Существует ли преломление воздуха? Откуда ночью синева и даже желтые оттенки?

Знание – силаНаука

Оттенки неба

Татьяна Игоревна Морозова, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института космических исследований РАН

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.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

16 предметов гардероба, которых лучше избегать каждому мужчине 16 предметов гардероба, которых лучше избегать каждому мужчине

Правила мужского гардероба, которые стоит распечатать и повесить на стену

Playboy
Ерундопель Ерундопель

Салат с забавным названием, придуманный литературным героем

КАНТРИ Русская азбука
Выиграть жену Выиграть жену

Интеллектуальные игры сопровождали калмыков с детства

Вокруг света
Три единицы нового поколения Три единицы нового поколения

Детальный обзор второго корпуса моторной яхты Majesty 111

Y Magazine
15 пород собак, которые отлично ладят с кошками 15 пород собак, которые отлично ладят с кошками

На какие породы собак стоит обратить внимание, если у тебя уже есть кошка?

VOICE
Чистый спорт Чистый спорт

Насколько сложно продвигать не самый популярный вид спорта и зачем это делать?

Y Magazine
Публицистический запрос на безжалостность Публицистический запрос на безжалостность

Как памятник литературы сформулировал кодекс поведения главы государства

Weekend
3 причины, почему вы переживаете из-за бывшей вашего мужчины 3 причины, почему вы переживаете из-за бывшей вашего мужчины

Почему наличие бывшей у партнера заставляет нас чувствовать себя неуверенно?

Psychologies
Половина пути Половина пути

Каково это — отдыхать с супругой

VOICE
Этот мужчина ворвался в магазин и украл только 6 кексов! История вежливого вора из Канады Этот мужчина ворвался в магазин и украл только 6 кексов! История вежливого вора из Канады

Вор вымыл пол, прежде чем украсть шесть шоколадных кексов с шампанским

ТехИнсайдер
«Король Лир» и еще три новых фильма из Якутии, победивших на фестивалях «Король Лир» и еще три новых фильма из Якутии, победивших на фестивалях

Зачем смотреть «Короля Лира» и другие якутские фестивальные хиты?

СНОБ
Мясо по-фрaнузки Мясо по-фрaнузки

Хотите озадачить гостя из Парижа – приготовьте ему свинину под сырной корочкой

КАНТРИ Русская азбука
Мой прадед, участник Великой войны Мой прадед, участник Великой войны

История генерал-майора Владимир Астафьев, типичного русского офицера

Знание – сила
Вызывать сантехника не обязательно: что делать, если течет бачок унитаза Вызывать сантехника не обязательно: что делать, если течет бачок унитаза

Почему течет вода в унитазе и что с этим можно сделать самостоятельно?

ТехИнсайдер
Как вернуться в ресурсное состояние после неудач: 3 простых шага Как вернуться в ресурсное состояние после неудач: 3 простых шага

Что означает удача на самом деле? И как вернуть ее после серии провалов?

Psychologies
4 самые частые причины сохранить несчастный брак: действительно ли они того стоят? 4 самые частые причины сохранить несчастный брак: действительно ли они того стоят?

Причины жить с мужчиной, который больше не хочет быть с тобой

Psychologies
Сериалу «Санта-Барбара» 40 лет! Как эпохальная мыльная драма изменила постсоветское и мировое телевидение Сериалу «Санта-Барбара» 40 лет! Как эпохальная мыльная драма изменила постсоветское и мировое телевидение

Один из самых известных ситкомов «Санта-Барбара» празднует юбилей

Правила жизни
Пояс верности — это не более, чем миф. Рассказываем, как такое получилось Пояс верности — это не более, чем миф. Рассказываем, как такое получилось

Кто и зачем изобрел пояс верности? Существовал ли он на самом деле?

ТехИнсайдер
Железный конь: каким был первый мотоцикл Железный конь: каким был первый мотоцикл

Почему первые мотоциклы не пользовались огромной популярностью

ТехИнсайдер
«Возникла паника»: подорожают ли в России хлеб и мука «Возникла паника»: подорожают ли в России хлеб и мука

Дорожает ли мука, чем чреват рост ее экспорта и чего ждать от цен на хлеб

Forbes
Мой друг барабашка Мой друг барабашка

Как забрать домового с собой при переезде

Лиза
Диана Милютина Диана Милютина

Сверхновая звезда Диана Милютина про эмансипацию и вайб Балабанова в «Чистых»

Собака.ru
Ветвистоусые летописцы водоёмов Ветвистоусые летописцы водоёмов

Кандидат биологических наук Антон Жаров — о кладоцерной палеореконструкции

Наука и жизнь
Недетская анимация: какие реальные психические процессы показаны в мультфильме «Головоломка-2» Недетская анимация: какие реальные психические процессы показаны в мультфильме «Головоломка-2»

Какие научные доводы легли в основу «Головоломки-2»?

ТехИнсайдер
Титановое сердце на дисковых насосах Титановое сердце на дисковых насосах

Потребность в пересадке сердца в России составляет тысячи операций в год

Наука
Интервью с Ильей Альтшулером — о «Пикнике “Афиши”» и доходах фестиваля Интервью с Ильей Альтшулером — о «Пикнике “Афиши”» и доходах фестиваля

Как сохранить ДНК «Пикника» в новых реалиях и чем этот фестиваль удивит

СНОБ
Дорога вдоль северного фасада. История Северного широтного хода Дорога вдоль северного фасада. История Северного широтного хода

Для СССР результаты войны в Арктике оказались весьма болезненными

Наука
Как проверить жесткость воды в домашних условиях: элементарные методы Как проверить жесткость воды в домашних условиях: элементарные методы

Наиболее простые способы узнать жесткость воды в доме или квартире

ТехИнсайдер
Почему у вас шелушатся стопы Почему у вас шелушатся стопы

Почему шелушится кожа на стопах и что с этим можно сделать?

ТехИнсайдер
Горы, способные стереть с лица земли целые города: познавательные факты о вулканах Горы, способные стереть с лица земли целые города: познавательные факты о вулканах

Что мы знаем о вулканах?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении