Такой вопрос часто задают дети. Однако небо бывает не только голубым, но и серым – когда облака, и тёмным – когда ночь, и красноватым – ранним утром или на закате дня. Почему небо так меняет свой цвет?
Чтобы ответить на этот вопрос давайте проведём несложный опыт. Нальём в стакан воды, а в воду добавим немного молока, чтобы получилась слегка мутная жидкость. Стакан надо брать тонкий, чтобы стекло стакана меньше влияло на результат опыта.
Посветим фонариком сверху на жидкость в стакане, а сами будем смотреть на стакан сбоку. Мы увидим, что жидкость в стакане приобретает голубоватый оттенок (фото слева).
Теперь посветим фонариком на стакан сбоку и будем смотреть на просвет. Мы увидим, что пятно света, прошедшего от фонарика через жидкость, имеет желтоватый оттенок (фото справа).
Мы используем свет одного и того же фонарика, но в зависимости от условий наблюдения видим то голубой, то желтый свет. Может быть тоже самое происходит и со светом Солнца, проходящим через атмосферу Земли?
Видимый свет, который идёт от Солнца, физики называют белым светом. Но после дождя мы часто видим, как белый свет преобразуется в радугу. Радуга возникает потому, что мелкие капельки воды, повисшие в воздухе после дождя, разлагают белый солнечный свет на отдельные составляющие. Эти составляющие мы и воспринимаем как разные цвета. Разложение белого света на составляющие называют спектром видимого (белого) света.
Каждому цвету спектра соответствует световая волна определённой длины. Самая большая длина волны у «красных» волн: около 700 нанометров. Самая маленькая длина волны у «фиолетовых» волн: около 400 нанометров. К длинным световым волнам относят такие, которые зрение человека воспринимает как красные, оранжевые, жёлтые цвета. Для краткости будем в дальнейшем их называть «жёлтыми» лучами. Короткими называют волны, которые воспринимаются как голубые, синие, фиолетовые цвета. Эти волны для краткости будем называть «голубыми» лучами.
Когда свет проходит через прозрачное вещество, он действует на атомы вещества. А атомы, в свою очередь, действуют на свет. Это взаимное действие (взаимодействие) имеет сложный характер. В детали его пока вдаваться не будем. Но можно легко заметить, что проходя, например, через очень чистый воздух, свет не изменяет свою окраску и направление. В самом деле, посветим в ясную ночь фонариком на стену дома. На стене мы увидим пятно света, но сбоку луч фонарика мы не увидим. Иное дело в туманную ночь: и цвет светового пятна на стене изменится, и сбоку мы увидим луч фонарика. Это происходит потому, что в туманную ночь в воздухе висят капельки воды. Они-то и рассеивают свет во все стороны.
В сценических световых установках используют специальный дым, чтобы зрители видели лучи прожекторов. На фотографии хорошо заметно, что в тех местах, где дым сдуло ветром, лучи света не видны.
Очень чистое и одинаковое во всех местах вещество, физики называют однородной средой. Через прозрачную однородную среду свет проходит, не рассеиваясь.
А если в веществе есть разные вкрапления и оно неодинаково в разных местах, то его называют неоднородной средой. Неоднородностями могут быть пылинки, капельки воды, частицы дыма и даже случайные сжатия или разрежения газа, например воздуха. Именно неоднородности и рассеивают свет. Причём, лучше рассеиваются короткие волны, чем длинные. Когда свет проходит через прозрачную, но неоднородную среду, то его «голубая» часть рассеивается по разным направлениям, а в проходящем через такое вещество свете остается «жёлтая» часть.
Глядя на чистое небо днём, мы видим рассеянный атмосферой свет Солнца. Поэтому мы и наблюдаем, в основном, «голубые» лучи.
А когда мы смотрим на утреннее или вечернее небо в направлении Солнца, то мы видим лучи, которые уже прошли через атмосферу. Их «голубая» часть, пройдя через атмосферу, рассеялась, а «жёлтая» осталась.
Но почему же тогда небо, покрытое облаками, не голубое, а серое? Дело в том, что сильно рассевают короткие волны мелкие неоднородности. Их размеры сопоставимы с длинами световых волн. Именно такие мелкие неоднородности имеются в чистом воздухе. Облака же состоят из кристалликов льда и капелек воды, размеры которых в сотни и тысячи раз больше длин световых волн. Такие крупные неоднородности хорошо рассевают короткие волны, но также неплохо рассевают и средние, и даже частично длинные волны. Соответствующие цвета смешиваются, и образуется серый цвет.
Иллюстрации: © http://auditori-um.ru/ (ссылка обязательна)
Комментарии