В ясный солнечный день небо над нами выглядит ярко-синим. Вечером закат окрашивает небосвод в красные, розовые и оранжевые цвета. Почему небо голубое? Что делает закат красным?
Для ответа на эти вопросы нужно знать, что такое свет и из чего состоит атмосфера Земли.
Атмосфера
Атмосфера - это смесь газов и других частиц, окружающих землю. В основном атмосфера состоит из газообразных азота (78%) и кислорода (21%). Газ аргон и вода (в виде пара, капель и ледяных кристаллов) следующие по распространённости в атмосфере, их концентрация не превышает соответственно 0,93 % и 0,001%. В атмосфере Земли в небольших количествах содержатся и другие газы, а так же мельчайшие частицы пыли, сажи, пепла, пыльцы и соли, попадающей в атмосферу из океанов.
Состав атмосферы изменяется в небольших пределах в зависимости от места, от погоды и т.д. Концентрация воды в атмосфере увеличивается во время ливневых штормов, а так же вблизи океана. Вулканы способны выбросить огромное количество пепла высоко в атмосферу. Техногенные загрязнения могут так же добавить к обычному составу атмосферы различные газы или пыль и сажу.
Плотность атмосферы на низкой высоте у поверхности Земли является наибольшей, с увеличением высоты она плавно уменьшается. Между атмосферой и космосом отсутствует какая-либо ярко выраженная граница.
Световые волны
Свет является разновидностью энергии, перенос которой осуществляется с помощью волн. Кроме света, с помощью волн осуществляется перенос других видов энергий, например, звуковая волна является колебаниями воздуха. Световая волна является колебаниями электрических и магнитных полей, этот диапазон называется электромагнитным спектром.
Электромагнитные волны распространяются через безвоздушное пространство со скоростью 299,792 км/с. Скорость распространения этих волн называется скоростью света.
Энергия излучения зависит от длины волны и её частоты. Длина волны - это расстояние между двумя ближайшими вершинами (или впадинами) волны. Частота волны - это число колебаний волны за секунду. Чем длиннее волна, тем ниже её частота, и тем меньше энергии она несёт.
Цвета видимого света
Видимый свет является частью электромагнитного спектра, который может быть виден нашими глазами. Свет, испускаемый Солнцем или лампой накаливания может иметь белый цвет, но на самом деле он является смесью различных цветов. Можно увидеть различные цвета видимого спектра света, разложив его на составляющие с помощью призмы. Этот спектр так же можно наблюдать на небе в виде радуги, возникающей из-за преломления света Солнца в капельках воды, действующих как одна гигантская призма.
Цвета спектра смешиваются, непрерывно переходят один в другой. На одном конце спектр имеет красный или оранжевый цвета. Эти цвета плавно переходят в жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый цвета. Цвета имеют различные длины волн, разные частоты и различаются по энергиям.
Распространение света в воздухе
Свет распространяется через пространство по прямой до тех пор, пока на его пути нет препятствий. При входе световой волны в атмосферу свет продолжает распространяться прямолинейно до тех пор, пока на его пути не окажется пыль или молекулы газа. В этом случае то, что произойдёт со светом будет зависеть от его длины волны и размера частиц, оказавшихся на его пути.
Частицы пыли и капли воды имеют размеры гораздо больше, чем длина волны видимого света. Свет отражается в различных направлениях при столкновениях с этими крупными частицами. Различные цвета видимого света одинаково отражаются этими частицами. Отражённый свет кажется белым, так как он всё ещё содержит те же самые цвета, которые были в нём до отражения.
Молекулы газов имеют меньшие размеры, чем длина волны видимого света. Если световая волна сталкивается с ними, то результат столкновения может быть различным. Когда свет сталкивается с молекулой какого-либо газа, то часть его поглощается. Чуть позже молекула начинает излучать свет в различных направлениях. Цвет излучающегося света является тем же самым цветом, который был поглощён. Но цвета различных длин волн поглощаются по-разному. Любые цвета могут поглощаться, но более высокие частоты (голубой цвет) поглощаются гораздо сильнее, чем низкие частоты (красный цвет). Этот процесс называется рассеянием Рэлея , оно названо так в честь британского физика Джона Рэлея, открывшего это явление рассеяния в 1870-х годах.
Почему небо синее?
Небо имеет голубой цвет из-за рассеяния Рэлея. По мере продвижения света через атмосферу большая часть длинных волн оптического спектра проходит без изменений. Только незначительная часть красного, оранжевого и жёлтого цветов взаимодействует с воздухом.
Однако многие более короткие волны света поглощаются молекулами газов. После поглощения голубой цвет излучается во всех направлениях. Он рассеивается повсюду на небе. В каком бы направлении не посмотреть, часть из этого рассеянного синего света достигает наблюдателя. Так как синий свет виден повсюду над головой, то и небо выглядит голубым.
Если посмотреть в сторону горизонта, то небо будет иметь более бледный оттенок. Это является результатом того, что свет проходит большее расстояние в атмосфере до наблюдателя. Рассеянный свет снова рассеивается атмосферой, и меньше голубого цвета достигает глаз наблюдателя. Поэтому цвет неба у горизонта кажется бледнее или даже кажется совсем белым.
Чёрное небо и белое солнце
С Земли Солнце кажется жёлтым. Если бы мы находились в космосе или на Луне, то Солнце казалось бы нам белым. В космосе нет атмосферы, которая рассеивает солнечный свет. На Земле часть коротких волн солнечного света (голубой и фиолетовый цвета) поглощаются рассеянием. Оставшаяся часть спектра выглядят жёлтым цветом.
Кроме того, в космосе небо выглядит тёмным или чёрным вместо голубого. Это результат отсутствия атмосферы, следовательно свет никак не рассеивается.
Почему закат красный?
Когда Солнце клонится к закату, то солнечному свету приходится проходить большее расстояние в атмосфере, что бы достичь наблюдателя, соответственно больше солнечного света отражается и рассеивается атмосферой. Так как меньше прямого света достигает наблюдателя, то Солнце кажется менее ярким. Цвет Солнца так же кажется другим, он имеет диапазон цветов от оранжевого до красного. Это происходит из-за того, что рассеивается ещё больше коротковолновых цветов, голубого и зелёного. Остаются только длинноволновые составляющие оптического спектра, которые и достигают глаз наблюдателя.
Небо вокруг заходящего солнца может быть окрашено в разные цвета. Наиболее красивым небо бывает тогда, когда воздух содержит множество маленьких частиц пыли или воды. Эти частицы отражают свет во всех направлениях. В этом случае происходит рассеяние более коротких световых волн. Наблюдатель видит световые лучи более длинных волн, и поэтому небо кажется красным, розовым или оранжевым.
Более подробно об атмосфере
Что такое атмосфера?
Атмосфера - это смесь газов и других веществ, которые окружают Землю, в виде тонкой, в основном прозрачной оболочки. Атмосфера удерживается на месте благодаря притяжению Земли. Основными компонентами атмосферы являются азот (78,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%) и диоксид углерода (0.03%). Так же в атмосфере содержатся в небольших количествах вода (в разных местах её концентрация колеблется от 0% до 4%), твёрдые частицы, газы неон, гелий, метан, водород, криптон, озон и ксенон. Наука, которая изучает атмосферу, называется метеорологией.
Жизнь на Земле была бы невозможна без наличия атмосферы, которая поставляет кислород, необходимый нам для дыхания. Кроме того, атмосфера выполняет и другую важную функцию - она выравнивает температуру по всей планете. Если бы атмосферы не было, то в одних местах планеты могла бы быть испепеляющая жара, а в других местах сильнейший холод, диапазон температур мог бы колебаться от -170°C ночью до +120°C днём. Так же атмосфера защищает нас от вредного излучения Солнца и космоса, поглощая и рассеивая его.
От всего количества энергии Солнца, достигающей Земли, примерно 30% отражается облаками и земной поверхностью обратно в космос. Атмосфера поглощает примерно 19% излучения Солнца, и только 51% поглощается поверхностью Земли.
Воздух имеет вес, хотя мы и не сознаём этого, и не ощущаем давления воздушного столба. На уровне моря это давление имеет величину одну атмосферу, или 760 мм ртутного столба (1013 миллибар или 101,3 кПа). С увеличением высоты атмосферное давление быстро снижается. Давление падает в 10 раз при увеличении высоты на каждые 16 км. Это означает, что при давлении 1 атмосфера на уровне моря, на высоте 16 км давление будет равно 0,1 атм, а на высоте 32 км - 0,01 атм.
Плотность атмосферы в самых низших её слоях составляет 1,2 кг/м 3 . В каждом кубическом сантиметре воздуха содержится примерно 2,7*10 19 молекул. На уровне земли каждая молекула движется со скоростью около 1600 км/час, при этом частота столкновения с другими молекулами составляет 5 миллиардов раз в секунду.
Плотность воздуха также быстро падает с ростом высоты. На высоте 3 км плотность воздуха уменьшается на 30%. Люди, живущие вблизи уровня моря при поднятии на такую высоту испытывают временные проблемы с дыханием. Наибольшая высота, на которой постоянно проживают люди, составляет 4 км.
Строение атмосферы
Атмосфера состоит из разных слоёв, разделение на эти слои происходит по их температуре, молекулярному составу и электрическим свойствам. Эти слои не имеют ярко выраженных границ, они сезонно изменяются, и кроме того их параметры меняются на разных широтах.
Разделение атмосферы на слои в зависимости от их молекулярного состава
Гомосфера
Гетеросфера
- Простирается выше гомосфераы, включает в себя Термосферу и Экзосферу.
- Разделение молекул этого слоя основано на их молекулярных массах. Более тяжёлые молекулы, такие как азот и кислород, концентрируются в нижней части слоя. Более лёгкие, гелий и водород, преобладают в верхней части гетеросферы.
Разделение атмосферы на слои в зависимости от их электрических свойств.
Нейтральная атмосфера
- Ниже 100 км.
Ионосфера
- Примерно выше 100 км.
- Содержит электрически заряженные частицы (ионы), возникающие при поглощении ультрафиолетового света
- Степень ионизации изменяется с высотой.
- Различные слои отражают длинные и короткие радиоволны. Это позволяет радиосигналам, распространяющимся по прямой, огибать сферическую поверхность земли.
- В этих атмосферных слоях происходят полярные сияния.
- Магнитосфера является верхней частью ионосферы, простирающейся примерно до высоты 70000 км, эта высота зависит от интенсивности солнечного ветра. Магнитосфера защищает нас от заряженных частиц высоких энергий солнечного ветра, удерживая их в магнитном поле Земли.
Разделение атмосферы на слои в зависимости от их температур
Высота верхней границы тропосферы зависит от сезонов и широты. Она простирается от земной поверхности до высоты примерно 16 км у экватора, и до высоты 9 км на Северном и Южном полюсах.
- Префикс "тропо" означает изменения. Изменение параметров тропосферы происходит из-за погодных условий - например, из-за перемещения атмосферных фронтов.
- С увеличением высоты температура падает. Тёплый воздух поднимается вверх, затем охлаждается и спускается обратно на Землю. Этот процесс называется конвекцией, он возникает в следствии движения воздушных масс. Ветры в этом слое дуют преимущественно вертикально.
- Этот слой содержит больше молекул, чем все другие слои, вместе взятые.
Стратосфера - простирается примерно от высоты 11 км до 50 км.
- Имеет очень тонкий слой воздуха.
- Префикс "страто" относится к слоям или разделению на слои.
- Нижняя часть Стратосферы довольно спокойная. Реактивные самолёты часто летают в нижней части Стратосферы для того, что бы обойти плохую погоду в Тропосфере.
- В верхней части Стратосферы дуют сильные ветры, известные как высотные струйные течения. Они дуют горизонтально со скоростями до 480 км/час.
- Стратосфера содержит "озоновый слой", расположенный на высоте примерно 12 до 50 км (в зависимости от широты). Хотя концентрация озона в этом слое всего 8 мл/м 3 , он очень эффективно поглощает вредные ультрафиолетовые лучи солнца, тем самым защищая жизнь на земле. Молекула озона состоит из трёх атомов кислорода. Молекулы кислорода, которыми мы дышим, содержат два атома кислорода.
- Стратосфера очень холодная, её температура составляет примерно -55°C в нижней части и возрастает с высотой. Увеличение температуры связано с поглощением ультрафиолетовых лучей кислородом и озоном.
Мезосфера - простирается до высот примерно 100 км.
- С увеличением высоты температура быстро растёт.
Термосфера - простирается до высот примерно 400 км.
- С увеличением высоты температура быстро возрастает из-за поглощения очень коротковолнового ультрафиолетового излучения.
- Метеоры, или "падающие звёзды", начинают сгорать на высотах примерно 110-130 км над поверхностью Земли.
Экзосфера - простирается на сотни километров за Термосферу, постепенно переходя в космическое пространство.
- Плотность воздуха здесь так низка, что применение понятия температуры теряет всякий смысл.
- При столкновении друг с другом молекулы часто улетают в космос.
Почему небо голубое?
Видимый свет является разновидностью энергии, способной перемещаться через пространство. Свет от Солнца или лампы накаливания кажется белым, хотя в действительности он является смесью всех цветов. Основные цвета, из которых сложен белый цвет это красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета непрерывно переходят один в другой, поэтому кроме основных цветов имеется ещё огромное количество всевозможных оттенков. Все эти цвета и оттенки можно наблюдать на небе в виде радуги, возникающей в области повышенной влажности.
Воздух, заполняющий всё небо, является смесью мельчайших молекул газа и небольших твёрдых частиц, таких как пыль.
По мере того, как солнечный свет проходит сквозь воздух, он натыкается на молекулы и пыль. Когда свет сталкивается с молекулами газа, то может произойти отражение света в различных направлениях. Некоторые цвета, например, красный и оранжевый, напрямую достигают наблюдателя, непосредственно проходя через воздух. Но большая часть синего света переотражается от молекул воздуха во всех направлениях. Таким образом происходит рассеивание синего света по всему небу и оно кажется голубым.
Когда мы смотрим вверх, то некоторая часть этого голубого свет достигает наших глаза ото всех концов неба. Так как повсюду над головой нам виден синий цвет, то небо выглядит голубым.
В космическом пространстве отсутствует воздух. Так как там нет препятствий, от которых свет мог бы отражаться, то свет распространяется напрямую. Лучи света не рассеиваются, и "небо" выглядит тёмным и чёрным.
Эксперименты со светом
Первый эксперимент - разложение света в спектр
Для проведения этого эксперимента понадобится:
- небольшое зеркало, кусок белой бумаги или картона, вода;
- большой мелкий сосуд типы кюветы или миски, или пластиковая коробка из-под мороженого;
- солнечная погода и окно, выходящее на солнечную сторону.
Как проводить эксперимент:
- Наполните кювету или миску на 2/3 водой, и поставьте на пол или на стол так, что бы прямой солнечный свет достигал воды. Наличие прямого солнечного света является обязательным для правильного проведения эксперимента.
- Установите зеркало под водой так, что бы на него попадали солнечные лучи. Держите над зеркалом кусок бумаги так, что бы отражённые зеркалом лучи солнца попадали на бумагу, если необходимо, отрегулируйте их взаимное положение. Наблюдайте цветной спектр на бумаге.
Что происходит: вода и зеркало действуют как призма, разлагая свет на цветовые составляющие спектра. Это происходит потому, что лучи света, проходя из одной среды (воздуха) в другую (воду) изменяют свою скорость и направление. Это явление называется рефракцией. Различные цвета преломляются по-разному, фиолетовые лучи сильнее тормозятся и сильнее изменяют своё направление. Красные лучи замедляются и меняют своё направление в меньшей степени. Свет разделяется на составляющие цвета, и мы можем видеть спектр.
Второй эксперимент - моделирование неба в стеклянной банке
Материалы, необходимые для проведения эксперимента:
- прозрачный высокий стакан или прозрачная пластиковая либо стеклянная банка;
- вода, молоко, чайная ложка, фонарик;
- тёмная комната;
Проведение эксперимента:
- Наполнить стакан или банку на 2/3 водой, примерно 300-400 мл.
- В воду добавить от 0,5 до одной ложки молока, смесь взболтать.
- Взяв стакан и фонарик, перейти в тёмную комнату.
- Держите фонарик над стаканом с водой и направьте луч света на поверхность воды, посмотрите на стакан со стороны. При этом вода будет иметь синеватый оттенок. Теперь направьте фонарик на стакан сбоку, и посмотрите на луч света с другой стороны стакана, так что бы свет прошёл через воду. При этом у воды появится красноватый оттенок. Поместите фонарик под стакан и направьте луч света вверх, при этом смотря на воду сверху. При этом красноватый оттенок у воды будет выглядеть более насыщенным.
Что в этом эксперименте происходит: мелкие частицы молока, взвешенные в воде, рассеивают свет, идущий от фонарика точно так же, как частицы и молекулы в воздухе рассеивают солнечный свет. Когда стакан освещается сверху, то вода кажется голубоватой из-за того, что голубой цвет рассеивается во все стороны. Когда вы смотрите через воду непосредственно на свет, то свет фонаря кажется красным, так как часть синих лучей была удалена из-за рассеяния света.
Третий эксперимент - смешивание цветов
Вам понадобится:
- карандаш, ножницы, белый картон или кусок ватмана;
- цветные карандаши или фломастеры, линейка;
- кружка или большая чашка с диаметром в верхней части 7...10 см или штангенциркуль.
- бумажный стакан.
Как проводить эксперимент:
- Если нет штангенциркуля, то используйте кружку в качестве шаблона для рисования окружности на куске картона, вырежьте эту окружность. С помощью линейки разделите окружность на 7 приблизительно равных секторов.
- Раскрасьте эти семь секторов в цвета основные спектра - красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Старайтесь раскрасить диск как можно аккуратнее и равномернее.
- Проделайте отверстие в середине диска и насадите диск на карандаш.
- Проделайте отверстие в днище бумажного стаканчика, диаметр отверстия должен быть чуть больше диаметра карандаша. Переверните стаканчик вверх дном и вставьте в него карандаш с насаженным диском так, что бы грифель карандаша опирался на стол, отрегулируйте положение диска на карандаше так, что бы диск не касался дна стаканчика и находился над ним на высоте 0,5..1,5 см.
- Быстро раскрутите карандаш и смотрите на вращающийся диск, обратите внимание на его цвет. При необходимости проведите регулировку диска и карандаша так, что бы они могли легко вращаться.
Объяснение увиденного явления: цвета, которыми раскрашены секторы на диске, являются основными составляющими цветами белого света. Когда диск вращается достаточно быстро, то кажется, что цвета сливаются, и диск выглядит белым. Попробуйте поэкспериментировать с другими комбинациями цветов.
Почитайте вот это:
6 ноября 2011 г. Закат над Лос-Анджелесом был почти кроваво-красным и Солнце было огромным. Ярко оранжево-красным было и небо, окружающее Солнце. Это было потрясающее зрелище. Люди останавливались на дороге, чтобы его понаблюдать. Я полагаю, это Планета X, подходящая все ближе? И покраснение произошло из-за хвоста, а увеличение Солнца также из-за красного цвета пыли? [и от другого] 5 ноября 2011 г. Эта фотография была сделана незадолго до восхода солнца вблизи Кокомо, штат Индиана. С конца лета прошлого года я часто видел такие розовые облака, как эти, и все более кроваво-красное предрассветное небо в ясные дни. 3 ноября 2011 г. Эта фотография в пасмурный день была снята примерно через час после восхода солнца, обратите внимание, что солнце выглядывает сквозь облака, и что облака вблизи горизонта розовые. Около двух с половиной часов после восхода солнца вблизи горизонта еще можно было видеть чуть розовые облака, как на этой фотографии, хотя в тот момент я не сделал еще ни одного снимка. Обычно розовый цвет исчезает вскоре после рассвета. Сегодня днем было пасмурно и я заметил, что облака становятся розовыми за пару часов до захода солнца. Если хвост Планеты X начал достигать Земли, не будут ли облака становиться в дневное время более розовыми или небо - более красным, когда оно немного затуманено и пасмурно?
Человечество привыкло к тому, что восходящее и заходящее Солнце больше, чем полуденное, и Солнце на восходе и закате, а также окружающие облака имеют оранжевый цвет. Мы объясняли, что это связано с более легким отклонением света в красной области спектра, поэтому лучи красного света изгибаются прежде всего над горизонтом из-за земной гравитации, тогда как свет других участков спектра так не изгибается. Свет этой части спектра, который исходит от Солнца во всех направлениях, изгибается земной гравитацией, так что свет, обычно проходящий с обеих сторон наблюдателя на Земле, отклоняется к ее центру. Поэтому он приходит к глазу или в камеру наблюдателя как с боков, так и непосредственно по прямой линии от Солнца, рисуя более широкую картину.
Как это будет меняться по мере увеличения в атмосфере количества красной пыли из хвоста Планеты X? Очевидно, что любой свет, проникающий через атмосферу, будет все больше смещаться в красную область светового спектра. Пыль выглядит красной, потому что она в основном отражает лучи света красной области спектра, поглощая лучи света других участков спектра. Так каким будет эффект, учитывая, что солнечный свет, который достигает Земли, будет все больше принадлежать красной области светового спектра? Конечно, красные полярные сияния в Северной Америке наблюдались в последнее время отчасти из-за гравитационного танца между Землей и Планетой X. Будут ли возникатьдругие искажения?
Как отметил внимательный наблюдатель, на закате Солнце кажется больше, чем обычно. Если свет красного спектра после покидания Солнца отклоняется к Земле, что будет делать с этими лучами света, идущими Солнца к Земле, увеличившееся в земной атмосфере количество красной пыли? Можно ожидать их дополнительное отклонение к гравитационному центру Земли, с еще большим кажущимся размером Солнца на восходе и закате. Могут быть искажены размеры всех планетарных объектов. Луна может казаться больше и, таким образом, ближе, порой тревожа наблюдателей. У властей не будет для этого никакого объяснения, и они, как обычно, замолкнут, ничего не предложив. НАСА и эксперты будут еще больше оконфужены, а более встревоженные люди начнут рыскать по интернету в поисках ответов, поскольку красная пыль упоминается в пророчествах о Конце Света, и ее появление нельзя будет скрыть.
В ясный солнечный день небосвод над нами имеет ярко-синий цвет. Вечером, на закате, небо обретает приятный для глаза глубокий красный цвет с многочисленными оттенками. Так почему же небо днем голубое? Что делает закат красным? Каким образом прозрачный воздух переливается синими и красными оттенками в разное время суток?
Я представлю 2 ответа здесь: первый - более упрощенный для широкого читателя, второй - более научный и точный. Выберите уж сами, какой вам по душе.
1. Почему небо голубое, а не зеленое? Ответ для чайников
Свет от Солнца или лампы выглядит белым, но на самом деле белый цвет-это смесь всех 7 существующих цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового (рис. 1). Небо (атмосфера) наполнено воздухом. Воздух представляет собой смесь з крошечных молекул газа и небольших кусочков твердого материала, такого как, например, пыль. Так как солнечный свет проходит сквозь воздух, он сталкивается с частицами воздуха. Когда луч света попадает на молекулы газа, он может "отскочить" в другом направлении (рассеиваться).
Некоторые составные цвета белого света,такие как красный и оранжевый, проходят от Солнца к нам в глаза прямо, без рассеивания. Но большинство лучей голубого цвета "отскакивает" от частиц воздуха по всем направлениям. Таким образом, все небо оказывается буквально пронизанным голубыми лучами. Когда вы смотрите вверх, часть этого голубого света достигает глаза и вы видитеотовсюду над головой голубой свет! Вот,собственно, почему небо голубое!
Естественно, все упрощено по максимуму, но ниже представлен параграф, где более фундаментально описано свойство нашего с вами любимого неба над головой и причины, которые объясняют, почему все-таки цвет неба именно голубой, а не зеленый!
2. Почему небо голубое? Ответ для продвинутых
Давайте рассмотрим более детально природу света и цвета. Цвет, как все знают, - это свойство света, которое могут воспринимать и определять наши глаза и мозг. Свет от солнца - это большое количество белых лучей, которые состоят из всех 7 цветов радуги. Свет обладает свойством дисперсии (рис. 1). Всё освещается Солнцем, но некоторые предметы отражают лучи только одного цвета, например, синего, а другие предметы - только лучи желтого и тд. Таким образом человек определяет цвета. Итак, Солнце светит на Землю своими белыми лучами, но её окутывает атмосфера (толстый слой воздуха), и когда этот белый (состоящий из всех цветов) луч проходит через атмосферу, именно воздух рассеивает (распространяет) все 7 цветных лучей белого солнечного луча, но с большей силой именно его сине-голубые лучи (проще говоря, атмосфера буквально начинает светиться голубым цветом). Другие цвета напрямик попадают от Солнца к нам в глаза (рис 2).
Почему именно голубой цвет поддается наибольшему рассеиванию в атмосфере? Это природное явление, и описывается оно физическим законом Рэлея. Если объяснять проще, то существует формула, которую вывел Рэлей в 1871 году, и которая определяет, как зависит рассеивание света (луча) от цвета этого луча (то есть от такого свойства луча, как его длина волны). И так уж получилось, что наименьшую длину волны и соответственно наибольшее рассеивание имеет именно небесно-голубой цвет.
Почему во время восхода и Заката небо красное? На закате или восходе Солнце находится низко над горизонтом, из-за чего солнечные лучи наклонно падают
ют на Землю. Длина луча, естественно, многократно увеличивается (рис. 3), и поэтому на таком огромном расстоянии почти вся коротковолновая (сине-голубая) часть спектра рассеивается в атмосфере и не доходит до поверхности Земли. Доходит до нас только длинные волны, жёлто-красные. Как раз такой цвет и приобретает небо во время восхода заката. Вот почему небо кроме голубого и синего бывает и желтым и красным!
А сейчас для полного понимания всего вышесказанного несколько слов о том, что из себя представляет атмосфера.
Что такое атмосфера (небесный свод)?
Атмосфера представляет собой смесь молекул газа и других материалов, окружающих Землю. В основном атмосфера состоит из газов азота (78%) и кислорода (21%). Газы и вода (в виде паров, капель и ледяных кристаллов) являются наиболее распространенными составными частями атмосферы. Есть также небольшое количество других газов, а также множество мелких твердых частиц, таких как пыль, сажа, пепел, соль из океанов и тд. Состав атмосферы меняется в зависимости от географического положения, от погоды и многого другого. Где-то может быть больше воды в воздухе после ливня или рядом с океаном, где-то вулканы извергают большое количество частиц пыли высоко в атмосферу.
Атмосфера более плотная в своей нижней части, рядом с Землей. Она с высотой постепенно утончается. Не существует резкого разрыва между атмосферой и пространством. Вот почему мы видим переливы голубого и синего на небе, именно потому, что атмосфера на небе везде разная, имеет различную структуру и свойства.
В ясный, солнечный день небо выглядит ярко-голубым.
Вечером, на закате, небо становится красным, розовым и оранжевым.
Почему небо голубое? Что окрашивает закат в красный цвет?
Отвечая на эти вопросы, мы должны изучить свет и земную атмосферу.
Атмосфера
Атмосфера — это смесь из молекул газа и других веществ, окружающих Землю. Главным образом это азот (78%) и кислород (21%). К другим наиболее распространенным веществам относятся аргон и вода (в виде пара, жидкости и кристаллов льда).Так же, в небольших количествах, присутствуют другие газы и маленькие твердые частички: пылинки, сажа, пыльца и соль из океана.
Состав атмосферы меняется в зависимости от местоположения, погоды и других вещей.
Например, воды может быть больше в воздухе после урагана или вблизи океана. Вулканы могут выбрасывать в атмосферу большое количество пепла. Загрязнение может добавить различных газов и сажи. Атмосфера плотно прижата ко всей поверхности Земли. Постепенно она становится тоньше, если подниматься все выше и выше. Нет четкой границы между атмосферой и космосом.
Световые волны
Свет — это часть энергии, которая излучается и перемещается в виде волн. Много видов энергии представлены волной. Для примера, звук — это колебания воздуха. Свет — это колебания электрических и магнитных полей. Это лишь небольшая часть огромного ряда электромагнитных колебаний. Этот ряд называется спектром.Электромагнитные волны движутся в космосе со скоростью близкой к 300.000 км/час. Это называется скоростью света.
Цвет света
Видимый свет — это часть электромагнитного спектра, который могут воспринять наши глаза. Свет Солнца или обычной лампочки состоит из разных цветов. Мы можем видеть эти цвета, преломив свет с помощью призмы. Также они видны в радуге на небе.Цвета постоянно перемешаны в один. С одного конца спектра находятся красный и оранжевый цвета. Они постепенно переходят в желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Цвета имеют различную длину волны, частоту и энергию. Фиолетовый цвет с самой короткой длиной волны из видимого спектра. Это значит, что у него самая высокая частота и энергия.
С красным цветом все наоборот: частота и энергия самые низкие, но длина волны самая длинная.
Свет в воздухе
Свет перемещается в космосе по прямой линии, до тех пор, пока не встретит препятствие на своем пути. Когда же свет движется в атмосфере, он продолжает двигаться по прямой линии, до тех пор, пока не натыкается на молекулы воздуха. Что происходит после столкновения, зависит от длины волны и частоты.Частички пыли и капли воды гораздо больше, чем длина волны видимого света. Свет, сталкиваясь с этими частичками, отражается и меняет траекторию движения. Различные цвета света одинаково отражаются от частичек. Отраженный свет остается белым, так как продолжает содержать в себе все цвета в перемешанном виде.
Молекулы газа гораздо меньше длины волны видимого света. Когда свет сталкивается с ними, может произойти что угодно. Например, он может быть поглощен молекулами. И тогда они начнут излучать его, но уже в другую сторону. Все цвета поглощаются, но голубой делает это сильнее, чем все остальные цвета. Этот процесс получил название «Рэлеевское рассеивание» (По имени английского физика Лорда Рэлея, кто первый открыл это явление в 1870г.)
Почему небо голубое?
Небо окрашено в голубой цвет благодаря Рэлеевскому рассеиванию. Когда свет проходит сквозь атмосферу, голубой цвет поглощается молекулами воздуха и отражается в разных направлениях. Это явление наблюдается вокруг всей Земли. Куда бы вы не посмотрели, везде вас настигнет отраженный синий цвет. Поэтому все небо выглядит голубым.У самого горизонта цвет неба не такой насыщенный, это связано с тем, что ему приходится пройти больший объем воздуха.
Черное небо и белое Солнце
С Земли Солнце выглядит желтым. Если вы окажетесь в космосе или на Луне, то Солнце станет белым. В космосе нет атмосферы и свет Солнца ни от чего не отражается. Не будь атмосферы, небо выглядело бы черным.Почему закат красный?
Солнце клонится к закату и свету придется пройти большое расстояние через атмосферу, прежде чем долететь до вас. Большая часть света отражается и поглощается. Чем меньше долетает света, тем менее ярким выглядит Солнце. Его цвет меняется от оранжевого до красного, так как эти цвета имеют самую большую длину волны.Вокруг заходящего Солнца небо может принимать различные цвета.
Особенно зрелищно это выглядит, когда в небе взвешено много мелких частичек. Они отражают свет в различных направлениях, и небо окрашивается в красный, оранжевый и розовый цвета.
Ярко-багровые восходы и закаты обусловлены тем, что атмосфера просеивает длинные красные световые волны. (Фото кликабельно)
Несмотря на белизну солнечного света (то есть содержание им всех цветов спектра), небо в солнечный день кажется голубым. Это происходит благодаря тому, что солнечный свет, проходя через атмосферу, наталкивается на молекулы воздуха и пылинки, в результате чего выделяются световые волны различной длины.
Этот процесс называется просеиванием. В ясный день небо кажется голубым потому, что мелкие атмосферные частицы лучше пропускают короткие голубые волны, чем длинные красные. Однако на восходе или на закате - и особенно при запыленности воздуха - небо выглядит красным. Это объясняется тем, что солнечному свету приходится преодолевать гораздо большее расстояние, когда он проходит через атмосферу вблизи горизонта. Голубой свет полностью отражается глазом, в то время как крупные частицы пыли пропускают красный свет, что и вызывает прекрасное зрелище вечернего неба.
Просеивание красного света
Когда солнце находится над горизонтом, его свет преодолевает в атмосфере долгий путь. Синий свет отражается глазом. Красный свет отражается в меньшей степени и просеивается крупными частицами пыли в воздухе.
Рождение неба
Когда солнце находится в зените, его свет проникает через сравнительно тонкий слой атмосферы. В процессе, который называется просеиванием Рэлея, мелкие молекулы воздуха гораздо эффективнее отделяют синий свет, чем красный, и поэтому небо кажется голубым.
Солнечный спектр
Люди видят лишь малую долю света солнца, диапазон которого простирается от коротковолнового гамма-излучения до длинных радиоволн. Человеческий глаз способен воспринимать лишь узкий диапазон световых волн, от 380 до 770 нанометров (нм). Нанометр - это одна миллиардная часть метра.
Призма
Призма расщепляет солнечный свет на семь цветов, от красного до фиолетового, создает видимый свет.