Почему небо синего цвета


Наверно, каждый хотя бы раз в жизни сталкивался с этим простым вопросом: почему чистое, безоблачное небо голубое или синее? Очевидно, из-за воздуха, которым мы дышим, из-за атмосферы Земли! Вероятно, воздух у нас «синего цвета» или что-то вроде этого. Он только кажется прозрачным, а на больших расстояниях самолеты, горы, корабли как бы находятся в голубоватой дымке… Такие рассуждения не снимают главный вопрос: почему небо голубое? Не раскрашен же воздух синей краской!

Пыль или молекулы?

Все это прекрасно, но наше небо заполнено воздухом, а не жидкостью, и в небе не плавают кусочки мыла или молока… Что за частицы рассеивают свет в воздухе? Тиндаль и Рэлей полагали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара, которые взвешены в атмосфере в точности как частички молока взвешены в воде.

Это ошибочное мнение, хотя и сегодня некоторые люди говорят, что цвет неба определяется паром и пылью. Если бы это было так, то цвет неба менялся бы гораздо сильнее в зависимости от влажности или тумана, чем он меняется на самом деле. Поэтому ученые предположили (правильно!), что для объяснения рассеяния достаточно молекул кислорода и азота. Это сам воздух, вернее, его молекулы рассеивают свет!


Вопрос окончательно решил Альберт Эйнштейн в 1911 году, который рассчитал детальную формулу для рассеяния света в зависимости от молекул и дальнейшие эксперименты блестяще подтвердили его вычисления. Говорят, Эйнштейн даже смог использовать свои расчеты в качестве дополнительной проверки числа Авогадро!

Почему небо голубое, а не фиолетовое?

Кстати, если синий свет рассеивается в 10 раз больше, чем красный, то еще более короткие фиолетовые волны должны рассеиваться больше, чем синие! Возникает вопрос: почему небо не выглядит фиолетовым?

Во-первых, спектр излучения света от солнца не является одинаковым на всех длинах волн — максимум энергии в спектре Солнца приходится на зеленый свет. Во-вторых, коротковолновый фиолетовый свет активно поглощается в верхних слоях атмосферы (как и ультрафиолет!), поэтому в до поверхности Земли доходит меньше фиолетового, чем синего.

Наконец, третья причина — наши глаза менее чувствительны к фиолетовому свету, чем к синему.

У нас есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек, в сетчатке глаз. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они наиболее сильно реагируют на свет именно на этих длинах волн. Но на самом деле, они способны улавливать и свет других длин волн, перекрывая весь спектр.


Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света, но также — менее сильно — на оранжевые и желтые длины волн. Зеленые колбочки реагируют на жёлтые и более сильно рассеянные зелёные и зелено-синие волны. Наконец, синие колбочки стимулируются цветами синих длин волн, которые очень сильно рассеиваются. Если бы в спектре не было синего и фиолетового, небо казалось бы голубым с легким зеленоватым оттенком. Но наиболее сильно рассеивающиеся волны синего и фиолетового цветов слегка стимулируют и красные колбочки, поэтому эти цвета кажутся синими с добавленным красным оттенком. Общий эффект заключается в том, что когда мы смотрим на небо, красные и зеленые колбочки стимулируются примерно одинаково, а синие стимулируются сильнее. Эта комбинация в итоге и образует голубое или синее небо.

Прекрасные закаты

Что может быть красивее тихих закатов на берегу моря или в степи? Когда воздух чистый и прозрачный, закат будет желтого цвета, точно как луч фонарика, пересекший стакан с раствором мыла: часть синего света рассеется и общий цвет Солнца сместится к красному концу спектра.

Другое дело, если воздух загрязнен мелкими частицами — гарью, пылью, смогом. В этом случае закат будет оранжевым и даже красным. Закаты над морем также могут быть оранжевыми из-за частиц соли, взвешенных в воздухе, которые могут создавать эффект Тиндаля. Небо вокруг солнца видно покрасневшим, а также свет, идущий прямо от солнца. Это связано с тем, что весь свет рассеивается относительно хорошо под небольшими углами, но тогда синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды и более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.

Облака, голубая Луна и голубая дымка


Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длин волн света. Такие частицы будут одинаково рассеивать все длины волн (рассеяния Ми).

Но иногда в воздухе могут быть частицы гораздо меньших размеров. Некоторые горные районы славятся своей голубой дымкой. Аэрозоли терпенов из растительности вступают в реакцию с озоном в атмосфере, образуя мелкие частицы диаметром около 200 нм, которые отлично рассеивают синий свет.

Лесной пожар или извержение вулкана могут иногда заполнять атмосферу мелкими частицами диаметром 500–800 нм, что является подходящим размером для рассеивания красного света. Это дает противоположность обычному эффекту Тиндаля и может привести к тому, что Луна приобретет синий оттенок, так как красный свет от Луны рассеян этими частицами. Настоящая голубая Луна — очень редкое явление!

Почему небо Марса красное?

Вот мы добрались и до Марса, небо на котором, судя по снимкам марсоходов и автоматических спускаемых аппаратов, то рыжее, то песочно-желтое, то серовато-голубое… Какое оно на самом деле?


Согласно физике, марсианское небо должно быть голубым. Оно и есть голубое, но только когда атмосфера на Красной планете спокойна. Однако на Марсе, как известно, часто дуют ветра. Несмотря на то что атмосфера планеты крайне разрежена, ветра способны поднимать миллионы тонн песка и пыли устраивать настоящие песчаные бури. Некоторые бури способны скрыть почти всю поверхность Марса!

После таких бурь в воздухе еще долго остаются взвешенными частички богатой железом пыли. Цвет этой пыли красный (это ржавчина), соответственно и небо на Марсе окрашивается в желтовато-оранжевый цвет.

Отражательные туманности

Наконец, заглянем далеко в космос, туда, где сейчас рождаются звезды.

Вот целый комплекс из космических газопылевых облаков, расположенный на границе созвездий Змееносца и Скорпиона. Обратите внимание: часть облаков ярко светится красноватым свечением, другая часть, наоборот, поглощает свет и напоминает черные провалы. Наконец, третья часть имеет голубоватый цвет.

Все три типа облаков состоят в основном из водорода с небольшой примесью пыли и молекул. Почему же они выглядят по-разному? Все дело в их температуре. Нагретые светом погруженных в них звезд, облака начинают сами светиться. Красное свечение — излучение водорода. Очень холодные облака, наоборот, поглощают свет и потому непрозрачны для нас. Наконец, холодные, но расположенные недалеко от ярких звезд облака выглядят голубоватыми. Они отражают свет звезд, рассеивая его так же, как и атмосфера Земли!


Источник: skygazer.ru

В ясный солнечный день небо над нами выглядит ярко-синим. Вечером закат окрашивает небосвод в красные, розовые и оранжевые цвета. Почему небо голубое? Что делает закат красным?

Для ответа на эти вопросы нужно знать, что такое свет и из чего состоит атмосфера Земли.

Атмосфера

Атмосфера — это смесь газов и других частиц, окружающих землю. В основном атмосфера состоит из газообразных азота (78%) и кислорода (21%). Газ аргон и вода (в виде пара, капель и ледяных кристаллов) следующие по распространённости в атмосфере, их концентрация не превышает соответственно 0,93 % и 0,001%. В атмосфере Земли в небольших количествах содержатся и другие газы, а так же мельчайшие частицы пыли, сажи, пепла, пыльцы и соли, попадающей в атмосферу из океанов.

Состав атмосферы изменяется в небольших пределах в зависимости от места, от погоды и т.д. Концентрация воды в атмосфере увеличивается во время ливневых штормов, а так же вблизи океана. Вулканы способны выбросить огромное количество пепла высоко в атмосферу. Техногенные загрязнения могут так же добавить к обычному составу атмосферы различные газы или пыль и сажу.

Плотность атмосферы на низкой высоте у поверхности Земли является наибольшей, с увеличением высоты она плавно уменьшается. Между атмосферой и космосом отсутствует какая-либо ярко выраженная граница.


Световые волны

Свет является разновидностью энергии, перенос которой осуществляется с помощью волн. Кроме света, с помощью волн осуществляется перенос других видов энергий, например, звуковая волна является колебаниями воздуха. Световая волна является колебаниями электрических и магнитных полей, этот диапазон называется электромагнитным спектром.

Электромагнитные волны распространяются через безвоздушное пространство со скоростью 299,792 км/с. Скорость распространения этих волн называется скоростью света.

Параметры световой волны

Энергия излучения зависит от длины волны и её частоты. Длина волны — это расстояние между двумя ближайшими вершинами (или впадинами) волны. Частота волны — это число колебаний волны за секунду. Чем длиннее волна, тем ниже её частота, и тем меньше энергии она несёт.

Цвета видимого света

Видимый свет является частью электромагнитного спектра, который может быть виден нашими глазами. Свет, испускаемый Солнцем или лампой накаливания может иметь белый цвет, но на самом деле он является смесью различных цветов. Можно увидеть различные цвета видимого спектра света, разложив его на составляющие с помощью призмы. Этот спектр так же можно наблюдать на небе в виде радуги, возникающей из-за преломления света Солнца в капельках воды, действующих как одна гигантская призма.


Радуга

Цвета спектра смешиваются, непрерывно переходят один в другой. На одном конце спектр имеет красный или оранжевый цвета. Эти цвета плавно переходят в жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый цвета. Цвета имеют различные длины волн, разные частоты и различаются по энергиям.

Распространение света в воздухе

Свет распространяется через пространство по прямой до тех пор, пока на его пути нет препятствий. При входе световой волны в атмосферу свет продолжает распространяться прямолинейно до тех пор, пока на его пути не окажется пыль или молекулы газа. В этом случае то, что произойдёт со светом будет зависеть от его длины волны и размера частиц, оказавшихся на его пути.

Частицы пыли и капли воды имеют размеры гораздо больше, чем длина волны видимого света. Свет отражается в различных направлениях при столкновениях с этими крупными частицами. Различные цвета видимого света одинаково отражаются этими частицами. Отражённый свет кажется белым, так как он всё ещё содержит те же самые цвета, которые были в нём до отражения.

Молекулы газов имеют меньшие размеры, чем длина волны видимого света. Если световая волна сталкивается с ними, то результат столкновения может быть различным. Когда свет сталкивается с молекулой какого-либо газа, то часть его поглощается.


ть позже молекула начинает излучать свет в различных направлениях. Цвет излучающегося света является тем же самым цветом, который был поглощён. Но цвета различных длин волн поглощаются по-разному. Любые цвета могут поглощаться, но более высокие частоты (голубой цвет) поглощаются гораздо сильнее, чем низкие частоты (красный цвет). Этот процесс называется рассеянием Рэлея, оно названо так в честь британского физика Джона Рэлея, открывшего это явление рассеяния в 1870-х годах.

Почему небо синее?

Небо имеет голубой цвет из-за рассеяния Рэлея. По мере продвижения света через атмосферу большая часть длинных волн оптического спектра проходит без изменений. Только незначительная часть красного, оранжевого и жёлтого цветов взаимодействует с воздухом.

Однако многие более короткие волны света поглощаются молекулами газов. После поглощения голубой цвет излучается во всех направлениях. Он рассеивается повсюду на небе. В каком бы направлении не посмотреть, часть из этого рассеянного синего света достигает наблюдателя. Так как синий свет виден повсюду над головой, то и небо выглядит голубым.

Рассеянный свет голубого неба

Если посмотреть в сторону горизонта, то небо будет иметь более бледный оттенок. Это является результатом того, что свет проходит большее расстояние в атмосфере до наблюдателя. Рассеянный свет снова рассеивается атмосферой, и меньше голубого цвета достигает глаз наблюдателя. Поэтому цвет неба у горизонта кажется бледнее или даже кажется совсем белым.


У горизонта небо бледнее

Чёрное небо и белое солнце

С Земли Солнце кажется жёлтым. Если бы мы находились в космосе или на Луне, то Солнце казалось бы нам белым. В космосе нет атмосферы, которая рассеивает солнечный свет. На Земле часть коротких волн солнечного света (голубой и фиолетовый цвета) поглощаются рассеянием. Оставшаяся часть спектра выглядят жёлтым цветом.

Кроме того, в космосе небо выглядит тёмным или чёрным вместо голубого. Это результат отсутствия атмосферы, следовательно свет никак не рассеивается.

Чёрное небо в космосе

Почему закат красный?

Когда Солнце клонится к закату, то солнечному свету приходится проходить большее расстояние в атмосфере, что бы достичь наблюдателя, соответственно больше солнечного света отражается и рассеивается атмосферой. Так как меньше прямого света достигает наблюдателя, то Солнце кажется менее ярким. Цвет Солнца так же кажется другим, он имеет диапазон цветов от оранжевого до красного. Это происходит из-за того, что рассеивается ещё больше коротковолновых цветов, голубого и зелёного. Остаются только длинноволновые составляющие оптического спектра, которые и достигают глаз наблюдателя.

На закате Солнце кажется красным


Небо вокруг заходящего солнца может быть окрашено в разные цвета. Наиболее красивым небо бывает тогда, когда воздух содержит множество маленьких частиц пыли или воды. Эти частицы отражают свет во всех направлениях. В этом случае происходит рассеяние более коротких световых волн. Наблюдатель видит световые лучи более длинных волн, и поэтому небо кажется красным, розовым или оранжевым.

Более подробно об атмосфере

Что такое атмосфера?

Атмосфера — это смесь газов и других веществ, которые окружают Землю, в виде тонкой, в основном прозрачной оболочки. Атмосфера удерживается на месте благодаря притяжению Земли. Основными компонентами атмосферы являются азот (78,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%) и диоксид углерода (0.03%). Так же в атмосфере содержатся в небольших количествах вода (в разных местах её концентрация колеблется от 0% до 4%), твёрдые частицы, газы неон, гелий, метан, водород, криптон, озон и ксенон. Наука, которая изучает атмосферу, называется метеорологией.

Жизнь на Земле была бы невозможна без наличия атмосферы, которая поставляет кислород, необходимый нам для дыхания. Кроме того, атмосфера выполняет и другую важную функцию — она выравнивает температуру по всей планете. Если бы атмосферы не было, то в одних местах планеты могла бы быть испепеляющая жара, а в других местах сильнейший холод, диапазон температур мог бы колебаться от -170°C ночью до +120°C днём. Так же атмосфера защищает нас от вредного излучения Солнца и космоса, поглощая и рассеивая его.

От всего количества энергии Солнца, достигающей Земли, примерно 30% отражается облаками и земной поверхностью обратно в космос. Атмосфера поглощает примерно 19% излучения Солнца, и только 51% поглощается поверхностью Земли.

Воздух имеет вес, хотя мы и не сознаём этого, и не ощущаем давления воздушного столба. На уровне моря это давление имеет величину одну атмосферу, или 760 мм ртутного столба (1013 миллибар или 101,3 кПа). С увеличением высоты атмосферное давление быстро снижается. Давление падает в 10 раз при увеличении высоты на каждые 16 км. Это означает, что при давлении 1 атмосфера на уровне моря, на высоте 16 км давление будет равно 0,1 атм, а на высоте 32 км — 0,01 атм.

Плотность атмосферы в самых низших её слоях составляет 1,2 кг/м3. В каждом кубическом сантиметре воздуха содержится примерно 2,7*1019 молекул. На уровне земли каждая молекула движется со скоростью около 1600 км/час, при этом частота столкновения с другими молекулами составляет 5 миллиардов раз в секунду.

Плотность воздуха также быстро падает с ростом высоты. На высоте 3 км плотность воздуха уменьшается на 30%. Люди, живущие вблизи уровня моря при поднятии на такую высоту испытывают временные проблемы с дыханием. Наибольшая высота, на которой постоянно проживают люди, составляет 4 км.

Строение атмосферы

Атмосфера состоит из разных слоёв, разделение на эти слои происходит по их температуре, молекулярному составу и электрическим свойствам. Эти слои не имеют ярко выраженных границ, они сезонно изменяются, и кроме того их параметры меняются на разных широтах.

Разделение атмосферы на слои в зависимости от их молекулярного состава

Гомосфера

  • Нижние 100 км, включая Тропосферу, Стратосферу и Мезопаузу.
  • Составляет 99% массы атмосферы.
  • Молекулы не разделяются по молекулярному весу.
  • Состав достаточно однороден, за исключением некоторых небольших локальных аномалий. Однородность поддерживается постоянным смешиванием, турбуленцией и турбулентной диффузией.
  • Вода является одним из двух компонентов, распределённых неравномерно. Когда водяной пар поднимается вверх, он охлаждается и конденсируется, возвращаясь затем на землю в виде осадков — снега и дождя. Стратосфера сама по себе очень сухая.
  • Озон является другой молекулой, распределение которой неравномерно. (Об озоновом слое в стратосфере читайте ниже.)

Гетеросфера

  • Простирается выше гомосфераы, включает в себя Термосферу и Экзосферу.
  • Разделение молекул этого слоя основано на их молекулярных массах. Более тяжёлые молекулы, такие как азот и кислород, концентрируются в нижней части слоя. Более лёгкие, гелий и водород, преобладают в верхней части гетеросферы.

Разделение атмосферы на слои в зависимости от их электрических свойств.

Нейтральная атмосфера

  • Ниже 100 км.

Ионосфера

  • Примерно выше 100 км.
  • Содержит электрически заряженные частицы (ионы), возникающие при поглощении ультрафиолетового света
  • Степень ионизации изменяется с высотой.
  • Различные слои отражают длинные и короткие радиоволны. Это позволяет радиосигналам, распространяющимся по прямой, огибать сферическую поверхность земли.
  • В этих атмосферных слоях происходят полярные сияния.
  • Магнитосфера является верхней частью ионосферы, простирающейся примерно до высоты 70000 км, эта высота зависит от интенсивности солнечного ветра. Магнитосфера защищает нас от заряженных частиц высоких энергий солнечного ветра, удерживая их в магнитном поле Земли.

Разделение атмосферы на слои в зависимости от их температур

Высота верхней границы тропосферы зависит от сезонов и широты. Она простирается от земной поверхности до высоты примерно 16 км у экватора, и до высоты 9 км на Северном и Южном полюсах.

  • Префикс «тропо» означает изменения. Изменение параметров тропосферы происходит из-за погодных условий — например, из-за перемещения атмосферных фронтов.
  • С увеличением высоты температура падает. Тёплый воздух поднимается вверх, затем охлаждается и спускается обратно на Землю. Этот процесс называется конвекцией, он возникает в следствии движения воздушных масс. Ветры в этом слое дуют преимущественно вертикально.
  • Этот слой содержит больше молекул, чем все другие слои, вместе взятые.

Стратосфера — простирается примерно от высоты 11 км до 50 км.

  • Имеет очень тонкий слой воздуха.
  • Префикс «страто» относится к слоям или разделению на слои.
  • Нижняя часть Стратосферы довольно спокойная. Реактивные самолёты часто летают в нижней части Стратосферы для того, что бы обойти плохую погоду в Тропосфере.
  • В верхней части Стратосферы дуют сильные ветры, известные как высотные струйные течения. Они дуют горизонтально со скоростями до 480 км/час.
  • Стратосфера содержит «озоновый слой», расположенный на высоте примерно 12 до 50 км (в зависимости от широты). Хотя концентрация озона в этом слое всего 8 мл/м3, он очень эффективно поглощает вредные ультрафиолетовые лучи солнца, тем самым защищая жизнь на земле. Молекула озона состоит из трёх атомов кислорода. Молекулы кислорода, которыми мы дышим, содержат два атома кислорода.
  • Стратосфера очень холодная, её температура составляет примерно -55°C в нижней части и возрастает с высотой. Увеличение температуры связано с поглощением ультрафиолетовых лучей кислородом и озоном.

Мезосфера — простирается до высот примерно 100 км.

  • С увеличением высоты температура быстро растёт.

Термосфера — простирается до высот примерно 400 км.

  • С увеличением высоты температура быстро возрастает из-за поглощения очень коротковолнового ультрафиолетового излучения.
  • Метеоры, или «падающие звёзды», начинают сгорать на высотах примерно 110-130 км над поверхностью Земли.

Экзосфера — простирается на сотни километров за Термосферу, постепенно переходя в космическое пространство.

  • Плотность воздуха здесь так низка, что применение понятия температуры теряет всякий смысл.
  • При столкновении друг с другом молекулы часто улетают в космос.

Почему небо голубое?

Видимый свет является разновидностью энергии, способной перемещаться через пространство. Свет от Солнца или лампы накаливания кажется белым, хотя в действительности он является смесью всех цветов. Основные цвета, из которых сложен белый цвет это красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета непрерывно переходят один в другой, поэтому кроме основных цветов имеется ещё огромное количество всевозможных оттенков. Все эти цвета и оттенки можно наблюдать на небе в виде радуги, возникающей в области повышенной влажности.

Радуга

Воздух, заполняющий всё небо, является смесью мельчайших молекул газа и небольших твёрдых частиц, таких как пыль.

По мере того, как солнечный свет проходит сквозь воздух, он натыкается на молекулы и пыль. Когда свет сталкивается с молекулами газа, то может произойти отражение света в различных направлениях. Некоторые цвета, например, красный и оранжевый, напрямую достигают наблюдателя, непосредственно проходя через воздух. Но большая часть синего света переотражается от молекул воздуха во всех направлениях. Таким образом происходит рассеивание синего света по всему небу и оно кажется голубым.

Когда мы смотрим вверх, то некоторая часть этого голубого свет достигает наших глаза ото всех концов неба. Так как повсюду над головой нам виден синий цвет, то небо выглядит голубым.

Рассеянный свет голубого неба

В космическом пространстве отсутствует воздух. Так как там нет препятствий, от которых свет мог бы отражаться, то свет распространяется напрямую. Лучи света не рассеиваются, и «небо» выглядит тёмным и чёрным.

Чёрное небо в космосе

Эксперименты со светом

Первый эксперимент — разложение света в спектр

Для проведения этого эксперимента понадобится:

  • небольшое зеркало, кусок белой бумаги или картона, вода;
  • большой мелкий сосуд типы кюветы или миски, или пластиковая коробка из-под мороженого;
  • солнечная погода и окно, выходящее на солнечную сторону.

Как проводить эксперимент:

  1. Наполните кювету или миску на 2/3 водой, и поставьте на пол или на стол так, что бы прямой солнечный свет достигал воды. Наличие прямого солнечного света является обязательным для правильного проведения эксперимента.
  2. Установите зеркало под водой так, что бы на него попадали солнечные лучи. Держите над зеркалом кусок бумаги так, что бы отражённые зеркалом лучи солнца попадали на бумагу, если необходимо, отрегулируйте их взаимное положение. Наблюдайте цветной спектр на бумаге.

Эксперимент с разложением света на спектр

Что происходит: вода и зеркало действуют как призма, разлагая свет на цветовые составляющие спектра. Это происходит потому, что лучи света, проходя из одной среды (воздуха) в другую (воду) изменяют свою скорость и направление. Это явление называется рефракцией. Различные цвета преломляются по-разному, фиолетовые лучи сильнее тормозятся и сильнее изменяют своё направление. Красные лучи замедляются и меняют своё направление в меньшей степени. Свет разделяется на составляющие цвета, и мы можем видеть спектр.

Второй эксперимент — моделирование неба в стеклянной банке

Материалы, необходимые для проведения эксперимента:

  • прозрачный высокий стакан или прозрачная пластиковая либо стеклянная банка;
  • вода, молоко, чайная ложка, фонарик;
  • тёмная комната;

Проведение эксперимента:

  1. Наполнить стакан или банку на 2/3 водой, примерно 300-400 мл.
  2. В воду добавить от 0,5 до одной ложки молока, смесь взболтать.
  3. Взяв стакан и фонарик, перейти в тёмную комнату.
  4. Держите фонарик над стаканом с водой и направьте луч света на поверхность воды, посмотрите на стакан со стороны. При этом вода будет иметь синеватый оттенок. Теперь направьте фонарик на стакан сбоку, и посмотрите на луч света с другой стороны стакана, так что бы свет прошёл через воду. При этом у воды появится красноватый оттенок. Поместите фонарик под стакан и направьте луч света вверх, при этом смотря на воду сверху. При этом красноватый оттенок у воды будет выглядеть более насыщенным.

Моделирование рассеяния солнечного света в банке с водой

Что в этом эксперименте происходит: мелкие частицы молока, взвешенные в воде, рассеивают свет, идущий от фонарика точно так же, как частицы и молекулы в воздухе рассеивают солнечный свет. Когда стакан освещается сверху, то вода кажется голубоватой из-за того, что голубой цвет рассеивается во все стороны. Когда вы смотрите через воду непосредственно на свет, то свет фонаря кажется красным, так как часть синих лучей была удалена из-за рассеяния света.

Третий эксперимент — смешивание цветов

Вам понадобится:

  • карандаш, ножницы, белый картон или кусок ватмана;
  • цветные карандаши или фломастеры, линейка;
  • кружка или большая чашка с диаметром в верхней части 7…10 см или штангенциркуль.
  • бумажный стакан.

Как проводить эксперимент:

  1. Если нет штангенциркуля, то используйте кружку в качестве шаблона для рисования окружности на куске картона, вырежьте эту окружность. С помощью линейки разделите окружность на 7 приблизительно равных секторов.
  2. Раскрасьте эти семь секторов в цвета основные спектра — красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Старайтесь раскрасить диск как можно аккуратнее и равномернее.
  3. Проделайте отверстие в середине диска и насадите диск на карандаш.
  4. Проделайте отверстие в днище бумажного стаканчика, диаметр отверстия должен быть чуть больше диаметра карандаша. Переверните стаканчик вверх дном и вставьте в него карандаш с насаженным диском так, что бы грифель карандаша опирался на стол, отрегулируйте положение диска на карандаше так, что бы диск не касался дна стаканчика и находился над ним на высоте 0,5..1,5 см.
  5. Быстро раскрутите карандаш и смотрите на вращающийся диск, обратите внимание на его цвет. При необходимости проведите регулировку диска и карандаша так, что бы они могли легко вращаться.

Эксперимент по смешиванию цветов

Объяснение увиденного явления: цвета, которыми раскрашены секторы на диске, являются основными составляющими цветами белого света. Когда диск вращается достаточно быстро, то кажется, что цвета сливаются, и диск выглядит белым. Попробуйте поэкспериментировать с другими комбинациями цветов.

Источник: the-mostly.ru

Почему небо голубое: простые доводы

Наверное, не было такого человека, который хоть раз в жизни не поинтересовался, почему небо голубого цвета? Еще средневековые философы пытались отгадать эту загадку, но получилось не сразу. Вскоре рассмотрим заблуждения на этот счет, а пока давайте выясним, как же объяснить ребенку цвет неба?

небо
Почему небо голубое: Nur.kz

Итак, вот основные идеи:

Дело в спектре

Наверняка ребенок знает цвета радуги. Проще всего их запомнить с помощью фраз «Как Однажды Жан Головой Свалил Фонарь» или «Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан». Эти предложения таят скрытый смысл, представляя основные цвета видимого спектра (код — в первых буквах слов), а именно:

  • красный;
  • оранжевый;
  • желтый;
  • зеленый;
  • голубой;
  • синий;
  • фиолетовый.

Что представляет собой видимый свет и почему небо голубое? Физика спешит на выручку. Волны электромагнитного излучения имеют разную длину. Видимые волны способен воспринять человеческий глаз, а невидимые имеют слишком большую или маленькую длину, которую человек не улавливает.

Проще говоря, цвет света зависит от длины волны. Первое место в этом рейтинге занимает красный, а последнее — фиолетовый. К тому же синий и фиолетовый цвета лучше всего рассеиваются. Поэтому стоит сказать так: солнечный свет — белый, а значит, содержит в себе все цвета спектра. Попадая на Землю и сталкиваясь с пылью, газами, каплями воды в атмосфере, он рассеивается. Поскольку фиолетовый и синий рассеиваются лучше всех, то окрашивают небо.

Причина в строении человеческого глаза

Минуточку, тогда почему над нами синее небо, а не фиолетовое, чья длина волны самая короткая? При одинаковой яркости человек лучше воспринимает голубой цвет. Причем зеленый, смешиваясь с фиолетовым, также образует голубой. Наш глаз не может уловить весь спектр, поэтому процент фиолетового снижается. В результате видим голубое небо.

Если же последовал дополнительный вопрос, почему небо синее, а не зеленое, то на него также найдется ответ:

  • Устройство цвета не такое, как смешивание красок. Добавив к зеленому фиолетовый и синий — получим темное пятно.
  • А чем больше цветов в свете, тем более светлое небо. Если бы наш глаз был устроен иначе, мы бы видели небо зеленым, ведь его волна немного длиннее, чем у синего.

Во всем виноват угол падения

Как же объяснить небо зимой, на восходе или закате, когда наблюдаем красное свечение? Чем ближе Солнце подходит к горизонту, тем больший путь нужно проделать лучам сквозь слои атмосферы.

Самая длинная волна у красных лучей, поэтому небо окрашивается в этот цвет. В это же время остальные цвета рассеиваются и не успевают добраться до зримого слоя.

небо
Голубое небо: Pixabay

Почему небо голубое: главные заблуждения

Как упоминали выше, древние философы также желали знать ответ на вопрос о цвете неба и даже строили предположения, наблюдая за природными явлениями. Так, Леонардо да Винчи наблюдал, как дым на фоне темного камина получает синеватый оттенок. Он решил, что темнота поверх света становится синей. Сегодня же всем известно, что черный с белым образует серый цвет.

Голубое небо с облаками не давало покоя и другим мыслителям. Вот самые известные попытки объяснить цвет небосклона:

Гипотеза Ньютона

Ученый предположил, что воздух не окрашен в голубой цвет. Тогда наши спутники, Солнце и Луна, также были голубыми на закате, равно как и вершины гор. Однако же горные пики приобретают розовый оттенок. Добраться до сути Ньютону помешала радуга. Он понял, что цветастое чудо возникает в результате преломления света через капли дождя. Поэтому решил, что голубое небо окрашивается так же.

Согласно теории, капли воды в атмосфере имеют тонкие стенки. Оказалось, что капли — это сферы, которым не свойственен такой параметр, как толщина стенки. Вот так лопнула эта гипотеза.

Теория Рэлея

Ученый занимался оптикой и часами просиживал в темной лаборатории, глядя на то, как пылинки танцуют в пробивающихся лучах света. Давно известно, что свет распространяется прямолинейно. Так почему же человек видит луч сбоку? Или свет от прожектора в небе? Видимо, что-то преломляет его поток.

По версии Рэлея, этим «что-то» являются пылинки. Ученый предположил, что свет, встречая пылинки на пути, рассеивается. Дальше вспоминаем о длине цветовой волны. Ученый был близок к разгадке.

Но дальнейшие опыты опровергли предложенную теорию. Замечали, что солнечное небо за городом чище и ярче? А ведь там гораздо меньше смога и пыли, а значит гипотеза потерпела крах.

Точку в исследованиях поставил ученый Леонид Мандельштам. Он доказал, что на рассеивание света влияют не молекулы в атмосфере, а их сгустки и разряжения при воздействии околоземных газов. По этой причине видим небо пасмурное или наблюдаем белые облака. К примеру, скопление водяных молекул в облаках одинаково рассеивает все цвета спектра, что и дает белый оттенок.

небо
Тучи: Pixabay

А как быть с серыми тучами? Все дело в плотности облаков, в которых скапливается больше водяных капель. В результате много лучей рассеивается, а до нижней части облаков света доходит мало, и нам они кажутся серыми.

Теперь знаете, как ответить ребенку на вопрос о цвете неба. А заодно и немного приоткрыть дверь в историю теорий ученых. Наверняка подрастающему поколению понравятся ваши рассказы.

Оригинал статьи: https://www.nur.kz/family/school/1878506-pocemu-nebo-goluboe-poasnenie-dla-detej/

Источник: www.nur.kz

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.

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.

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.

Источник: theoryandpractice.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.