Оттенки неба
Про преломление
Разберемся, существует ли такое понятие, как преломление воздуха. Все мы знакомы с призмой Ньютона, которая по-разному преломляет световые лучи – красный загибается меньше, чем синий.
Призма – твердое тело. Известно, что изменение направления луча происходит на границе двух сред. Луч, проходя сквозь призму, преломляется дважды. Величина преломления зависит от длины волны. Показатель преломления фиолетовых лучей наибольший, затем следуют лучи синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые и, наконец, красные с наименьшим показателем преломления.
В воздухе наблюдается молекулярное рассеяние света – молекулы движутся в разных направлениях с тепловой скоростью. Когда на них попадают кванты света, молекулы рассеивают их практически равномерно, но больше в сторону падения кванта и в сторону, обратную падению (так называемый эллипсоид рассеяния). Преломление наблюдается, когда фазовые скорости электромагнитных волн в контактирующих средах различаются. Фазовая скорость определяется как скорость, с которой распространяется вдоль заданного направления состояние с определенной фазой волны.
Воздух обычно рассматривают не как диспергирующую среду (среду с дисперсией, когда есть зависимость фазовой скорости волны от частоты), а как среду с молекулярным рассеянием. Однако такое понятие, как показатель преломления воздуха, существует, и он измерен, хотя и имеет небольшое значение, а значит, воздух можно отчасти рассматривать как призму: есть одно выбранное направление, куда молекулы более дружно рассеивают свет. Важно подчеркнуть, что нет преломления отдельной молекулы, имеет место преломление разных слоев воздуха с различными параметрами – температурой, плотностью, давлением. Например, на границе теплого (менее плотного) и холодного (более плотного) воздуха может возникать мираж.
Из законов дисперсии известно: при преломлении света на границе раздела фаз с различным коэффициентом преломления (например, в неоднородной атмосфере) сильнее преломляются синие волны, чем красные. Идут два конкурентных процесса – преломление света, где синий и фиолетовый преломляются сильнее, и рэлеевское рассеяние, при котором также интенсивнее рассеиваются синие волны.
Ночные подсветы
Почему в ясную ночь у горизонта можно наблюдать синеву, а порой – желтые оттенки? Солнце словно подсвечивает из-за горизонта.
В чистой атмосфере из-за горизонта могут проникать рассеянные и преломленные на обратном полушарии волны света. Сильнее всего и интенсивнее это будут делать именно синие волны. Поэтому чистое небо даже после заката (в сумерках и после них) у горизонта отдает синевой. А если в ночном небе много молекул воздуха, то синие волны интенсивно рассеиваются и поглощаются молекулами, однако тут, если есть достаточный коэффициент преломления на границе раздела сред, преломляются и доходят до наблюдателя желтые волны. Красный не так сильно преломляется, в итоге ночное небо у горизонта видно с желтоватым градиентом.
Далее в зависимости от того, насколько чиста ночная атмосфера, то есть насколько в ней мало примесей и капель воды, можно увидеть у горизонта синеватые или желтоватые цвета: если рассеивателей мало – то виден синий цвет, если много – то весь синий рассеивается и остается желтый. Наблюдать этот эффект можно летом или в межсезонье. И не в самой середине ночи, а какоето время после сумерек или до рассвета, чтобы смогли добраться лучи солнца. Зимой наклон Земли не дает лучу возможностей преломиться и попасть на другую сторону в умеренных и северных широтах.
Небо по сезонам
В чистом ночном небе, где нет частиц, поглощающих свет, и особенно в морозные дни с обратной стороны Земли могут доходить солнечные лучи и рассеиваться сине-фиолетовым светом.
Однако если в воздухе будут присутствовать мельчайшие капли воды, небо начнет приобретать белый оттенок и будут появляться облака, но суммарно освещенность неба станет меньше, хотя оно и покажется светлее, потому что взвешенные капли воды рассеивают не синий, а белый свет. Поэтому, если есть влага и взвесь даже в небольших количествах, то небо будет не таких насыщенных и сочных цветов, как без нее.
Фиолетовые оттенки видны и в морозные сумерки на стороне, противоположной закату или восходу. Здесь решающую роль играет преломление. Морозный воздух плотнее (больше молекул в единице объема, так как они более медленные и их концентрация обратно пропорциональна температуре) и чище – без примесей, пыли и капелек воды, поэтому лучи испытывают меньше рассеяния и проходят беспрепятственно на другую часть горизонта. Получается, что ее достигают именно фиолетовые лучи, преломление которых больше всего (эффект усиливается большим температурным градиентом, появляющимся зимой, и из-за наклона оси Земли относительно Солнца).
Присутствие в воздухе взвешенных частиц приводит к появлению дымки, рассеивающей свет. Если температура резко понижается, то все конденсируется в облака, и небо проясняется. Холодные ночи могут казаться чистыми и ясными, но с синим оттенком, потому что влага уже выпала и осталась у горизонта. В зависимости от того, насколько ее много, остаются либо синие, либо желтые цвета. Но чтобы солнечные лучи дошли, за горизонтом им тоже нужно какимто образом преломиться.
Ночное весеннее небо ближе повернуто к солнцу, чем зимнее, поэтому фиолетовинка чаще появляется из-за проникновения солнечных лучей. А летом такого эффекта нет, потому что в теплую пору воздух менее плотный.
Фиолетовый цвет всегда присутствует там, где есть белый отраженный свет, спектр которого равномерный (а не как у солнечного излучения), и в результате последующего рассеяния остаются не синие, а именно фиолетовые цвета (наиболее рассеивается самая коротковолновая часть излучения – фиолетовая). Вот почему это проявляется снежной зимой и на море, где есть отражающие поверхности. Зимой рассеивается в основном отраженный свет от белых снежных пространств.