Содержание
Расскажите о спектре
Солнечный свет белый, то есть включает в себя все цвета спектра. Казалось бы, небо тоже должно быть белым, но оно голубое.
Наверняка ваш ребёнок знает фразу «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан», которая помогает запомнить цвета радуги. А радуга — лучший способ понять, как свет распадается на волны разной частоты. Наибольшая длина волны — у красного цвета, наименьшая — у фиолетового и синего.
Воздух, в котором есть молекулы газов, микрокристаллы льда и капли воды, рассеивает свет с короткой длиной волны сильнее, поэтому синего и фиолетового цвета в небе в восемь раз больше, чем красного. Этот эффект называется рэлеевским рассеянием.
Проведите аналогию с шариками, скатывающимися по рифлёной доске. Чем больше шарик, тем меньше вероятность того, что он отклонится от курса или застрянет.
Объясните, почему небо не может быть других цветов
Почему небо не фиолетовое?
Логично предположить, что небо должно быть фиолетовым, ведь у этого цвета самая короткая волна. Но тут в дело вступают особенности солнечного света и строение человеческого глаза. Спектр солнечного света неравномерен, оттенков фиолетового в нём меньше, чем остальных цветов. А человеческому глазу не видна часть спектра, что ещё сильнее уменьшает процент оттенков фиолетового в небе.
Почему небо не зелёное?
amopintar.com
У ребёнка может возникнуть вопрос: «Раз рассеяние усиливается с уменьшением длины волны, почему небо не зелёное?». Рассеиваются в атмосфере не только синие лучи. Их волна самая короткая, поэтому они заметнее и ярче всего. А вот если бы человеческий глаз был устроен иначе, небо казалось бы нам зелёным. Ведь длина волны этого цвета чуть длиннее, чем у синего.
Свет устроен не так, как краски. Если перемешать зелёную, синюю и фиолетовую краски, получится тёмный цвет. Со светом же всё наоборот: чем больше цветов смешивается, тем светлее получается результат.
Расскажите про закат
Мы видим голубое небо, когда Солнце светит сверху. Когда оно приближается к горизонту, а угол падения солнечных лучей уменьшается, лучи идут по касательной, проходя гораздо больший путь. Из-за этого волны сине-голубого спектра поглощаются в атмосфере и не доходят до Земли. В атмосфере же рассеиваются красный и жёлтый цвета. Поэтому на закате небо становится красным.
AntonFollow May 29 · 4 min read
Голубизна неба, обычно, не самый беспокоящий нас вопрос. Но всё же почему оно такое, а не, скажем, красное, как на Марсе? Для объяснения данного феномена нам понадобится чуть-чуть квантовой физики и немного биологии.
Что такое свет?
Да-да, для начала давайте поймем, что же это такое.
Ни для кого не секрет, что вокруг нас куча радиоволн: по вайфаю грузятся видеоролики с YouTube, мемы с контактика, сотовые сети загружены не только мемасами, но и голосовыми переговорами. Это всё вокруг нас. А есть еще рентгеновские лучи, которые уже не радиоволны, но тоже являются электромагнитным излучением. «Так при чём тут свет?” — спросите вы меня, а я отвечу «Падажжи, всё будет”. Так вот, свет — тоже электромагнитные волны. Ровно такие же как и у вайфая с микроволновкой (но чуть-чуть другие).
Вот как-то так, причем получается, что чем больше волна, тем меньше энергии в ней и наоборот.
Дальше мы уже будем говорить о электромагнитных волнах (о свете) как о частицах — фотонах, так будет проще. Причем самые мелкие и энергетичные — фиолетовые, а самые большие и хиленькие — красные.
«ПАДАЖЖИ, какие частицы? Это ж волны?” — задаст вопрос внимательный читатель. Всё верно. Тут совсем сам черт ногу сломит, то этот фотон частица, то волна, там уже все ученые с ума сошли и порешили всё это дело назвать корпускулярно-волновым дуализмом.
«Обнаружение фотона” — (1923 год) холст, масло.
Раз мы решили дальше обо всем говорить в терминах частиц — чем выше энергия фотона — тем он фиолетовее, чем больше фотонов — тем свет ярче.
Так при чем тут синее небо?
Погоди, не спеши, ща всё будет.
Солнце щедро посылает нам кучи самых разных фотонов — красных, желтых, фиолетовых, синих, оранжевых, инфракрасных, ультрафиолетовых и других (мы же помним, что они отличаются только энергией). Да что уж там, даже рентгена немного фигачит, и радиоволн.
Кстати, растения поглощают весь свет, кроме зеленого — поэтому они зеленые.
Солнце нас любит!
Они все дружно летят до нас, пока не сталкиваются с атмосферой. А в ней и молекулы всякого азота, кислорода, воды, ещё частичек мелких разных дофига. Фотоны покрупнее ничего из этого почти не замечают, плавно обтекая своей длинной волной, а вот фотончики поменьше сталкиваются со всем подряд.
Посмотрим наглядно:
Видим, что большие, длинные красные фотончики почти не отклоняются на частицах атмосферы, а вот мелкие и короткие синие расфигачило по всему полю. Так и получается, что красный, оранжевый и желтый свет почти никуда не уходят и идут прямо, в то время как синий многократно отражается туда-сюда и приходит к нам со всех сторон. И спереди, и сзади, и сбоку. Поэтому и закат красный, а небо как раз таки и синее.
Ну всё, а при чем тут фиолетовый?
Самые мелкие и энергичные фотоны — фиолетовые (из видимых), так почему небо не фиолетовое?
Фиолетовые!
Тут дело в двух причинах.
Первая — Солнце наше не равномерно испускает свет… Вообще не равномерно. Это очевидно из спектра нашего светила:
‘Solar Flux Atlas from 296 to 1300 nm’ by Robert L. Kurucz, Ingemar Furenlid, James Brault, and Larry Testerman: National Solar Observatory Atlas №1, June 1984.
Да шучу я, совсем не очевидно (но, кстати, из этих данных можно понять состав химический светила). Поэтому возьмем ещё график:
Верхняя линия — спектр за пределами атмосферы, нижняя — у поверхности Земли.
Хмм. Можно сделать два вывода:
а) атмосфера дохрена поглощает
б) всё еще нихрена не понятно
«Ну синее и синее небо, вот что ты пристал, отпусти уже”.
— Все мои друзья
Ща всё будет. Вернемся к нашим фотонам.
Фотоны которые испускает Солнце (спектр)
Видно, что синеньких гораздо больше, чем фиолетовых! А это значит, что их меньше будет попадать и на наши глаза, поэтому небо всё-таки синее!
Причина нефиолетовости номер два в том, что наши глаза тупо синий лучше видят, чем фиолетовый.
Внимание, будет график:
График поглощения света фоторецепторами.
Снова ничего не понятно, но нам это не важно. Смотрим сюда:
График поглощения света штуками для цвета в глазах.
Итак, видно, что мы видим фиолетовый хуже!
Вот всё это вместе и дает нам то, что небо, таки, синее
Ответ на этот вопрос сложен, и один из способов понять, что это не может быть простым, — это то, что небо не одноцветное. У зенита синее, у горизонта белее. Это серое в туманный день. Красный возле заходящего солнца.
На рисунке ниже (Bohren, Атмосферная оптика , ) ниже показан результат умножения солнечного спектра на 1 / ф 4 1 / е 4 рассеяния Рэлея. Это дает нам спектр, который сильно пиковый в фиолетовом, но у которого все еще есть немного света в остальной части спектра.
Это все предполагает одно рассеяние. Происходит многократное рассеяние, и оно наиболее распространено вблизи горизонта. Многократное рассеяние осветляет свет и выравнивает интенсивности на разных длинах волн.
У нас также есть дымка и, возможно, другие формы твердых частиц, такие как смог. Это вызывает рассеивание Ми . Рассеяние Ми на облаке частиц с диапазоном размеров приводит к более равномерному рассеянию в зависимости от длины волны, чем рэлеевское рассеяние.
Конечный результат многократного рассеяния и рассеяния Ми состоит в значительном отбеливании цвета неба.
Вы можете иметь частицы в атмосфере, которые на самом деле окрашены. Это не главное влияние на землю, но это основной фактор, ответственный за цвет марсианского неба.
Затем мы попадаем на клетки конуса глаза, которые содержат пигменты, которые действуют как фильтры для трех перекрывающихся полос. Ответ Филиппа Гиббса показывает кривые для этих фильтров. Здесь также присутствует эффект Пуркинье , который смещает спектральный отклик глаза в зависимости от уровня света, который влияет на цвет неба в сумерках по сравнению с его цветом в полдень.
Наконец, мы попадаем на дополнительный уровень обработки нервной системой, как описано в теории обработки оппонента Геринга, Хурвича и Джеймсона. Это, вероятно, оказывает существенное влияние на цвет неба. На этих графиках вы можете видеть, что (1) красно-зеленая функция имеет неожиданный рост вблизи коротковолнового конца спектра (что, я не думаю, можно объяснить только на основе крошечного вторичного выпуклости в красных клетках). «фильтрующая функция», и (2) мы воспринимаем цвет как синий, когда красно-зеленая функция близка к нулю. Изучение спектра на графике Бореном, а затем рассмотрение отбеливания в результате рассеяния Ми и многократного рассеяния показывает, что последний шаг прохождения его через красно-зеленую функцию, вероятно, приведет к чистому отрицательному результату, который небо имеет тенденцию казаться голубым или голубым — как мы наблюдаем. Чтобы небо выглядело фиолетовым, оно должно иметь чистое положительное значение красно-зеленой функции, и это кажется невозможным с этим спектром.
Просмотров: 194388
N-Photo Magazine / Contributor
Если избегать научного языка и не говорить о диполях и четвертой степени длины волны, то небо синее потому, что красный свет рассеивается меньше всех остальных, а фиолетовый, наоборот, больше. (Именно поэтому, кстати, все запретительные световые сигналы, нарушение которых чревато бедой, стараются делать красными.)
Как известно, белый свет состоит из семи основных цветов, которые изменяются по мере уменьшения длины световой волны: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. И, к примеру, находящиеся на орбите космонавты видят ослепительно-белое Солнце на фоне черного неба. Так и должно быть: составные части белого света доходят до них в безвоздушном пространстве без искажений, в то время как до Земли они доходят через «фильтр» атмосферы.
Помните, почему запретительный сигнал светофора — красный? Потому что красный цвет плохо рассеивается в стороны (он почти всегда рассеивается вдоль луча). Значит, что будет, если мы посмотрим на белое Солнце сквозь рассеивающий слой воздуха? Правильно: из семи цветов спектра меньше всего рассеется красный, чуть сильнее — оранжевый, желтый и так далее. Именно таким, оранжево-красным, мы видим Солнце на рассвете и закате. Чем выше оно поднимется над головой и чем тоньше слой атмосферы между нами и светилом, тем меньше рассеяние света, значит, тем желтее и белее будет становиться Солнце.
А что будет, если мы посмотрим в сторону от него, на небо? Тогда красные лучи Солнца, почти не рассеиваясь, так и пройдут себе в сторону, мимо нас. Оранжевые лучи рассеются чуть более, желтые — еще сильнее, а больше всего разлетится в стороны фиолетовый свет. В результате мы увидим нечто среднее между сильным фиолетовым и очень слабым красным, а именно атмосферу, подсвеченную голубым светом.
Как видите, природа голубого цвета неба была не так проста, как может показаться на первый взгляд, и потребовала от человечества накопления серьезного багажа научных знаний. Неудивительно, что она была объяснена довольно поздно, только в 1899 году. Сделал это англичанин Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей III.