Окраска неба

Сообщение №3 от Alexander 14 февраля 2002 г. 08:51
Тема: Окраска неба

Окраска неба даёт пищу для изучения рассеяния света
Джирл Уолкер,В МИРЕ НАУКИ (Scientific American) №3 март 1989

ПРИЧИНА окраски неба в дневное время и в сумерки долгое время оставалась необъясненной, хотя этот вопрос исследовался на протяжении доброй сотни лет. Почему чистое небо днем большей частью голубое, а у горизонта белесое? Почему заходящее солнце обычно красное, а небо над ним окрашено в разные цвета? Почему в сумерки в восточной части неба появляется искривленная тень с розовой границей? Почему в западной части неба вскоре после захода солнца иногда возникает фиолетовое пятно, которое через некоторое время исчезает, и почему такое же пятно иногда появляется спустя два часа? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно знать, как взаимодействует свет с молекулами атмосферных газов и с взвешенными в воздухе частицами. На некоторые из этих вопросов однозначные ответы еще не получены.

Гипотез относительно того, почему чистое небо преимущественно голубого цвета, предлагалось достаточно много. В некоторых из них принимались во внимание особенности рассеяния света на таких объектах, как пыль, аэрозоли (автор, вероятно, имеет в виду жидкие аэрозоли. - Ред.), кристаллики льда и капли воды; в других предполагалось, что основную роль здесь играет поглощение компонентов солнечного света, соответствующих красному концу спектра, молекулами водяного пара и озона. Непригодность всех этих объяснений была разобрана в появившемся в 1985 г. обзоре К. Борена и А. Фрейзера из Пенсильванского университета, которые привели правильное объяснение, а именно то, которое еще в 1899г. дал лорд Рэлей.

Рэлей не сразу пришел к своей идее - отчасти по причине тех открытий, о которых сообщил в 1869 г. английский физик Дж. Тиндалл, оставивший по себе память как умелый популяризатор. Тиндалл показал, что искусственный туман "приобретает цвет, соперничающий с цветом чистейшего итальянского неба", если его осветить белым светом и наблюдать под углом к световому лучу. Годы спустя многие исследователи, включая Рэлея, продолжали считать, что голубой цвет неба объясняется рассеянием света на частицах. Предполагалось, что просто газ, например воздух, очищенный от всех взвешенных частиц, не будет рассеивать свет и разлагать его на цвета спектра.

Однако в статье, опубликованной в 1899 г., Рэлей все-таки признал, что рассеяние солнечного света и разделение его на цветовые компоненты - дело молекул атмосферных газов и что "даже в отсутствие посторонних частиц в воздухе небо все равно было бы голубым". Рэлей построил изящную модель, объясняющую, как молекулы рассеивают свет. Чтобы разобраться в этой модели, рассмотрим молекулу (неважно какого газа), освещенную белым светом. Белый свет представляет собой смесь всех лучей видимого спектра, каждому из которых соответствует определенная длина волны. Она возрастает последовательно от синей части спектра к зеленой, желтой и красной; длина волны красного света в 1,68 раза больше длины волны синего.

Каждая составляющая белого света рассеивается на молекуле во всех направлениях, но распределение это неоднородно. Наибольшее количество света рассеивается вперед (как если бы свет проходил через молекулу насквозь) и в обратном направлении (к солнцу). В направлении, перпендикулярном солнечному лучу, света рассеивается вдвое меньше. Все лучи спектра рассеиваются сходным образом, но для каждого цвета интен-сивность-света, рассеиваемого в определенном направлении, различна. Рэлей обнаружил, что эта интенсивность обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Таким образом, коротковолновая радиация (синий свет) рассеивается сильнее, чем длинноволновая (красный свет). Поскольку отношение длин волн этих лучей равно 1,68, интенсивность рассеянного синего света в 1,684, или примерно в 8, раз больше, чем интенсивность рассеянного красного света.

Предположим, вы воспринимаете свет, рассеянный перпендикулярно падающему солнечному лучу. Если бы вы могли увидеть свет, рассеиваемый одной молекулой, он показался бы вам голубоватым, поскольку синие лучи в рассеянном свете имели бы наибольшую интенсивность. Реальные условия отличаются лишь тем, что свет в вашем направлении рассеивают многие молекулы. Именно так обстоит дело, когда вы смотрите на небо под углом к солнцу. Все молекулы, лежащие вблизи линии вашего взора, рассеивают в вашем направлении свет, который и кажется голубоватым; небо не выглядит ярко-синим, поскольку лучи других цветов, хотя и более бледные, также попадают в ваши глаза.

Тот факт, что по мере прохождения солнечного света через атмосферу синие лучи в результате рассеяния постепенно "изымаются", означает, что в солнечном свете начинают преобладать красные лучи. Если посмотреть на солнце, стоящее высоко на небе, идущий от него свет не покажется особенно красным, поскольку он в этом случае проходит небольшой путь в атмосфере. Когда же солнце находится низко над горизонтом, солнечный свет, прежде чем достигает глаз наблюдателя, проходит в атмосфере большой путь, и поэтому он кажется красным - отсюда преобладание красного цвета на закате.

В этом рассуждении можно заметить противоречие. Синий свет рассеивается сильнее, чем красный, в любом направлении. Приведенное рассуждение применимо и к свету, который рассеивается вперед, в направлении первоначального солнечного луча. Если синий свет рассеивается вперед сильнее, чем красный, то почему солнечный свет по мере прохождения через атмосферу краснеет?

Дж. Лок, мой коллега из Кливлендского университета, наглядно показал, что происходит со светом, и тем самым устранил кажущееся противоречие. Предположим, что первоначально в падающем луче летит 1000 "красных" фотонов и 1000 "синих". Когда свет достигает группы молекул, число синих фотонов, которые рассеиваются во всех направлениях, в восемь раз больше числа рассеиваемых красных фотонов. Предположим, что всего рассеиваются 80 синих и 10 красных фотонов, причем из них восемь синих фотонов и один красный рассеиваются вперед. После одного акта рассеяния в таком случае в луче останется 991 красный фотон и только 928 синих, откуда следует, что луч "покраснел".

Вы можете спросить, как может свет рассеиваться вперед, словно проходя сквозь молекулу. Дело в том, что молекула - это не твердая стенка; скорее, ее можно представить в виде некой достаточно "пустой" конструкции в которой вокруг крошечного ядра вращаются электроны. В классической теории рассеяния предполагается, что электрическое поле падающего на молекулу света заставляет электроны колебаться; энергия передается от света колеблющимся электронам. Когда заряженная частица, каковой является электрон, колеблется, она излучает свет во всех направлениях, кроме того, в котором происходят колебания. Это переизлучение и есть "рассеянный" свет и, разумеется, часть его идет в том же направлении, что и первоначальный луч.

Борен и Фрейзер выдвинули и сами же опровергли одно возражение против объяснения голубизны неба, данного Рэлеем. Самые короткие волны в видимой части спектра - фиолетовые, а не синие. Почему же тогда небо не кажется фиолетовым? Борен и Фрейзер считают, что на то есть две причины. Одна, менее важная, заключается в том, что в солнечном спектре фиолетового света меньше, чем синего, поэтому рассеивается фиолетового света также меньше. Другая причина, более важная, состоит в том, что человеческий глаз более чувствителен к синему свету, чем к фиолетовому.

Люди часто приписывают голубую окраску неба рассеянию света на молекулах водяного пара, - наверное, потому, что большие объемы воды имеют голубоватый оттенок. Одна из причин, почему озеро может казаться голубым, состоит в том, что, когда свет проходит расстояние в сотни метров в толще озера, вода частично поглощает красные лучи, и свет, доходящий в конце концов до наблюдателя, кажется более синим. Борен и Фрейзер указали, что атмосфера содержит слишком мало водяного пара, чтобы этот эффект мог оказать какое-либо влияние на окраску неба.

Причину голубой окраски неба искали также в слое озона, который располагается на высотах от 10 до 40 км с максимальной концентрацией на высоте 25 км. Полосы поглощения молекул озона располагаются на красном конце спектра. Может быть, красные лучи в солнечном свете ослабляются при прохождении через слой озона, так что свет, достигающий земли, содержит больше синих лучей? Борен и Фрейзер утверждают, что хотя озон действительно поглощает часть составляющих из красного конца спектра, этот эффект играет незначительную роль. Когда вы смотрите вверх на дневное небо вы видите свет, который прошел слишком короткий путь в слое озона, чтобы поглощение было существенным. В сумерки, когда солнечные лучи идут наклонно (а значит, проходят более длинные пути) через слой озона, поглощение в этом слое становится более существенным, но ответственным за голубую окраску неба по-прежнему остается рассеяние Рэлея.

В дневное время голубой цвет неба бледнеет к горизонту и до высоты около 5° над горизонтом небо часто кажется белесым. Молекулы воздуха, расположенные на линии взора, направленной на горизонт, как и все другие молекулы, рассеивают свет по закону Рэлея, поэтому возникает вопрос: что же происходит с голубой окраской неба? Согласно Борену и Фрейзеру, "утеря" цвета объясняется тем, что когда вы смотрите на горизонт, свет, попадающий вам в глаза, проходит до этого больший путь, чем в случае, когда вы смотрите под большим углом к горизонту. Значительное увеличение расстояния, проходимого светом, приводит к тому, что рассеяние очень велико.

Часть света рассеивается от молекул, которые находятся не очень далеко от вас. От них в ваши глаза попадает свет, в котором много синих лучей. Молекулы, расположенные гораздо дальше, также рассеивают "обогащенный" синими лучами свет в вашу сторону, но вследствие большого расстояния до вас свет испытывает множество актов рассеяния, прежде чем достигает ваших глаз. При каждом таком акте свет, рассеиваемый в вашем направлении, является светом, рассеянным вперед, поэтому синих лучей в нем мало; после многих актов рассеяния доходящий до вас свет содержит уже больше красных лучей. В результате в ваши глаза попадают лучи из синей части спектра от близких молекул и лучи из красной части спектра от далеких молекул. Смесь этих лучей дает белый свет - то, что вы видите, глядя на горизонт.

Те же эффекты объясняют окраску темных гор на горизонте. Если горы расположены близко, то в ясный день они кажутся голубоватыми, поскольку молекулы, находящиеся между вами и горами, рассеивают в вашу сторону больше синих лучей. Если же горы находятся очень далеко, они всегда белесые - такие же, как небо на горизонте.

Согласно Борену и Фрейзеру, заходящее солнце было бы оранжевым (этот цвет находится в спектре между красным и желтым), а не красным, если бы на своем пути свет рассеивался только на молекулах воздуха. Красная окраска солнца объясняется тем, что свет обычно рассеивается не только на молекулах, но и на мельчайших взвешенных частицах и аэрозолях.

Когда вы смотрите на область неба, близкую к солнцу, то в любое время дня вы видите часть яркого света, рассеянного вперед этими самыми крохотными частицами и аэрозолями, так что эта область оказывается более яркой, чем если бы такие частицы отсутствовали. Когда солнце стоит высоко, небо вокруг него кажется ярко-белым. Когда же солнце находится низко, свет, достигающий слоя частиц, уже оказывается обогащенным красными лучами в результате рэлеевского рассеяния, и небо вокруг солнца кажется красным. Чем больше частиц в атмосфере, тем ярче окружающая солнце область и тем резче очерчен солнечный диск.

Говоря о частицах и аэрозолях, я имел в виду самые мелкие из них - до 0,1 мкм в диаметре, которые рассеивают свет по рэлеевскому закону, т. е. как молекулы. Частицы несколько большего размера рассеивают свет гораздо более сложным образом: это рассеяние Ми, названное так по имени немецкого физика Густава Ми, который в начале века создал теоретическую модель этого явления. Рассеяние Ми на больших частицах, по сути дела, представляет собой дифракцию, при которой большая часть света рассеивается вперед в виде узкого конуса. Красные лучи рассеиваются более широким конусом, чем синие, поэтому распространяющийся свет становится более синим. (В простейшем случае дифракции световые волны, падающие на частицу, расширяются, огибают частицу и поэтому попадают в "зону тени". В случае рассеяния Ми поведение света интерпретировать сложнее и я не буду вдаваться в детали.)

В сумерках в ясную погоду небо в зените (т. е. прямо над головой) имеет более насыщенную синюю окраску, чем днем. Этот эффект кажется довольно странным, поскольку небо на горизонте, т. е. близко к солнцу, может при этом иметь явный красный цвет. На этот счет имеется несколько объяснений, наиболее правдоподобное из которых опирается на свойства озонового слоя. Когда в сумерках солнечный луч проходит под малым углом через слой озона, в результате поглощения озоном солнечной радиации в красном конце спектра луч становится более синим, несмотря на то что в целом в атмосфере луч испытывает рэлеевское рассеяние. Луч становится еще более синим, если он проходит под малым углом через слой частиц, размер которых достаточно велик, для того чтобы в игру вступило рассеяние Ми. После того как свет благодаря действию одного или обоих этих механизмов приобрел более синюю окраску, часть его вследствие рэлеевского рассеяния идет в вашем направлении от неба в зените и небо там кажется более синим, чем днем.

Сразу после захода солнца в восточной части неба начинает расти тень земли. Граница тени обычно окрашена в красный или в розовато-фиолетовый цвет. Этот цвет обусловлен тем светом, который "покраснел" в результате рэлеевского рассеяния при прохождении по длинному пути в нижних слоях атмосферы. Там, где вы видите верхний "край" тени, часть света, испытав рэлеевское рассеяние, идет обратно - в вашем направлении. Вследствие этого верхний край тени кажется красным.

Ниже верхнего края тени небо может казаться голубоватым. Голубая окраска, возможно, объясняется тем, что солнечный свет проходит через верхние, менее плотные слои атмосферы, где синие лучи не ослабляются в такой степени, как в свете, который проходит в нижней части атмосферы и сталкивается с большим числом молекул. Свет может приобрести заметную голубую окраску, если он идет под малым углом через озоновый слой или через слой частиц, на которых происходит рассеяние Ми. Вблизи земной тени часть света, испытав рэлеевское рассеяние, проходит в область тени, где она еще раз рассеивается по закону Рэлея, прежде чем попадает в ваши глаза. Поскольку рассеяние многократное, свет, который попадает в ваши глаза от области тени, довольно слаб, и его можно видеть только на фоне земной тени.

Спустя примерно 10 мин после того, как солнце село, на высоте от 30 до 75° иногда возникает фиолетовое пятно. Появление этого, так называемого фиолетового света объясняется, по-видимому, тем, что на высотах от 16 до 20 км, в нижней части озонового слоя, располагается слой частиц. Это могут быть частицы пыли из пустынь или частицы золы, образовавшейся при вулканических извержениях и лесных пожарах.

В 1967 г. А. Мейнел и М. Мейнел из Аризонского университета обратили внимание на то, что такой слой частиц может быть образован продуктами вулканических извержений. Когда при извержениях в атмосферу выбрасывается большое количество газообразного диоксида серы, в результате реакции этого газа с озоном в нижней части озонового слоя образуются сульфаты. Когда сульфаты оседают на ядрах конденсации, возникают аэрозоли, на которых может происходить рассеяние Ми.

В своей превосходной книге "Закат, сумерки и вечернее небо" супруги Мейнел выдвигают гипотезу, что фиолетовое пятно - это результат смешения "очень красных" и "очень синих" лучей, которые рассеиваются в разных участках неба. Красные лучи - это солнечный свет, который идет вокруг земли, проделывая в атмосфере такой длинный путь, что в результате рэлеевского рассеяния краснеет. Часть этого света идет затем в вашу сторону, рассеявшись на слое частиц благодаря рассеянию Ми, если частицы достаточно велики и благодаря рэлеевскому рассеянию, если они малы; в любом случае вы видите более красный свет.

Синие лучи - это солнечный свет, который прошел через высокие слои атмосферы и потому не очень покраснел. (Я бы добавил от себя, что, поскольку свет идет под малым углом через слой озона, в нем вследствие поглощения красных лучей должны доминировать синие лучи.) Часть этого света рассеивается по закону Рэлея и в вашу сторону идет синий свет. И красные, и синие лучи идут вдоль линии вашего взора и их смесь дает фиолетовое пятно. Причина, по которой другие участки неба не кажутся фиолетовыми, состоит в том, что от них идет смесь лучей разных цветов, а не чистые синие и чистые красные лучи; цвет этой смеси зависит от угла зрения. Окраска неба бывает особенно яркой, когда слой частиц плотный и толстый, как часто бывает после крупных вулканических извержений. После извержения вулкана Кракатау на острове Ява в 1883 г. необычайно яркие закаты наблюдались на протяжении пяти лет, а после извержения вулкана Агунг на острове Бали в 1963 г. - в течение трех лет.

Второе (реже наблюдаемое) фиолетовое пятно, которое появляется примерно на том же месте, что и первое, но спустя полтора-два часа после захода солнца, окончательно объяснить не удалось. Некоторые специалисты полагают, что оно имеет своей причиной тот же слой частиц или аэрозолей, что и первое пятно. Если этот слой достаточно толстый, свет, который рассеивается в части слоя, лежащей очень низко под горизонтом, может еще раз рассеяться в той части слоя, который находится в зоне видимости. При условии, что вторично рассеянный свет достаточно ярок, вы увидите слабое фиолетовое пятно.

Другое объяснение основано на том, что на высоте от 80 до 90 км, в зоне минимума температуры, соответствующего границе между мезосферой и термосферой, находится второй слой частиц. Эти частицы могут быть земного происхождения, но более вероятно, что они пришли из космоса. Дело в том, что земля притягивает огромное количество обломков комет и астероидов, которые могут образовывать в низкотемпературной зоне атмосферы достаточно толстый слой. Свет, рассеиваемый этим слоем, разумеется, слишком слаб, чтобы его можно было увидеть днем и даже в ранние сумерки, но он заметен, когда большая часть видимой атмосферы находится в тени земли, а сам слой все еще освещен солнцем. В будущем в связи с возрастанием светового "загрязнения", объясняемого освещением больших городов, это второе пятно можно будет наблюдать, вероятно, все реже и реже.


Отклики на это сообщение:


Там написанно , что свет рассеивается на молекулах. Я однажды читал в Оптике Сивухина вывод, там причиной рассеянья были шарики-частици с диэл. проницаемостью eps.
Имхо не очень хорошая модель молекул :-)
Выходит лажа в Сивухине..

А есть среди томов Л&Л "Оптика"? ;-)


> Там написанно, что свет рассеивается на молекулах. Я однажды читал в Оптике Сивухина вывод, там причиной рассеянья были шарики-частици с диэл. проницаемостью eps.
> Имхо не очень хорошая модель молекул :-)
> Выходит лажа в Сивухине..

Рассеяние света в мутных средах на микрочастицах постороннего вещества впервые было исследовано Тиндалем в 1869 году и носит его имя (тиндалевское рассеяние). Теорию этого эффекта дал Рэлей. Однако в горах, где в воздухе мало пыли небо только синее. На этом основании в 1899 году Рэлей пришёл к заключению, что здесь рассеяние происходит самими молекулами воздуха. Такое рассеяние называют рэлеевским или молекулярным. Рэлей предполагал, что такое рассеяние происходит на отдельных молекулах. В 1910 году Энштейн уточнил эту теорию, рассмотрев рассеяние на флуктуациях плотности воздуха. Обо всём этом подробно изложено в пар.98 Оптики Сивухина.


отлично помню, как мы на семинаре по теорполу выводили рассеяние света диполем. Оттуда, кстати, тоже следовало, что синий свет рассеивается лучше. Так что если считать молекулы двухатомного(а такого подавляющее большинство в атмосфере) газа диполем :) , то результат не изменится.


Физика в анимациях - Купить диск - Тесты по физике - Графики on-line

Реклама:
Rambler's Top100