- Тату, тату, а чому небо блакитне?
- Тому що розсіювання пропорційно 4-го ступеня частоти, дитинко.
Анекдот.
Ці питання, такі природні, виникали перед людиною з глибокої давнини. Однак щоб отримати правильне пояснення цих явищ, потрібні були зусилля видатних вчених середньовіччя і пізнішого часу, аж до кінця XIX ст.
Світло - це електромагнітна хвиля
Знаєте ви це чи ні, але світло - це електромагнітна хвиля. До електромагнітних хвиль відносяться також радіохвилі, інфрачервоні хвилі, ультрафіолетове, рентгенівське і гамма-випромінювання. Ви повинні розуміти, що до електромагнітних хвиль НЕ відноситься звук. Звук - коливання частинок середовища; в вакуумі таких немає, а значить і звуку немає (це механічне коливання). Електромагнітні хвилі - поширення електричного і магнітного полів в просторі. Ніяких частинок тут немає, тому ці хвилі можуть розповсюджуватися і в вакуумі. Кожне випромінювання характеризується своєю довжиною хвилі. Довжина хвилі - відстань між двома сусідніми гребенями хвилі.
Чим більше довжина хвилі, тим рідше коливаються електромагнітні хвилі, тим менше їх енергія. Таким чином самі "неенергійним" хвилі ті, у яких довжина хвилі більша. Це радіохвилі; їх довжина хвилі більше 1 міліметра. Більш "енергійні" хвилі називаються інфрачервоним випромінюванням (так названі, тому що хвилі, з трохи більшою енергії, ніж у інфрачервоних хвиль, належать мабуть червоного світла). Всі тіла, температура яких вище абсолютного нуля (теоретично інших тіл немає), випромінюють інфрачервоне світло. Це тепло. Підійдіть до гарячої батареї і ви відчуєте це випромінювання.
Далі, після інфрачервоного випромінювання слід, нарешті, видиме світло. Причому найбільша довжина хвилі у червоного кольору, найменша - у фіолетового.
Щоб запам'ятати порядок кольорів можете скористатися мнемонічним прикладом: До аждий Про хотнік Ж елает З нать Г де С ідіт Ф азан. Відповідно: До Расна, Про ранжевий, Ж yoлтий, З елёний, Г олубой, С іній, Ф іолетовий.
Так як закінчується ця веселка фіолетовим кольором, наступне випромінювання в енергетичному сенсі називається ультрафіолетовим. Те саме, яке так чекають любителі засмаги. Воно може бути "м'яким" (вранці і ввечері в літній день) і небезпечним (вдень в сонячний день) .Так як у нього більш висока енергія, ніж у видимого світла, воно може дуже швидко принести опіки знаходиться під сонцем. Рентгенівське та гамма - випромінювання мають найбільше енергії, найменші довжини хвиль. Ці хвилі наскрізь проходять людське тіло.
Яких тільки гіпотез не висувалося в різний час для пояснення кольору неба. Спостерігаючи, як дим на тлі темного каміна набуває синюватого кольору, Леонардо да Вінчі писав: ". светлота поверх темряви стає синьою, тим більш прекрасною, ніж чудовими будуть світле і темне ". Приблизно такої ж точки зору дотримувався Гете. який був не тільки всесвітньо відомим поетом, а й видатним вченим натуралістом свого часу. Однак таке пояснення кольору неба виявилося неспроможним, оскільки, як стало очевидно пізніше, змішання чорного і білого може дати тільки сірі тони, а не кольорові. Синій колір диму з каміна обумовлюється зовсім іншим процесом.
Після відкриття інтерференції, зокрема в тонких плівках, Ньютон намагався застосувати інтерференцію до пояснення кольору неба. Для цього йому довелося допустити, що краплі води мають форму тонкостінних бульбашок, на зразок мильних. Але так як крапельки води, що містяться в атмосфері, в дійсності є сфери, то і ця гіпотеза незабаром "лопнула", як мильна бульбашка.
Вчені XVIII в. Маріотт, Бугер, Ейлер думали, що блакитний колір неба пояснюється власним кольором складових частин повітря. Таке пояснення навіть отримало деяке підтвердження пізніше, вже в XIX в. коли встановили, що рідкий кисень має блакитний колір, а рідкий озон - синій. Ближче всіх до правильного пояснення кольору неба підійшов О. Б. Соссюр. Він вважав, що якби повітря було абсолютно чистим, то небо було б чорним, але повітря містить домішки, які відображають переважно блакитний колір (зокрема - водяна пара і крапельки води).
До другої половини XIX ст. накопичився багатий експериментальним матеріал з розсіювання світла в рідинах і газах, зокрема була виявлена одна з характеристик розсіяного світла, що надходить від небосхилу, - його поляризація. Першим її відкрив і досліджував Араго. Це було в 1809 р Пізніше дослідженнями поляризації небесного зводу займалися Бабині, Брюстер і інші вчені.
Питання про колір неба настільки приковував увагу вчених, що проводяться експерименти з розсіювання світла в рідинах і газах, що мали набагато більш широке значення, проводилися під кутом зору "лабораторне відтворення голубого кольору неба". Про це говорять і назви робіт: "Моделювання блакитного кольору неба "Брюкке або" Про блакитному кольорі неба, поляризації світла хмарним речовиною взагалі "Тиндаля. Успіхи цих експериментів направили думки вчених по правильному шляху - шукати причину блакитного кольору неба в розсіянні сонячних променів атмосфері.
За роботи в області розсіювання світла Релея (його повне ім'я Джон Вільям Стретт, лорд Релей III) часто називають Релєєм розсіюється, на відміну від його сина, лорда Релея IV. Релея IV за великий внесок в розвиток фізики атмосфери називають Релєєм атмосферного.
Для пояснення кольору неба наведемо лише один з висновків теорії Релея. Цей висновок свідчить: яскравість, або інтенсивність, розсіяного світла змінюється обернено пропорційно четвертого ступеня довжини хвилі світла, що падає на розсіюють частку. Таким чином, молекулярне розсіювання надзвичайно чутливе до найменшого зміни довжини хвилі світла. Наприклад, довжина хвилі фіолетових променів (0,4 мкм) приблизно в два рази менше довжини хвилі червоних (0,8 мкм). Тому фіолетові промені будуть розсіюватися в 16 разів сильніше, ніж червоні, і при рівній інтенсивності падаючих променів їх в розсіяному світлі буде в 16 разів більше. Всі інші кольорові промені видимого спектру (сині, голубі, зелені, жовті, помаранчеві) увійдуть до складу розсіяного світла в кількостях, назад пропорційних четвертого ступеня довжини хвилі кожного з них. Якщо тепер всі кольорові розсіяні промені змішати в такому співвідношенні, то колір суміші розсіяних променів буде блакитним.
Саме тому червоне світло застосовується в авіації, адже він найменше розсіюється, а значить його можна помітити з більш далекої відстані. І це стало однією з причин, чому світлофори мають саме червоний, жовтий і зелений кольори. Адже вони мають велику довжину хвилі і меншу неуважність, ніж блакитний, синій і фіолетовий (згадайте мнемонічний приклад вище). Якби світлофори мали замість червоного світла синій, то водії б помічали світло на відстані в 6 разів меншим, ніж насправді.
Пряме сонячне світло (т. Е. Світло, що виходить безпосередньо від сонячного диска), втрачаючи за рахунок розсіювання в основному сині і фіолетові промені, набуває слабкий жовтуватий відтінок, який посилюється при опусканні Сонця до горизонту. Тепер променям доводиться проходити в атмосфері все більший і більший шлях. На довгому шляху втрати короткохвильових, т. Е. Фіолетових, синіх, блакитних, променів стають все більш помітними, і в прямому світлі Сонця чи Місяця до Землі доходять переважно довгохвильові промені - червоні, помаранчеві, жовті. Тому колір Сонця і Місяця стає спочатку жовтим, потім помаранчевим і червоним. Червоний колір Сонця і блакитний колір неба це два слідства одного і того ж процесу розсіювання (тільки ніколи не намагайтеся упевнитися в цьому на власні очі, дивлячись прямо на Сонце. Інтенсивність прямих сонячних променів настільки висока, що навіть секундного погляду на Сонце в зеніті досить, в кращому випадку, для тимчасового засліплення, а в гіршому - для хронічних функціональних порушень зору). У прямому світлі, після того як він проходить крізь товщу атмосфери, залишаються переважно довгохвильові промені (червоне Сонце), в розсіяне світло потрапляють короткохвильові промені (блакитне небо). Так теорія Релея дуже наочно і переконливо пояснила загадку блакитного неба і червоного Сонця на заході.
Все, звичайно, звертали увагу, що колір неба змінюється з кожним днем до дня. Іноді воно насичено-блакитне, а іноді білясте. У околозенітная частинах небо саме блакитне, а на обрії завжди більш білясте. Ці особливості зміни кольору неба теорія Релея не могла пояснити. Відповідь на ці питання отримали пізніше, коли було досліджено розсіювання світла на більших частках, наявних в атмосфері, - аерозолях і створена теорія аерозольного розсіювання.
Пил, дим і т.д. підсилюють розсіювання світла; більш того, в інших випадках розсіювання може зовсім інакше залежати від довжини хвилі. Після великих вивержень вулканів сходи й заходи сонця часом грають дивними фарбами (сонце і місяць можуть навіть стати синіми). Конкретні відтінки кольорів, які спостерігаються в конкретній ситуації, обумовлені комбінацією релєєвського розсіювання з розсіюванням світла на твердих частинках. Так само і відтінки заходу можуть варіюватися в залежності від запиленості атмосфери і концентрації в ній водяної пари.
Важливу роль відіграють флуктуації щільності областей атмосфери з розміром, багато меншому довжини хвилі. Якби такі області були відсутні, то інтерференція світла, розсіяного рівномірно розташованими молекулами, приводила б до того, що інтенсивність розсіяного світла для всіх довжин хвиль була б відмінною від нуля лише в напрямку поширення початкового променя. Облік в молекулярному розсіянні флуктуації щільності призводить до такої ж залежності розсіяння від довжини хвилі, як у випадку дрібних частинок, розглянутому Релєєм.