История вопроса - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Каких только гипотез не выдвигалось в разное время для объяснения цвета неба. Наблюдая, как дым на фоне темного камина приобретает синеватый цвет, Леонардо да Винчи писал: "...светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной, чем превосходными будут светлое и темное". Примерно такой же точки зрения придерживался Гете, который был не только всемирно известным поэтом, но и крупнейшим ученым естествоиспытателем своего времени. Однако такое объяснение цвета неба оказалось несостоятельным, поскольку, как стало очевидно позднее, смешение черного и белого может дать только серые тона, а не цветные. Синий цвет дыма из камина обусловливается совершенно другим процессом.
После открытия интерференции, в частности в тонких пленках, Ньютон пытался применить интерференцию к объяснению цвета неба. Для этого ему пришлось допустить, что капли воды имеют форму тонкостенных пузырей, наподобие мыльных. Но так как капельки воды, содержащиеся в атмосфере, в действительности представляют собой сферы, то и эта гипотеза вскоре "лопнула", как мыльный пузырь.
Ученые XVIII в. Мариотт, Бугер, Эйлер думали, что голубой цвет неба объясняется собственным цветом составных частей воздуха. Такое объяснение даже получило некоторое подтверждение позднее, уже в XIX в., когда установили, что жидкий кислород имеет голубой цвет, а жидкий озон - синий. Ближе всех к правильному объяснению цвета неба подошел О. Б. Соссюр. Он считал, что если бы воздух был абсолютно чистым, то небо было бы черным, но воздух содержит примеси, которые отражают преимущественно голубой цвет (в частности водяной пар и капельки воды). Ко второй половине XIX в. накопился богатый экспериментальным материал по рассеянию света в жидкостях и газах, в частности была обнаружена одна из характеристик рассеянного света, поступающего от небосвода, его поляризация. Первым ее открыл и исследовал Араго. Это было в 1809 г. Позднее исследованиями поляризации небесного свода занимались Бабине, Брюстер и другие ученые. Вопрос о цвете неба настолько приковывал внимание ученых, что проводимые эксперименты по рассеянию света в жидкостях и газах, имевшие гораздо более широкое значение, проводились под углом зрения "лабораторное воспроизведение голубого цвета неба". Об этом говорят и названия работ: "Моделирование голубого цвета неба" Брюкке или "О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще" Тиндаля. Успехи этих экспериментов направили мысли ученых по правильному пути искать причину голубого цвета неба в рассеянии солнечных лучей в атмосфере.
Рисунок 8 британский физик и механик Джон Рэлей
Первым, кто создал стройную, строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей (рисунок 3) . Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на самих молекулах воздуха. Первая работа Рэлея по рассеянию света была опубликована в 1871 г. В окончательном виде его теория рассеяния, основанная на электромагнитной природе света, установленной к тому времени, была изложена в работе "О свете от неба, его поляризации и цвете", вышедшей в свет в 1899 г. За работы в области рассеяния света Рэлея часто называют Рэлеем Рассеивающим, в отличие от его сына, лорда Рэлея IV. Рэлея IV за большой вклад в развитие физики атмосферы называют Рэлеем Атмосферным. Для объяснения цвета неба приведем только один из выводов теории Рэлея, который гласит: яркость, или интенсивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу. Таким образом, молекулярное рассеяние чрезвычайно чувствительно к малейшему изменению длины волны света. Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 мкм) примерно в два раза меньше длины волны красных (0,8 мкм). Поэтому фиолетовые лучи будут рассеиваться в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающих лучей их в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все цветные рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым.
Прямой солнечный свет (т. е. свет, исходящий непосредственно от солнечного диска), теряя за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи, приобретает слабый желтоватый оттенок, который усиливается при опускании Солнца к горизонту. Теперь лучам приходится проходить в атмосфере все больший и больший путь. На длинном пути потери коротковолновых, т. е. фиолетовых, синих, голубых, лучей становятся все более заметными, и в прямом свете Солнца или Луны до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи красные, оранжевые, желтые. Поэтому цвет Солнца и Луны становится сначала желтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба это два следствия одного и того же процесса рассеяния. В прямом свете, после того как он проходит сквозь толщу атмосферы, остаются преимущественно длинноволновые лучи (красное Солнце), в рассеянный свет попадают коротковолновые лучи (голубое небо). Так теория Рэлея очень наглядно и убедительно объяснила загадку голубого неба и красного Солнца[6].
Все, конечно, обращали внимание, что цвет неба изменяется ото дня ко дню. Иногда оно насыщенно-голубое, а иногда белесое. В околозенитных частях небо самое голубое, а у горизонта всегда более белесое. Эти особенности изменения цвета неба теория Рэлея не могла объяснить. Ответ на эти вопросы получили позднее, когда было исследовано рассеяние света на более крупных частицах, имеющихся в атмосфере,-- аэрозолях и создана теория аэрозольного рассеяния.
Пыль, дым и т. д. усиливают рассеяние света; более того, в иных случаях рассеяние может совершенно иначе зависеть от длины волны. После больших извержений вулканов восходы и заходы солнца порой играют удивительными красками (солнце и луна могут даже стать синими). Конкретные оттенки цветов, наблюдаемые в конкретной ситуации, обусловлены комбинацией рэлеевского рассеяния с рассеянием света на твердых частицах. Так же и оттенки заката могут варьироваться в зависимости от запыленности атмосферы и концентрации в ней водяного пара.
Важную роль играют флуктуации плотности областей атмосферы с размером, много меньшем длины волны. Если бы такие области отсутствовали, то интерференция света, рассеянного равномерно расположенными молекулами, приводила бы к тому, что интенсивность рассеянного света для всех длин волн была бы отличной от нуля лишь в направлении распространения первоначального луча. Учет в молекулярном рассеянии флуктуации плотности приводит к такой же зависимости рассеяния от длины волны, как в случае мелких частиц, рассмотренном Рэлеем[7].
Похожие статьи
-
Заключение - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Цвет неба изменяется ото дня ко дню. Иногда оно насыщенно-голубое, а иногда белесое. В околозенитных частях небо самое голубое, а у горизонта всегда...
-
Объяснение явления голубого неба - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Ночью небо черное, а с наступлением дня, когда часть земной поверхности, на которой находится наблюдатель, начинает освещать солнце, ситуация меняется, и...
-
Почему небо голубое, Небо - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Небо Небо это бесконечность. Для любого народа, небо символ чистоты, ведь считается, что там живет сам Бог. Люди, обращаясь к небу, просят дождя, или...
-
Спектр цвета и цветовое зрение Спектр света часть спектра электромагнитного излучения Свет в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое...
-
Теория древних греков - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Валяясь в траве в жаркий полдень, можно до бесконечности вглядываться в бездонную голубизну неба, словно в колодец и, жуя травинку, строить на этот счет...
-
Оптические явления природы, Световые столбы - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Световые столбы Раньше считалось, что световые столбы - божественное знамение. Человека, увидевшего его, обязательно ждало несметное богатство и...
-
Видимый свет в спектре - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света. Скорость...
-
Введение - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика. Солнечная инженерия является одним из направлений, над которым работают ученые. Состоит...
-
Источники света - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Природа возникновения света. Известно, что при нагревании до определенных температур вещества начинают излучать свет. Неважно, будь то вольфрамовый...
-
Брокенский призрак - Физика солнечного света. Почему небо голубое
Брокенский призрак появляется, когда Солнце светит из-за альпиниста, смотрящего вниз с хребта или пика в туман. Свет проецирует тень альпиниста вперед...
-
Преломление - Физика солнечного света. Почему небо голубое
В 1621 году Снеллиус сформулировал закон преломления, который гласит, что если угол между падающим лучом и нормалью поверхности проведенной к точке...
-
Поляризация света и оптическая активность - Оптические изомеры и их влияние на организм человека
В начале 19 в. английский физик, астроном и врач Томас Юнг показал, что свет можно рассматривать как волну. Французский физик Огюстен Френель установил,...
-
Классификация экономико-математических методов - История развития методов и моделей в экономике
Велика роль математических моделей при описании экономических объектов и процессов, что, безусловно, подтверждается историей развития этого направления...
-
Корпускулярно-волновой дуализм - Основы естественно-научных знаний
Основы корпускулярной концепции описания природы были заложены еще в VI-VII вв. до н. э. философами и учеными Древней Греции и Древнего Рима, которых...
-
Научная теория и ее структура - Основы научных исследований
Теория - система логически непротиворечивых верифицируемых высказываний, в идеале имеющая аксиоматическую структуру и полностью соответствующая всем...
-
Исследования, проводимые в последние годы, указывают на перспективность использования систем, для которых характерна фотоинициируемая валентная...
-
Оксид кадмия CdO можно получить сжиганием металла на воздухе или в кислороде, обжигом его сульфида или термическим разложением некоторых соединений. Это...
-
ВВЕДЕНИЕ Химия и физика как наука начала свой отсчет в прошлом веке, в тот период она начинала с изучения химического состава молока. В нашей стране этим...
-
Химия и физика - Связь химии с другими науками
К общим вопросам химии и физики относятся строение веществ и движение тех частиц, из которых вещества построены. Показательно, что самые первые шаги в...
-
Введение, История теоремы - Великая теорема Ферма
Она заинтересовала меня тем, что на вид очень простая и казалось бы, решить ее может каждый школьник, но найти ее решение на протяжении 358 лет пытались...
-
Строение Солнечной системы. Солнечно-Земные связи - Основы естественно-научных знаний
Вселенная -- это весь окружающий нас мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает вечно движущаяся...
-
Структурные свойства фуллеренов - История открытия фуллеренов, их свойства
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести - и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида....
-
Из истории комбинаторики - Правила комбинаторики
Комбинаторика занимается различного вида соединениями, которые можно образовать из элементов конечного множества. Некоторые элементы комбинаторики были...
-
Биография Ричарда Смолли - История открытия фуллеренов, их свойства
Смолли родился 6 июня 1943года в городе Акрон, штат Огайо. Учился в Мичиганском университете, получил степень бакалавра в 1965 году. В 1973 году получил...
-
Учения о числе в школе Пифагора - История развития математики
Как известно, Пифагор утверждал, что людей окружают разные предметы. Но все их многообразие не может не иметь под собой единой мировой основы....
-
Как в теоретическом, так и в прикладном отношении представляют интерес работы по построению и использованию производственных функций для анализа...
-
Введение, История открытия азота - Азот, его соединение и свойства. Азот в природе
Целью данной работы является изучение и анализ химического элемента - азота. Азот - это бесцветный газ, без вкуса и запаха. Один из самых...
-
В 1870-х гг. нефть еще не имела того военно-стратегического значения, какое она получила в ХХ столетии. Во времена Менделеева нефть использовалась...
-
Окисление полиэфиров, Действие света и других излучений - Деструкция полимеров полиэтилентерефталата
Полиэфиры при высоких температурах окисляются под влиянием кислорода воздуха. Ввиду этого реакцию получения полиэфиров проводят в атмосфере азота,...
-
Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев одинаковой структуры. Полимеры встречаются в природе -...
-
История открытия - Свойства графена
Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку. Его теоретическое исследование...
-
Бериллий с точки зрения физика - Бериллий
В истории многих элементов есть особые вехи - открытия, после которых значение этих элементов неизмеримо возрастает. В истории бериллия таким событием...
-
Введение, История открытия благородных газов - Благородные газы и их свойства
К благородным, или инертным, газам относятся: гелий Не , неон Ne , аргон Ar , криптон Kr , ксенон Хе , радон Rn . Они относятся к VIII группе, главной...
-
Фотолиз гибридного соединения QD-L в кислой среде - Свойства нейтральной формы гибридного соединения
Для проверки фотоактивности и возможности управления люминесценцией протонированной формы гибридного соединения при помощи облучения светом с различными...
-
О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ. - Жидкие кристалы
Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптические эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоены техникой и используются в...
-
Кровь уже издавна известна людям в качестве более или менее ярко-алой жидкости, наполняющей тело теплокровных и холоднокровных животных. Только в XVII...
-
Теория "Большого взрыва" - Основы естественно-научных знаний
Вопрос о сущности жизни - один из центральных вопросов естествознания. Всеми признанной теории о происхождении жизни до сих пор нет. Согласно теории...
-
В потемках - Великая теорема Ферма
Уайлс, о котором мир тогда еще ничего не знал, с облегчением вздохнул. Великая теорема Ферма по-прежнему оставалась непобежденной, и он мог продолжать...
-
Ртуть в атмосфере - Ртуть: свойства и токсичность
До индустриальной революции осаждение ртути из атмосферы составляло около 4 нанограммов на литр льда. Природные источники, такие, как вулканы, составляют...
-
Создатель Великой проблемы - Великая теорема Ферма
Пьер де Ферма родился 20 августа 1601 года в городе Бомон-де-Ломань на юго-западе Франции. Его отец, Доминик Ферма, был состоятельным торговцем кожей,...
История вопроса - Физика солнечного света. Почему небо голубое