Почему небо голубого цвета


Наверно, каждый хотя бы раз в жизни сталкивался с этим простым вопросом: почему чистое, безоблачное небо голубое или синее? Очевидно, из-за воздуха, которым мы дышим, из-за атмосферы Земли! Вероятно, воздух у нас «синего цвета» или что-то вроде этого. Он только кажется прозрачным, а на больших расстояниях самолеты, горы, корабли как бы находятся в голубоватой дымке… Такие рассуждения не снимают главный вопрос: почему небо голубое? Не раскрашен же воздух синей краской!

Пыль или молекулы?

Все это прекрасно, но наше небо заполнено воздухом, а не жидкостью, и в небе не плавают кусочки мыла или молока… Что за частицы рассеивают свет в воздухе? Тиндаль и Рэлей полагали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара, которые взвешены в атмосфере в точности как частички молока взвешены в воде.

Это ошибочное мнение, хотя и сегодня некоторые люди говорят, что цвет неба определяется паром и пылью. Если бы это было так, то цвет неба менялся бы гораздо сильнее в зависимости от влажности или тумана, чем он меняется на самом деле. Поэтому ученые предположили (правильно!), что для объяснения рассеяния достаточно молекул кислорода и азота. Это сам воздух, вернее, его молекулы рассеивают свет!


Вопрос окончательно решил Альберт Эйнштейн в 1911 году, который рассчитал детальную формулу для рассеяния света в зависимости от молекул и дальнейшие эксперименты блестяще подтвердили его вычисления. Говорят, Эйнштейн даже смог использовать свои расчеты в качестве дополнительной проверки числа Авогадро!

Почему небо голубое, а не фиолетовое?

Кстати, если синий свет рассеивается в 10 раз больше, чем красный, то еще более короткие фиолетовые волны должны рассеиваться больше, чем синие! Возникает вопрос: почему небо не выглядит фиолетовым?

Во-первых, спектр излучения света от солнца не является одинаковым на всех длинах волн — максимум энергии в спектре Солнца приходится на зеленый свет. Во-вторых, коротковолновый фиолетовый свет активно поглощается в верхних слоях атмосферы (как и ультрафиолет!), поэтому в до поверхности Земли доходит меньше фиолетового, чем синего.

Наконец, третья причина — наши глаза менее чувствительны к фиолетовому свету, чем к синему.

У нас есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек, в сетчатке глаз. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они наиболее сильно реагируют на свет именно на этих длинах волн. Но на самом деле, они способны улавливать и свет других длин волн, перекрывая весь спектр.


Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света, но также — менее сильно — на оранжевые и желтые длины волн. Зеленые колбочки реагируют на жёлтые и более сильно рассеянные зелёные и зелено-синие волны. Наконец, синие колбочки стимулируются цветами синих длин волн, которые очень сильно рассеиваются. Если бы в спектре не было синего и фиолетового, небо казалось бы голубым с легким зеленоватым оттенком. Но наиболее сильно рассеивающиеся волны синего и фиолетового цветов слегка стимулируют и красные колбочки, поэтому эти цвета кажутся синими с добавленным красным оттенком. Общий эффект заключается в том, что когда мы смотрим на небо, красные и зеленые колбочки стимулируются примерно одинаково, а синие стимулируются сильнее. Эта комбинация в итоге и образует голубое или синее небо.

Прекрасные закаты

Что может быть красивее тихих закатов на берегу моря или в степи? Когда воздух чистый и прозрачный, закат будет желтого цвета, точно как луч фонарика, пересекший стакан с раствором мыла: часть синего света рассеется и общий цвет Солнца сместится к красному концу спектра.

Другое дело, если воздух загрязнен мелкими частицами — гарью, пылью, смогом. В этом случае закат будет оранжевым и даже красным. Закаты над морем также могут быть оранжевыми из-за частиц соли, взвешенных в воздухе, которые могут создавать эффект Тиндаля. Небо вокруг солнца видно покрасневшим, а также свет, идущий прямо от солнца. Это связано с тем, что весь свет рассеивается относительно хорошо под небольшими углами, но тогда синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды и более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.

Облака, голубая Луна и голубая дымка


Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длин волн света. Такие частицы будут одинаково рассеивать все длины волн (рассеяния Ми).

Но иногда в воздухе могут быть частицы гораздо меньших размеров. Некоторые горные районы славятся своей голубой дымкой. Аэрозоли терпенов из растительности вступают в реакцию с озоном в атмосфере, образуя мелкие частицы диаметром около 200 нм, которые отлично рассеивают синий свет.

Лесной пожар или извержение вулкана могут иногда заполнять атмосферу мелкими частицами диаметром 500–800 нм, что является подходящим размером для рассеивания красного света. Это дает противоположность обычному эффекту Тиндаля и может привести к тому, что Луна приобретет синий оттенок, так как красный свет от Луны рассеян этими частицами. Настоящая голубая Луна — очень редкое явление!

Почему небо Марса красное?

Вот мы добрались и до Марса, небо на котором, судя по снимкам марсоходов и автоматических спускаемых аппаратов, то рыжее, то песочно-желтое, то серовато-голубое… Какое оно на самом деле?


Согласно физике, марсианское небо должно быть голубым. Оно и есть голубое, но только когда атмосфера на Красной планете спокойна. Однако на Марсе, как известно, часто дуют ветра. Несмотря на то что атмосфера планеты крайне разрежена, ветра способны поднимать миллионы тонн песка и пыли устраивать настоящие песчаные бури. Некоторые бури способны скрыть почти всю поверхность Марса!

После таких бурь в воздухе еще долго остаются взвешенными частички богатой железом пыли. Цвет этой пыли красный (это ржавчина), соответственно и небо на Марсе окрашивается в желтовато-оранжевый цвет.

Отражательные туманности

Наконец, заглянем далеко в космос, туда, где сейчас рождаются звезды.

Вот целый комплекс из космических газопылевых облаков, расположенный на границе созвездий Змееносца и Скорпиона. Обратите внимание: часть облаков ярко светится красноватым свечением, другая часть, наоборот, поглощает свет и напоминает черные провалы. Наконец, третья часть имеет голубоватый цвет.

Все три типа облаков состоят в основном из водорода с небольшой примесью пыли и молекул. Почему же они выглядят по-разному? Все дело в их температуре. Нагретые светом погруженных в них звезд, облака начинают сами светиться. Красное свечение — излучение водорода. Очень холодные облака, наоборот, поглощают свет и потому непрозрачны для нас. Наконец, холодные, но расположенные недалеко от ярких звезд облака выглядят голубоватыми. Они отражают свет звезд, рассеивая его так же, как и атмосфера Земли!

Источник: skygazer.ru

Цвет солнечных лучей


Настоящий цвет солнечных лучей – белый. 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 и 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.

Дисперсия света
Дисперсия света

Гипотезы выдвигаемые в разное время

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.

Связь цвета и длины волны

Связь цвета и длинны волны
Связь цвета и длинны волны

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 небо голубое – ответ

Перед тем, как достигнуть поверхности земли, где его могут созерцать люди, солнечный свет должен пройти через всю воздушную оболочку планеты. Свет имеет широкий спектр, в котором все же выделяются основные цвета, оттенки радуги. Из этого спектра красный цвет имеет наиболее длинную световую волну, в то время как фиолетовый – самую короткую. При закате солнечный диск стремительно краснеет и устремляется все ближе к линии горизонта.

Формирование голубого цвета неба
Формирование голубого цвета неба

При этом свету приходится преодолевать все большую толщу воздуха, и часть волн при этом теряется. Сначала исчезает фиолетовый, затем синий, голубой. Наиболее длинные волны красного цвета продолжают проникать до поверхности Земли до последнего, и потому солнечный диск и ореол вокруг него до последних моментов имеют красноватые оттенки.

Почему небо голубое – интересное видео

Что изменяется к вечеру?

Закат
Закат

Ближе к закату Солнце устремляется к горизонту, чем ниже оно опускается, тем стремительнее приближается вечер. В такие моменты слой атмосферы, который отделяет изначальный солнечный свет от земной поверхности, начинает резко увеличиваться из-за угла наклона. В какой-то момент уплотняющийся слой перестает пропускать другие световые волны кроме красных, и в этот момент небо окрашивается именно в этот цвет. Синий уже не присутствует, он поглощается в процессе прохождения через слои атмосферы.

Что происходит при восходе Солнца?


Цвет неба и восход
Цвет неба и восход

При восходе солнечные лучи проходят через тот же процесс, но в обратном порядке. То есть, сначала через толщу атмосферы под сильным углом пробиваются первые лучи, до поверхности доходит только красный спектр. Поэтому восход изначально брезжит красным цветом. Затем, по мере восхода и изменения угла, начинают проходить и волны других цветов – небо окрашивается оранжевым, и далее оно становится привычно голубым. Наблюдается полдневная глубокая синева неба, и затем, к вечеру, оно начинает вновь переходить к багрянцу. С одной стороны неба, удаленной от солнца, наблюдается сине-черный оттенок, но чем ближе к заходящему светилу, тем больше красных оттенков можно видеть близ горизонта, пока Солнце не исчезает окончательно.


Такие цветовые явления наблюдаются повсеместно. Солнце обретает красный цвет, как и близкие к нему участки неба, как у экватора, так и на полюсах. Это явление можно видеть по всей планете. Иногда закаты или рассветы имеют более насыщенные красные тона, это связано с состоянием атмосферы, наличием в ней аэрозолей или взвесей. В других случаях цвет оказывается не таким выраженным, более умеренным. Существуют народные приметы, позволяющие определять погоду на следующий день по оттенкам заката – люди научились анализировать цвета и предугадывать состояние атмосферы по ним с большей или меньшей точностью.

Таким образом, красный цвет заката связан с тем, что под большим углом через толщу атмосферы прорываются только красные цвета солнечного спектра, имеющие самую длинную волну. Красный цвет восходов связан с тем же фактором. В остальное время дня небо голубое, так как этот оттенок способен заглушить прочий спектр, имея наибольшую способность к рассеиванию.

Поделиться:

Источник: kipmu.ru

Воздух не имеет цвета

На самом деле, небо над нашей головой не постоянно бывает голубого цвета, все зависит от времени суток и солнечного свечения. Оно может менять палитру от бледного и серого цвета в ненастную погоду до ярко красного в часы заката, но большую часть дневного времени мы видим его именно голубым.

Перед началом поиска истины, следует закрепить один важный факт – воздух и атмосфера (защитная оболочка нашего земного шарика) являются прозрачными. Белый свет включает в себя все основные цвета палитры, которые входят в видимый спектр человеческого восприятия. Ярким подтверждением этих слов является радуга. Она образуется в результате того, что солнечный свет, встречаясь с каплями дождя, преломляется и распадается на разные цвета. Именно поэтому радуга появляется только после дождя с появлением первых лучей. Каждая капелька превращается в стеклянную призму. По этой же причине небо мы видим в голубом цвете.

Солнечное излучение на пути к земному шару пробивается через слои атмосферы. На этом длительном пути свет сталкивается с молекулами газа, из которых состоит воздух, и преломляется. Возникает новый вопрос, а почему мы видим только голубой, а не все остальные семь цветов видимого спектра.

Простая разгадка

Каждый цвет в палитре имеет свой уникальный показатель длины волны. Именно голубые оттенки находятся ровно посередине видимого спектра и лучше всего рассеиваются, все остальные не проявляют высокой интенсивности, сталкиваясь с частичками в атмосфере.

Источник: zen.yandex.ru

Теории ранних веков

Вопрос о том, почему небо голубое, волновал людские умы ещё с незапамятных времён. Греческие легенды нашли свой ответ. Они утверждали, что этот оттенок ему придаёт чистейший горный хрусталь.

Во времена Леонардо да Винчи и Гете также искали ответ на вопрос, почему небо голубое. Они считали, что голубой цвет неба получается при смешивании света с темнотой. Но позже эта теория была опровергнута как несостоятельная, поскольку оказалось, что комбинируя эти цвета, можно получить лишь тона серого спектра, но никак не цветного.

Через некоторое время ответ на вопрос, почему небо голубое, попытались объяснить в 18 веке Мариотт, Бугер и Эйлер. Они считали, что это естественный цвет частиц, из которых состоит воздух. Теория эта была популярна даже в начале следующего века, особенно когда было установлено, что жидкий кислород – голубого, а жидкий озон – синего тонов.

Первым более-менее толковую идею подал Соссюр, который предположил, чтобы если бы воздух был полностью чистым, без примесей, небо оказалось бы чёрным. Но поскольку атмосфера содержит в себе различные элементы (например, пар или водяные капли), то они, отражая цвет, придают небу нужный оттенок.

После этого учёные начали всё ближе и ближе подбираться к истине. Араго открыл поляризацию, одну из характеристик рассеянного света, который отбивается от небосвода. В этом открытии ученому однозначно помогла физика.  Позже искать ответ принялись и другие исследователи. При этом вопрос, почему небо голубое настолько интересовал ученых, что для его выяснения было проведено огромное количество различных экспериментов, которые привели к мысли, что главная причина появления голубого цвета в том, что лучи нашего Солнца попросту рассеиваются в атмосфере.

Объяснение

Первым, кто создал математически обоснованный ответ молекулярного рассеяния света, оказался британский исследователь Рэлей. Он выдвинул предположение, что свет рассеивается не из-за примесей, которыми обладает атмосфера, а из-за самих молекул воздуха. Его теория получила развитие – и вот к каким выводам пришли учёные.

Солнечные лучи пробиваются на Землю через её атмосферу (толстый слой воздуха), так называемую воздушную оболочку планеты. Темное небо полностью наполнено воздухом, который несмотря на то, что полностью прозрачен, пустотой не является, а состоит из молекул газа – азота (78%) и кислорода (21%), а также водяных капель, пара, ледяных кристаллов и небольших кусочков твёрдого материала (например, частичек пыли, сажи, пепла, океанской соли и т.п.).

Некоторым лучам удаётся свободно пройти между газовыми молекулами, полностью минуя их, а потому без изменений достигнуть поверхности нашей планеты, но большинство лучей сталкиваются с газовыми молекулами, которые приходят в возбуждённое состояние, получают энергию и выпускают в различные стороны разноцветные лучи, полностью окрашивая небо, в результате чего мы видим солнечное голубое небо.

Белый свет сам по себе состоит из всех цветов радуги, которую нередко можно увидеть, когда он раскладывается на составные части. Так получилось, что молекулы воздуха больше всего рассеивают синий и фиолетовый цвета, поскольку они являются наиболее короткой частью спектра, поскольку имеют наименьшую длину волны.

При смешивании в атмосфере синего и фиолетового цветов с небольшим количеством красного, жёлтого и зелёного, небо начинает «светиться» голубым цветом.

Поскольку атмосфера нашей планеты не однородна, а довольно разная (возле поверхности Земли более плотная, чем наверху), она имеет разную структуру и свойства, мы можем наблюдать переливы голубого цвета. Перед закатом или восходом, когда длина солнечных лучей значительно увеличивается, синие и фиолетовые цвета рассеиваются в атмосфере и до поверхности нашей планеты абсолютно не доходят. Успешно добираются жёлто-красные волны, которые мы и наблюдаем на небосводе в этот период времени.

Окрас неба на других планетах

Поскольку цвет неба во многом зависит от атмосферы, нет ничего удивительного в том, что на разных планетах оно различного цвета. Интересно, что такого же цвета, как на нашей планете, атмосфера у Сатурна.

Очень красивого аквамаринового цвета небеса Урана. Атмосфера на нём состоит в основном из гелия и водорода. В ней также присутствует метан, который полностью поглощает красный и рассеивает зелёный и голубой цвета. Синего цвета небеса Нептуна: в атмосфере этой планеты нет столько гелия и водорода, как у нашей, но много метана, который нейтрализует красный свет.

Атмосфера на Луне, спутнике Земли, а также на Меркурии и Плутоне полностью отсутствует, следовательно, световые лучи не отражаются, поэтому небесный свод здесь чёрный, а звёзды легко различимы. Синие и зелёные цвета солнечных лучей полностью поглощаются атмосферой Венеры, и когда Солнце возле горизонта, небеса здесь жёлтые.

В воздухе Марса присутствует чрезвычайно много пыли красного цвета. Небо там днём жёлто-оранжевого оттенка, около Солнца – голубовато-фиолетового, во время восхода и захода – красновато-розовое, и оно является негативом нашей планеты.

Небо Юпитера всегда пасмурное. По некоторым предположениям, у него нет твёрдой поверхности. Он полностью состоит из газа, который чем ближе к ядру, тем становится плотнее, а над собой образует облака. Самые нижние голубого цвета, над ними – коричневые и белые, ещё выше – красные. Верхний слой этой планеты состоит из многокилометрового серого тумана.

Источник: awesomeworld.ru

Всё из-за дифракции света в пространственных решетках. Это пространственные образования, в которых элементы структуры подобны по форме, имеют геометрически правильное и периодически повторяющиеся расположение, а также постоянные периоды решёток, соизмеримые с длиной волны электромагнитного излучения (в нашем случае — солнечного света). 

Подобные пространственные образования должны иметь периодичность по трём не лежащим в одной плоскости направлениям. В качестве пространственных дифракционных решеток могут быть использованы кристаллические тела, так как в них неоднородности (атомы, молекулы, ионы) регулярно повторяются в трех направлениях. Дифракция света может происходить также в так называемых мутных средах — средах с явно выраженными оптическими неоднородностями. К мутным средам относятся аэрозоли (облака, дым, туман), эмульсия, коллоидные растворы и т. д., т. е. такие среды, в которых взвешено множество очень мелких частиц инородных веществ. Свет, проходя через мутную среду, дифрагирует от беспорядочно расположенных микронеоднородностей, давая равномерное распределение интенсивностей по всем направлениям, не создавая какой-либо определенной дифракционной картины. Происходит так называемое рассеяние света в мутной среде. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей, проходя через запыленный воздух, рассеивается на пылинках и тем самым становится видимым. Рассеяние света (как правило, слабое) наблюдается также и в чистых средах, не содержащих посторонних частиц. Л. И. Мандельштам объяснил рассеяние света в средах нарушением их оптической однородности, при котором показатель преломления среды не постоянен, а меняется от точки к точке. В дальнейшем польский физик М. Смолуховский (1872-1917) указал, что причиной рассеяния света могут быть также флуктуации плотности, возникающие в процессе хаотического (теплового) движения молекул среды. Рассеяние света в чистых средах, обусловленное флуктуациями плотности, анизотропии или концентрации, называется молекулярным рассеянием. Молекулярным рассеянием объясняется, например, голубой цвет неба. Согласно закону Д. Рэлея, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (I » l^4), поэтому голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные, обусловливая тем самым голубой цвет неба. По этой же причине свет, прошедший через значительную толщу атмосферы, оказывается обогащенным более длинноволновой частью спектра (сине-фиолетовая часть спектра полностью рассеивается) и поэтому при закате и восходе Солнце кажется красным, Флуктуации плотности и интенсивность рассеяния света возрастают с увеличением температуры. Поэтому в ясный летний день цвет неба является более насыщенным по сравнению с таким же зимним днем.

Источник: TheQuestion.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.