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

Много шума — и ничего Много шума — и ничего

Антирейтинг — топ-7 наиболее значимых технологических провалов нашего времени

РБК
Жаркое по-домашнему Жаркое по-домашнему

Кушанье назвали жар-блюдом, поскольку готовится оно на открытом огне

КАНТРИ Русская азбука
20 ответов на простые вопросы о сексе 20 ответов на простые вопросы о сексе

Честные ответы на самые простые вопросы про это

Playboy
«Кажется, это что-то серьезное»: как бороться с мнительностью и ипохондрией «Кажется, это что-то серьезное»: как бороться с мнительностью и ипохондрией

Как же избавиться от страха и ипохондрии и перестать болеть?

Psychologies
Щи Щи

Щи: универсальности этого супа можно лишь подивиться

КАНТРИ Русская азбука
«Девственницы-самоубийцы» по-питерски: как три сестры стали жертвами культа «Девственницы-самоубийцы» по-питерски: как три сестры стали жертвами культа

Как понять, что ваш близкий стал членом культа

Psychologies
«Презренный человек» «Презренный человек»

Эта статья была опубликована в газете «Правда» 24 августа 1940 года без подписи

Дилетант
Как интроверту и экстраверту понять друг друга Как интроверту и экстраверту понять друг друга

Чем мы отталкиваем друг друга и можем ли впоследствии изменить мнение о знакомом

Psychologies
Игра до раздевания Игра до раздевания

Как выявить хорошего любовника без разведки боем

VOICE
Новичок спасает «Спартак», фанаты освистывают «Краснодар»: итоги тура РПЛ Новичок спасает «Спартак», фанаты освистывают «Краснодар»: итоги тура РПЛ

Итоги второго тура чемпионата России по футболу

Forbes
Как книга Гете «Страдания юного Вертера» спровоцировала суициды в Европе! Интересная история Как книга Гете «Страдания юного Вертера» спровоцировала суициды в Европе! Интересная история

Как роман Гете создал феномен «Эффект Вертера»

ТехИнсайдер
Шалит в отпуске: хирург назвал главные способы защитить сердце в жаркую погоду Шалит в отпуске: хирург назвал главные способы защитить сердце в жаркую погоду

Что может случиться с сердцем в отпуске и как избежать рисков

ТехИнсайдер
Тельное из рыбы Тельное из рыбы

Вереница рыбных яств русской кухни продолжается, и тельное тоже в деле!

КАНТРИ Русская азбука
Руины поэзии Руины поэзии

Петр Белый: гражданственный формализм

Weekend
10 заблуждений о деменции, которые могут испортить жизнь вашему близкому или вам самим 10 заблуждений о деменции, которые могут испортить жизнь вашему близкому или вам самим

Основные распространенные заблуждения о деменции

Psychologies
«Евгений Онегин» и «Онегин-блюз» «Евгений Онегин» и «Онегин-блюз»

Михаил Цитриняк о том, сколь творчество А.С. Пушкина созвучно нынешним временам

Знание – сила
Как нравиться людям Как нравиться людям

12 шагов, чтобы стать приятным собеседником

Лиза
Больше чем муза Ницше и ученица Фрейда: как Лу Саломе стала влиятельным философом Больше чем муза Ницше и ученица Фрейда: как Лу Саломе стала влиятельным философом

История писательницы, философа и психоаналитика Лу Саломе

Forbes
Титановое сердце на дисковых насосах Титановое сердце на дисковых насосах

Потребность в пересадке сердца в России составляет тысячи операций в год

Наука
Блины Блины

Блины для нас – это и наше солнце, и целая Вселенная

КАНТРИ Русская азбука
Мясо по-фрaнузки Мясо по-фрaнузки

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

КАНТРИ Русская азбука
«Извините, автор умер». Как смотреть фильмы Бергмана и Антониони «Извините, автор умер». Как смотреть фильмы Бергмана и Антониони

Чем похожи Антониони и Бергман и как правильно смотреть их фильмы?

СНОБ
Национальный интерес к АПК Национальный интерес к АПК

Какие агрокомпании перешли под управление Росимущества за последнее время

Агроинвестор
Впервые за 10 лет пустыня Атакама расцвела зимой Впервые за 10 лет пустыня Атакама расцвела зимой

Впервые за десятилетие растения в пустыне Атакама начали цвести в середине зимы

ТехИнсайдер
Трогать запрещается! Трогать запрещается!

Какие ядовитые растения могут омрачить летний отдых на природе?

Здоровье
Наша прекрасная Анастасия Заворотнюк Наша прекрасная Анастасия Заворотнюк

Карьера, обретение личного счастья и роковая болезнь Анастасии Заворотнюк

Лиза
Повод для волнений Повод для волнений

Почему собиратели искусства переживают за свои коллекции?

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Окрошка Окрошка

Самый любимый в России освежающий летний суп

КАНТРИ Русская азбука
Крупный заемщик больше не мечта банкира Крупный заемщик больше не мечта банкира

Финансовое положение ряда крупных компаний сейчас сложное и останется таким

Монокль
9 способов заслужить родительский авторитет 9 способов заслужить родительский авторитет

9 шагов к формированию прочного родительского авторитета

Psychologies
Открыть в приложении