друг на друга зелёного и красного дисков. Рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зелёный диск в большей степени, чем красный. Поэтому наблюдатель должен был бы видеть заходящее Солнце таким, каким оно показано на рис. 6а) . Верхний край солнечного диска был бы зелёным, а нижний красным; в центральной же части диска наблюдалось бы смешение цветов, т.е. наблюдался бы белый цвет.

В действительности же нельзя не учитывать рассеяние света в атмосфере. Оно приводит к тому, что из светового пучка, идущего от Солнца, выбывают более эффективно лучи с более высокой частотой. Так что зелёной каёмки сверху диска не будет видно, а весь диск будет выглядеть не белым, а красноватым. Если, однако, почти весь солнечный диск ушёл за горизонт, остался лишь самый верхний его краешек, и при этом стоит ясная и тихая погода, воздух чист, то в этом случае наблюдатель может увидеть ярко-зелёный край Солнца вместе с россыпью ярких зелёных лучей

Но сколько существует разных цветов, что делает окружающие нас вещи цветными? И научное познание на много таких вопросов уже может дать ответ. Например, объяснить цвет неба .

Для начала нужно будет упомянуть о великом Исааке Ньютоне, который наблюдал разложение белого солнечного при прохождении его через стеклянную призму. То, что он увидел, теперь называется явлением дисперсии , а сама разноцветная картина – спектр . Получившиеся цвета в точности соответствовали цветам радуги. То есть, Ньютон наблюдал радугу в лаборатории! Именно благодаря его опытам в конце 18 века было установлено, что белый свет представляет собой смесь различных цветов. Причем, тот же Ньютон доказал, что если разложенный в спектр свет снова смешать, то получится белый свет. В 19 веке было показано, что свет – это распространяющиеся с огромной скоростью в 300 000 км/с электромагнитные волны. А уже в начале прошлого века эти знания были дополнены идеей кванта света – фотона . Таким образом, свет имеет двойственную природу – и волны, и частицы. Это объединение и стало объяснением многих явлений, в частности, спектра теплового излучения нагретых тел. Таких, каким является и наше .

После такого вступления пора перейти к нашей теме. Голубой цвет неба... Кто не восхищался им хотя бы пару раз в жизни! Но так ли просто сказать, что всему виной рассеяние света в атмосфере? А почему тогда цвет неба не голубой при свете полной луны? А почему голубой цвет не одинаков на всех участках неба? А что случается с цветом неба при восходе и заходе Солнца? Ведь оно может быть и желтого, и розового и даже зеленого цвета. Но все же это особенности рассеяния. Поэтому рассмотрим его подробнее.

Объяснение цвета неба и его особенностей принадлежит английскому физику Джону Уильяму Рэлею, изучавшему рассеяние света. Именно он указал на то, что цвет неба определяется зависимостью рассеяния от частоты света. Излучение Солнца, попадая в , взаимодействует с молекулами газов, входящих в состав воздуха. А так как энергия светового кванта - фотона увеличивается с уменьшением длины световой волны, то наиболее сильное воздействие на молекулы газов, точнее – на электроны в этих молекулах, оказывают фотоны голубой и фиолетовой части светового спектра. Придя в вынужденные колебания, электроны отдают назад в виде фотона излучения взятую у световой волны энергию. Только эти вторичные фотоны уже излучаются во всех направлениях, а не только в направлении первоначально падающего света. Это и будет процессом рассеяния света. Кроме этого, нужно учитывать и постоянное движение воздуха, и флуктуацию его плотности. В противном случае мы бы наблюдали черное небо.

А теперь возвратимся к тепловому излучению тел. Энергия в его спектре распределена неравномерно и описывается на основе законов, установленных немецким физиком Вильгельмом Вином. Таким же неравномерным за энергиями фотонов будет и спектр нашего Солнца. То есть фотонов фиолетовой его части будет много меньше, чем фотонов из голубой и тем более синей. Если учесть еще физиологию зрения, а именно максимальную чувствительность нашего глаза к сине-зеленому цвету, то мы в итоге получаем небо голубого или синего цвета.

Следует учесть, что чем длиннее путь солнечного луча в атмосфере, тем меньше в нем остается непровзаимодействовавших фотонов из голубой и синей области спектра. Поэтому цвет неба неравномерный, а утренний или вечерний цвета желто-красные из-за большого пути света через атмосферу. Кроме этого, пыль, дым, другие частицы, содержащиеся в воздухе, также сильно влияют на рассеяние света в атмосфере. На эту тему можно вспомнить знаменитые лондонские картины . Или воспоминания о катастрофе 1883 года, случившейся при извержении вулкана Кракатау. Пепел от извержения, попавший в атмосферу, обусловил синеватый цвет Солнца во многих странах тихоокеанского региона, а также красные зори, наблюдавшиеся по всей Земле. Но эти эффекты уже объясняются другой теорией – теорией рассеяния на частицах, соизмеримых с длиной световой волны. Эту теорию предложил миру немецкий физик Густав Ми. Главная идея ее – такие частицы вследствие своих относительно больших размеров сильнее рассеивают красный свет, а не синий или фиолетовый.

Таким образом, цвет неба – не просто источник вдохновения для поэтов и художников, а следствие тонких физических законов, которые удалось раскрыть человеческому гению.