Почему небо голубое (синее) с точки зрения физики
Ясное безоблачное дневное небо голубое (синее), потому что молекулы в воздухе рассеивают синий свет от солнца больше, чем красный. Когда мы смотрим на солнце на закате, мы видим красный и оранжевый цвета, потому что синий свет рассеивается вдали от линии взгляда.
Белый свет солнца представляет собой смесь всех цветов радуги. Это было продемонстрировано Исааком Ньютоном, который использовал призму для разделения разных цветов и формирования спектра. Цвета света различаются по длине волны.
Видимая часть спектра колеблется от красного света с длиной волны около 720 нм до фиолетового с длиной волны около 380 нм с оранжевым, желтым, зеленым, синим и фиолетовым между ними. Три различных типа цветовых рецепторов в сетчатке человеческого глаза наиболее сильно реагируют на красные, зеленые и синие длины волн, давая нам наше цветовое зрение.
Эффект Тиндаля
Первые шаги к правильному объяснению цвета неба были предприняты Джоном Тиндалем в 1859 году.
Он обнаружил, что, когда свет проходит через прозрачную жидкость, содержащую мелкие частицы во взвешенном состоянии, более короткие синие волны рассеиваются сильнее, чем красные.
Это можно продемонстрировать, направив луч белого света через резервуар с водой с небольшим количеством молока или мыла. Со стороны луч можно увидеть по синему свету, который он рассеивает; но свет, видимый прямо с конца, становится красным после того, как он прошел через резервуар. Рассеянный свет можно также показать поляризованным с помощью фильтра поляризованного света, так же как небо кажется более глубоким синим через поляроидные солнцезащитные очки.
Это называется эффектом Тиндаля, но физикам он более известен как рассеяние Рэлея — в честь лорда Рэлея, который изучил его более подробно несколько лет спустя. Он показал, что количество рассеянного света обратно пропорционально четвертой степени длины волны для достаточно мелких частиц. Отсюда следует, что синий свет рассеивается больше, чем красный, в (700/400) 4 ~ = 10 раз.
Почему небо голубое — Пыль или молекулы?
Тиндаль и Рэлей считали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара в атмосфере. Даже сегодня люди иногда неправильно говорят, что это так. Позже ученые поняли, что, если бы это было правдой, было бы больше изменений цвета неба в зависимости от влажности или условий дымки, чем это было на самом деле, поэтому они правильно предположили, что молекул кислорода и азота в воздухе достаточно, чтобы объяснить рассеяние.
Дело было окончательно разрешено Эйнштейном в 1911 году, который вычислил подробную формулу для рассеяния света молекулами; и было обнаружено, что это согласуется с экспериментом. Он даже смог использовать вычисление как дополнительную проверку числа Авогадро по сравнению с наблюдением. Молекулы способны рассеивать свет, потому что электромагнитное поле световых волн индуцирует электрические дипольные моменты в молекулах. Вот почему небо голубое.
Почему небо голубое, а не фиолетовое?
Если более короткие волны рассеиваются сильнее всего, возникает загадка, почему небо не кажется фиолетовым — цветом с самой короткой видимой длиной волны.
Спектр излучения солнца непостоянен на всех длинах волн и, кроме того, поглощается высокими слоями атмосферы, поэтому в свете меньше фиолетового.
Наши глаза также менее чувствительны к фиолетовому. Это часть ответа; все же радуга показывает, что остается значительное количество видимого света, окрашенного в синий и фиолетовый цвет, помимо синего. Остальная часть ответа на эту загадку заключается в том, как работает наше видение.
В нашей сетчатке есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они сильнее всего реагируют на свет на этих длинах волн. Поскольку они стимулируются в разных пропорциях, наша зрительная система конструирует цвета, которые мы видим.
Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света и менее сильно на оранжевые и желтые волны. Зеленые колбочки реагируют на желтый и более сильно на рассеянные зеленые и зелено-синие волны.
Синие колбочки стимулируются цветами, близкими к синим длинам волн, которые очень сильно рассеиваются.
Если бы в спектре не было синего и фиолетового, небо выглядело бы голубым с легким зеленым оттенком. Но наиболее сильно рассеянные волны синего и фиолетового цвета стимулируют красные колбочки так же, как и синий, поэтому эти цвета кажутся синими с добавлением красного оттенка.
Чистый эффект заключается в том, что красные и зеленые колбочки примерно одинаково стимулируются светом с неба, в то время как синий стимулируется сильнее. Такое сочетание дает бледно-голубой цвет. Возможно, не случайно, что наше зрение настроено так, чтобы видеть небо как чистый оттенок. Мы эволюционировали, чтобы вписаться в нашу среду; а способность наиболее четко разделять естественные цвета, вероятно, является нашим преимуществом для выживания.
Закаты
Когда воздух чистый, закат становится желтым, потому что солнечный свет прошел через воздух на большое расстояние, а часть синего света рассеялась. Если воздух загрязнен мелкими частицами естественного или иного происхождения, закат будет более красным.
Закаты над морем также могут быть оранжевыми или красными из-за частиц соли в воздухе, которые являются эффективными рассеивателями Тиндаля. Небо вокруг солнца кажется покрасневшим, как и свет, исходящий непосредственно от солнца.
Это связано с тем, что весь свет относительно хорошо рассеивается под небольшими углами, но при этом синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды или более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.
Почему небо голубое, а море синее?
Цвет неба и моря постоянно меняется. Это объясняется физическими принципами, а также особенностями восприятия света человеком. Т&Р публикуют отрывок из книги Андрея Варламова, Аттилио Ригамонти и Жака Виллена «Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий».
Андрей Варламов, Аттилио Ригамонти, Жак Виллен
Альпина Паблишер, 2020
Цвет моря и сила ветра
Море и небо дарят нам разнообразные цвета, вдохновившие многих художников. Аркадий Рылов воспроизвел эти цвета на картине, выставленной в Третьяковской галерее в Москве. Белые хмурые облака плывут по небу всех оттенков синего. Поверхность моря более темная, подошвы волн — почти черные, а гребни местами образуют белые «барашки».
Количество «барашков» и высота волн зависят от скорости ветра. Эта информация имеет важное значение для моряков: для определения скорости ветра они пользуются эмпирической таблицей, которую разработал британский адмирал сэр Фрэнсис Бофорт (1774–1857). На картине Рылова наличие небольшого количества «барашков» свидетельствует о ветре 12–19 км / ч, то есть 7–10 морских узлов. Такой ветер считается слабым и соответствует силе в 3 балла по шкале Бофорта.
Яркость морской поверхности зависит от угла наблюдения. Действительно, луч света, падающий на поверхность моря, как частично преломляется, так и частично отражается.
Интенсивность отраженного луча зависит, в частности, от показателя преломления воды и угла падения. Чем острее угол, тем сильнее отражение. Поэтому поверхность моря кажется более яркой у горизонта, чем вблизи наблюдателя.
А что насчет его цвета? Цвет поверхности практически непредсказуем, так как зависит от многих факторов, таких как глубина моря, положение солнца, цвет неба, наличие взвешенных частиц и водорослей и т. д. Все эти факторы влияют на отражение света от поверхности, его рассеяние и поглощение в воде. И все же море чаще всего синее.
Причина в том, что вода поглощает меньше света в диапазоне между 400 и 500 нм (синего), чем в остальной части видимого спектра. Да, вода поглощает мало синего! Стакан воды выглядит совершенно прозрачным. Но начиная с толщины в несколько метров вода начинает заметно поглощать свет.
Цвет неба в хорошую погоду
В то время как предсказать цвет моря непросто, цвет неба в хорошую погоду легко объясняется физическими принципами, выявленными английским физиком лордом Рэйли (Рэлеем) (1842–1919).
В отсутствие облаков цвет неба определяется результатом взаимодействия солнечного излучения с компонентами атмосферы Земли, а именно с неоднородностями (флуктуациями) плотности молекул азота и кислорода.
Как эти молекулы ведут себя, попав в поле солнечного излучения? Рассмотрим монохроматический свет, обладающий заданной длиной волны λ. Он представляет собой колеблющиеся в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения света, с частотой υ магнитное и электрическое поля. Под действием колеблющегося электрического поля электроны в молекулах также колеблются с частотой υ. В результате и сама молекула становится маленьким излучателем, испуская свет той же частоты, что и падающая волна. Это похоже на то, как излучает электромагнитные радиоволны теле- или радиоантенна. В случае молекул и солнечного света длина его волны оказывается много большей размера молекул, и такое рассеяние называется «рассеянием Рэлея». Расчеты показывают, что интенсивность рассеянного света оказывается пропорциональной четвертой степени частоты υ4 (или 1 / λ4).
Это утверждение называется законом Рэлея — Джинса.
Как все это связано с цветом неба? Согласно закону Рэлея, рассеяние электромагнитных волн оказывается значительно интенсивнее для высоких частот по сравнению с низкими. Это означает, что молекулы атмосферы сильнее рассеивают синий цвет, чем красный, зеленый или желтый.
Наших глаз преимущественно достигают именно световые лучи синего цвета.
Вот почему небо синее! Следуя этому рассуждению, можно было бы предположить, что небо должно быть фиолетовым, так как фиолетовое излучение обладает более высокой частотой, чем синее. В действительности в спектре солнечного излучения доля фиолетового меньше, чем синего. Кроме того, и максимальная чувствительность человеческого глаза находится в области зеленого (555 нм). В результате фиолетовая часть спектра солнечного излучения оказывается подавленной в восприятии человеческого глаза, и небо видится синим.
Небо на закате и после
На закате небо над горизонтом принимает красивый розовый оттенок.
Этот цвет также обусловлен рассеянием солнечного света в атмосфере. Поскольку свет распространяется во всех направлениях, то до нас доходит лишь его часть, а остальное возвращается в пространство. Часть солнечной энергии, возвращающаяся за пределы земной атмосферы, невелика, однако для некоторых явлений она может оказаться существенной. В видимом излучении разница между энергией, получаемой поверхностью земли и верхними слоями атмосферы, обусловлена прежде всего рассеянием.
Так, мы видим, что в дневное время энергия, получаемая на земле, меньше падающей на верхние слои атмосферы примерно на 25% в синем и на 10% — в красном диапазонах. На закате эти пропорции изменяются, поскольку свету приходится преодолевать гораздо большую толщу атмосферы. Таким образом, синий свет почти целиком рассеивается, и наблюдатель на земле видит в основном красный.
Как только солнце исчезает за горизонтом, постепенно наступает ночь. Цвет неба в ночное время — совсем иной вопрос.
В рубрике «Открытое чтение» мы публикуем отрывки из книг в том виде, в котором их предоставляют издатели.
Незначительные сокращения обозначены многоточием в квадратных скобках.
Мнение автора может не совпадать с мнением редакции.
Теории и практики
Теги
#Отрывки из нон-фикшн-книг
#небо
#солнце
#свет
#наука
#физика
Почему небо голубое?
миср
Краткий ответ:
Солнечный свет достигает атмосферы Земли и рассеивается во всех направлениях всеми газами и частицами в воздухе. Синий свет рассеивается больше, чем другие цвета, потому что он распространяется в виде более коротких и меньших волн. Вот почему мы видим голубое небо большую часть времени.
Нажмите выше, чтобы посмотреть это видео о том, почему небо голубое! Голос за кадром предоставил ученый НАСА доктор Мугега Стрикер. Нажмите здесь, чтобы скачать это видео (1920×1080, 87 МБ, видео/mp4).
Легко заметить, что небо голубое. Вы когда-нибудь задумывались, почему?
У многих других умных людей тоже.
И долго разбирался!
Свет Солнца кажется белым. Но на самом деле он состоит из всех цветов радуги.
Когда белый свет проходит через призму, свет разделяется на все его цвета. Призма – это кристалл особой формы.
Если вы побывали в Стране Волшебных окон, то узнали, что свет, который вы видите, — это всего лишь крошечная частица всех видов световой энергии, излучаемой вокруг вселенной — и вокруг вас!
Подобно энергии, проходящей через океан, световая энергия также распространяется волнами. Некоторый свет распространяется короткими «прерывистыми» волнами. Другой свет распространяется длинными, ленивыми волнами. Синие световые волны короче красных световых волн.
Весь свет распространяется прямолинейно, если только что-то не мешает и не выполняет одно из следующих действий: —
отразить его (как зеркало)
согните его (как призму)
или рассеять его (как молекул газов в атмосфере)
Солнечный свет достигает атмосферы Земли и рассеивается во всех направлениях всеми газами и частицами в воздухе.
Ближе к горизонту небо становится светло-голубым или белым. Солнечный свет, достигающий нас снизу, проходит через даже больше воздуха, чем солнечный свет, достигающий нас сверху. Когда солнечный свет прошел через весь этот воздух, молекулы воздуха рассеивают и re рассеивают голубой свет много раз в многих направлениях .
Также поверхность Земли имеет отраженных и рассеянных света. Все это рассеяние снова смешивает цвета, поэтому мы видим больше белого и меньше синего.
Что делает закат красным?
По мере того, как Солнце опускается ниже в небе, его свет проходит через большую часть атмосферы, чтобы достичь вас. Рассеивается еще больше синего света, позволяя красному и желтому проникать прямо к вашим глазам.
Иногда кажется, что все западное небо светится. Небо кажется красным, потому что мелкие частицы пыли, загрязнения или другие аэрозоли также рассеивают синий свет, оставляя больше чисто красного и желтого света, которые проходят через атмосферу.
На других планетах небо тоже голубое?
Все зависит от того, что в атмосфере! Например, у Марса очень тонкая атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа и заполненная мелкими частицами пыли. Эти мелкие частицы рассеивают свет иначе, чем газы и частицы в атмосфере Земли.
Фотографии с марсоходов и спускаемых аппаратов НАСА на Марсе показали нам, что на закате на самом деле происходит противоположное тому, что вы испытали бы на Земле. Днем марсианское небо приобретает оранжевый или красноватый цвет. Но когда Солнце садится, небо вокруг Солнца начинает приобретать серо-голубой оттенок.
Верхнее изображение показывает марсианское небо оранжевого цвета в дневное время, а нижнее изображение показывает голубое небо на закате.
Оба изображения были сделаны посадочным модулем NASA Mars Pathfinder. Предоставлено: NASA/JPL
Связанные ресурсы для преподавателей
Наш мир: закаты и атмосфера
Если вам понравилось это, вам может понравиться:
Что такое солнечное затмение?
Как работает GPS?
Что такое Аврора?
Почему небо голубое?
Древние философы ломали голову над вопросом: «Почему небо голубое?» Теперь мы знаем, что все дело в рассеянии Рэлея. (Изображение предоставлено: Getty Images) Все любят ясный солнечный день, но задумывались ли вы когда-нибудь, почему небо голубое?Ответ заключается в физике прохождения солнечного света через атмосферу. Лучи света рассеиваются во всех направлениях, попадая на молекулы воздуха, и свет в синем конце спектра рассеивается сильнее, чем другие цвета.
Связанный: Магнитное поле Земли: объяснение
Астрофизик Эндрю Мэй имеет докторскую степень.
Он получил степень доктора астрофизики в Манчестерском университете, Великобритания. В течение 30 лет он работал в академическом, государственном и частном секторах, прежде чем стать научным писателем.
В открытом космосе, над земной атмосферой, небо кажется черным даже при солнечном свете. Это одно из самых поразительных явлений, с которыми сталкиваются путешественники во время суборбитальных полетов Blue Origin.
«Чтобы увидеть синий цвет иди прямо рядом с вами, и теперь вы смотрите в темноту, вот в чем дело», — как сказал Уильям Шатнер после своего полета, пытаясь передать опыт, через который он только что прошел. «Окраска синего», — добавил он.
Эту черноту достаточно легко понять. Если вы не смотрите прямо на солнце, то нет никаких причин для того, чтобы небо было освещено вообще. Настоящая загадка заключается в том, почему оно освещено здесь, на поверхности планеты — давняя загадка, которая не был полностью объяснен до конца 19век.
Ключ заключается в эффекте, известном как рассеяние Рэлея, в честь его первооткрывателя лорда Рэлея.
Это относится к тому, как свет отражается от мелких частиц, примерно до одной десятой длины волны самого света, включая молекулы, составляющие атмосферу Земли.
Рэлей показал, что более длинные волны, соответствующие красной части спектра, рассеиваются не так сильно, как короткие волны, такие как синий и фиолетовый. Из этих двух цветов преобладает синий, отчасти потому, что наши глаза более чувствительны к нему, а также потому, что солнце изначально излучает меньше фиолетового света.
Похожие истории:
Небо не всегда голубое. Когда солнце находится низко в небе, на восходе или закате, оно может приобретать красный оттенок. Это объясняется той же физикой — рэлеевским рассеянием — что и голубизна неба в другое время.
Когда мы смотрим на солнце на закате, мы видим свет, который прошел через атмосферу дальше, чем когда солнце находится высоко в небе. Таким образом, большая часть более коротких волн рассеяна, и мы просто видим, что осталось.
Закаты, подобные этому, кажутся красными, потому что солнечный свет прошел дальше через атмосферу, и большая часть более коротких волн (синие и фиолетовые) рассеяны.
(открывается в новой вкладке)
Дополнительные ресурсы
Для получения дополнительной информации о физике атмосферы и света Земли см. новая вкладка)» Кшудирама Саха и «Луч света: Книга науки и чудес (открывается в новой вкладке)» Уолтера Уика.
Библиография
- НАСА, «Почему небо голубое?», по состоянию на август 2022 г.
- Ричард Ласкомб, «Уильям Шатнер в слезах после исторического космического полета: «Я так переполнен эмоциями (открывается в новой вкладке) ‘, The Guardian, октябрь 2021 г.
- C. R.Nave, «Рэлеевское рассеяние (открывается в новой вкладке)», Университет штата Джорджия, по состоянию на август 2022 г.
- MET Office, «Почему небо голубое?», по состоянию на август 2022.
- MET Office, «Почему закат красный?», по состоянию на август 2022 г.
- Королевские музеи Гринвича, «Что делает небо голубым?», по состоянию на август 2022 г.
