Почему небо голубое

koptchick — 30.08.2014 Прекрасно понимаю, что озвученная тема – есть дремучий баян, даже в жж уже не раз освещённый, однако хочется мне перед основательным погружением в бозднонно-хиггсовую бездну квантового вакуума расслабиться и рассказать о чём-то тёплом и ламповом голубом и солнечном.



Пожалуй, не нужно обладать наблюдательностью Шерлока Холмса Капитана Очевидность, чтобы обратить своё внимание на тот факт, что ночью небо чёрное, а с наступлением дня, когда часть земной поверхности, на которой находится наблюдатель, начинает освещать солнце, ситуация меняется, и небо приобретает голубой цвет.


И это весьма удивительно: свет, вместо того, чтобы остаться для глаза наблюдателя белым солнечным диском на чёрном фоне (как и все прочие звёзды ночью), мало того, что заполняет собою весь наблюдаемый небосвод, так ещё и окрашивается, да не каким-нибудь из цветов радужного спектра, а именно голубым. Что же происходит со светом на его пути от светила к человеческому зрачку?



Причиной же тому, что лазурное небо радует наш глаз каждым солнечным днём – земная атмосфера или воздух, тот самый, который состоит из азота (78%), кислорода (21%) и проч. Именно атмосфера становится препятствием на пути солнечных лучей и не даёт им прямолинейно достигнуть сетчатки наших глаз и отпечататься на ней в виде солнечного диска на сплошном чёрном фоне.



Все мы хорошо знаем, что воздух, если посмотреть на него вооружившись предварительно микроскопом, предстанет перед нами смесью молекул различных газов, которые ведут себя весьма хаотическим образом: сталкиваются друг с другом, разлетаются в разные стороны, вновь сталкиваются и т.д. Из-за этой постоянной болтанки воздух в каждый отдельный момент времени представляет из себя что-то вроде решета с беспорядочно разбросанными микроскопическими пустотами-отверстиями, где никаких молекул нет. В следующий момент времени, вновь столкнувшиеся молекулы заполнят эти «отверстия», оставив свои прежние места и образовав там пустоты новые. Такое поведение частиц называется флуктуациями.

Так вот это самое флуктуирующее решето и заставляет лучи света прореживаться преломляться, многократно изменяя свою траекторию перед тем как попасть к нам на сетчатку. Потому и выходит, что в глаз свет поступает со всех сторон небосвода, а не только лишь из области, занимаемой солнечным диском. Остаётся теперь разобраться с цветом.



В основе описанного мною эффекта преломления солнечных лучей лежит физическое явление рассеяния света на отдельно взятых молекулах воздуха. Вспомним, что луч белого, излучаемого солнцем, света представляет собой целую совокупность лучей всевозможных цветов. Это наглядно демонстрируется опытом с призмой.



Вспомним также, что свет определённого цвета (монохроматический) представляет из себя электромагнитную волну, которую можно изобразить в виде синусоиды с периодически следующими друг за другом горбами. Периодичность или частота их следования друг за другом и определяет то, как воспримет наш глаз цвет этой волны. Чем выше частота (меньше расстояние между соседними горбами – т.н. длина волны) тем «фиолетовей» свет, чем, соответственно, она ниже – тем дальше мы уходим в красную часть спектра.



Как же эти отдельные «цветовые компоненты» – монохроматические волны – света рассеиваются на молекулах воздуха? Проще всего представить себе, что волна как бы расшатывает молекулу, наподобие того как морская волна колеблет игрушечный кораблик. Однако молекула оказывается не столь тривиальна как игрушка из бумаги. Самая простая и на удивление хорошо работающая из придуманных физиками моделей молекулы – это пружина (или, по-научному выражаясь, осциллятор). Так вот представьте себе, что колеблющаяся с определённой частотой волна света, падая на молекулу и поглощаясь ею, заставляет её также колебаться подобно пружине. Через какое-то время пружине-молекуле колебаться «надоедает» и она «сбрасывает» с себя энергию колебаний в виде новой волны света всё той же частоты, но распространяющуюся уже в новом, совершенно произвольном направлении. Так, в процессе так называемого Рэлеевского рассеяния, колебания волн света превращаются в «колебание» молекул воздуха и, затем, переходят обратно в колебание волн света.



Притом, оказывается, что чем выше частота света (чаще колеблется его волна), тем выше вероятность того, что она сможет оказать воздействие на «пружину» молекулы, а не пролетит мимо, никак «не задев» её. Поэтому свет более высокой частоты, т.е. «более фиолетовый» рассеивается в воздухе сильнее, чем красный. Это и приводит к тому, что пространство небосвода оказывается окрашенным в большей степени фиолетовым светом, нежели красным. Тот же факт, что небо кажется нам всё же голубым, а не фиолетовым или синим, связан с тем, что максимум чувствительности человеческого глаза расположен в зелёной части спектра. Оттого голубой цвет воспринимается нами существенно более ярким, нежели фиолетовый.


(график чувствительности человеческого глаза к свету - максимум в районе жёлтого-зелёного светов)

Кстати, тот же эффект Рэлеевского рассеяния объясняет цвет закатов и восходов. Действительно, когда солнечный диск располагается вблизи горизонта, у участка неба вокруг него возникает красноватый оттенок. Как это явление объяснить?



Я уже говорил, что «красная часть» солнечных лучей меньше всех других цветов рассеивается на молекулах воздуха и, следовательно, с максимальной вероятностью достигнет земной поверхности (и наблюдателя) «по прямой», не рассеиваясь. Что же происходит во время заката/восхода? Мысленно проведём прямую линию от точки на поверхности земли, где находится наблюдатель, до солнца, и выделим на ней ту область, в которой линия пересекает земную атмосферу.



Очевидно, что именно во время заката и восхода, когда солнце расположено вблизи к горизонту, эта самая выделенная область на линии будет иметь максимальную протяжённость. То есть именно в это время солнечным лучам дольше всего приходится рассеиваться на пути к наблюдателю. Наибольшей же «стойкостью» к рассеянию обладают красные лучи – они, в отличие от синих, с большей вероятностью пройдут путь по проведённой нами линии, не преломившись и прямиком попадут нам в глаза. Они и ответственны за цвет неба, когда солнце расположено вблизи горизонта.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив