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

Сквозь мутное стекло Сквозь мутное стекло

Вышла драма из ирландской жизни с Киллианом Мёрфи

Weekend
FLNG «Prelude» FLNG «Prelude»

Что представляют собой плавучие заводы-хранилища сжиженного природного газа?

Наука и техника
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
Скворцов. Плотников. Горошко Скворцов. Плотников. Горошко

Плотников, Скворцов и Горошко на реабилитации после шоковой психотерапии

Собака.ru
Олимпиада по запретам: как МОК не дает спортсменам рекламировать себя и зарабатывать Олимпиада по запретам: как МОК не дает спортсменам рекламировать себя и зарабатывать

Как работает коммерция на Играх, и что запрещается даже самым титулованным

Forbes
5 правил, как сделать тренировку на улице комфортной 5 правил, как сделать тренировку на улице комфортной

Что нужно учитывать, если вы собираетесь тренироваться на улице?

Maxim
Все фильмы про «Терминатора» от худшего к лучшему Все фильмы про «Терминатора» от худшего к лучшему

Рейтинг фильмов про Терминатора: худшие и лучшие

Maxim
Тебе запрещено медитировать, если у тебя есть эти проблемы: какие и почему — объясняет психотерапевт Тебе запрещено медитировать, если у тебя есть эти проблемы: какие и почему — объясняет психотерапевт

Кому запрещено медитировать, чтобы не случилось проблем?

VOICE
За зеленым забором За зеленым забором

Как посадить живую изгородь на дачном участке

Лиза
Осторожно: тромб! Осторожно: тромб!

10 неочевидных симптомов, которые могут сигнализировать о тромбах

Лиза
«Не делайте больших перерывов в умственной работе» «Не делайте больших перерывов в умственной работе»

Самые яркие цитаты легендарной исследовательницы мозга Натальи Бехтеревой

Наука
Туманный взгляд: почему запотевают фары изнутри и что с этим делать Туманный взгляд: почему запотевают фары изнутри и что с этим делать

Запотевшие фары — это большая беда. Поэтому устранять проблему нужно быстро

ТехИнсайдер
Музыкальная память не слабеет даже в преклонном возрасте Музыкальная память не слабеет даже в преклонном возрасте

Музыку можно использовать для подкрепления памяти у людей в старшем возрасте

ТехИнсайдер
Страсть на мушке Страсть на мушке

Известная парочка гангстеров, орудовавшая в Америке в годы Великой депрессии

P.I.C. Partner In Crime
Как выбрать лучший парашют? Как выбрать лучший парашют?

Как определить оптимальную форму парашюта для системы спасения полезного груза?

Наука и техника
Инновационные технологии в банковской сфере Инновационные технологии в банковской сфере

Современные тренды финтеха: чего ждать в ближайшем будущем

Наука и техника
Три единицы нового поколения Три единицы нового поколения

Детальный обзор второго корпуса моторной яхты Majesty 111

Y Magazine
Левее левых: гошисты в водовороте событий мая—июня 1968 года во Франции Левее левых: гошисты в водовороте событий мая—июня 1968 года во Франции

Антиколониальная борьба во Франции и разочарование в коммунистах

Наука
Delta IV: конец истории Delta IV: конец истории

Последний пуск ракеты-носителя семейства Delta IV

Наука и техника
Евгения Образцова: «Мама не раз мне говорила: «ты — борец, а это хорошее качество для балерины» Евгения Образцова: «Мама не раз мне говорила: «ты — борец, а это хорошее качество для балерины»

Выхожу на сцену и слышу за спиной: «О, пошла, пошла, смотрите-ка...»

Караван историй
Люблю двоих Люблю двоих

Что делать, если нравятся сразу двое мужчин?

Лиза
Дин Итэн: «Жизни обычных людей во всем мире похожи друг на друга» Дин Итэн: «Жизни обычных людей во всем мире похожи друг на друга»

Премьера спектакля китайского режиссера Дин Итэна «Я не убивала своего мужа»

Монокль
Этот психологический тест поможет найти источник вашего вдохновения: просто попробуйте! Этот психологический тест поможет найти источник вашего вдохновения: просто попробуйте!

Знать свой источник вдохновения крайне важно. Узнайте его с помощью теста!

ТехИнсайдер
Самок лягушек заподозрили в сексуальном каннибализме Самок лягушек заподозрили в сексуальном каннибализме

Зоологи зафиксировали попытку золотистой литории съесть потенциального партнера

N+1
Екатерина Волкова: «Возможность уделять внимание близким – большая ценность» Екатерина Волкова: «Возможность уделять внимание близким – большая ценность»

Екатерина Волкова о тонкостях воспитания детей и отношении к возрасту

Здоровье
В трёх действиях В трёх действиях

Почему Московские процессы 1936–1938 годов сравнивались с игрой кошки с мышью?

Дилетант
Еда и напитки в самолете: что заказать, а от чего воздержаться Еда и напитки в самолете: что заказать, а от чего воздержаться

Стоит ли пить и есть в самолете: советы экспертов

РБК
Почему «счастливые часов не наблюдают»? Так работает мозг Почему «счастливые часов не наблюдают»? Так работает мозг

Увеличение нашей активности влияет на то, как наш мозг отсчитывает время

ТехИнсайдер
Эчпочмак Эчпочмак

Иногда визитная карточка может быть и треугольной!

КАНТРИ Русская азбука
Кама Гинкас: «Пытаться разгадать гения — все равно что пытаться разгадать жизнь» Кама Гинкас: «Пытаться разгадать гения — все равно что пытаться разгадать жизнь»

Режиссер Кама Гинкас о прозе Пушкина, языке театра и спектаклях-долгожителях

Монокль
Открыть в приложении