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
Город большого мифа и большой обиды Город большого мифа и большой обиды

Иркутск: место победы почвеннической литературы над современной архитектурой

Weekend
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
В трёх действиях В трёх действиях

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

Дилетант
Аннигиляция в вопросах и ответах Аннигиляция в вопросах и ответах

Что такое аннигиляция?

Наука и жизнь
На совещание пришел робот На совещание пришел робот

Почему российские сервисы на рынке услуг видео-конференц-связи усиливают позиции

Монокль
Загадочный конверт Загадочный конверт

Александр Бекзадян вел себя все менее и менее осмотрительно...

Дилетант
Почему Toyota Crown Signia считается лучшим универсальным автомобилем? Почему Toyota Crown Signia считается лучшим универсальным автомобилем?

Toyota выпустила «мастера на все руки», не имеющего конкретной специализации

4x4 Club
Нога в туннеле Нога в туннеле

Судмедэксперт Клас Бушманн приоткрывает тайны своей мрачной профессии

P.I.C. Partner In Crime
Устаревшая версия Устаревшая версия

Отрывки из автобиографии легендарного Терминатора — Арнольда Шварценеггера

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Призывы к убийствам в эфире радио: 30 лет геноциду в Руанде Призывы к убийствам в эфире радио: 30 лет геноциду в Руанде

Как африканская страна пережила 100 страшных кровопролитных дней геноцида

ТехИнсайдер
Красная, черная, белая Красная, черная, белая

Вино, варенье и еще 8 заготовок из смородины

Лиза
4 вопроса, на которые надо себе ответить, если вы завязываете отношения онлайн 4 вопроса, на которые надо себе ответить, если вы завязываете отношения онлайн

Четыре важных вопроса, на которые надо ответить, завязывая виртуальный роман

Psychologies
Юлия Волкова: «Так получилось, что почти каждая моя роль — испытание» Юлия Волкова: «Так получилось, что почти каждая моя роль — испытание»

На «Фабрике» я, конечно, делала шоу. Меня называли девочка-скандал

Караван историй
Кто впервые стукнул по столу и крикнул «рыба!»: история появления легендарной игры домино Кто впервые стукнул по столу и крикнул «рыба!»: история появления легендарной игры домино

Когда и кем было придумано домино?

ТехИнсайдер
«Услужливая диктатура» и крупный капитал: 12 лет вместе «Услужливая диктатура» и крупный капитал: 12 лет вместе

Отношения германского национал-социализма и крупного капитала были не простыми

Дилетант
Анна на кастинге Анна на кастинге

«Тайны Карениной»: документальный сериал о киногеничности романа Льва

Weekend
Неотделимая часть общества — фильмы о людях с расстройством аутистического спектра Неотделимая часть общества — фильмы о людях с расстройством аутистического спектра

Фильмы, которые репрезентируют людей с РАС

СНОБ
В своих стенах В своих стенах

Советы, чтобы сэкономить при выборе обоев

Лиза
Созданная указом Екатерины Великой Созданная указом Екатерины Великой

Ее привычно называют «Публичка». Сколь многое готовилось именно здесь!

Знание – сила
Достоевский на улице Сезам Достоевский на улице Сезам

«Эрик»: Бенедикт Камбербэтч в Нью-Йорке 1980-х

Weekend
Часовое искусство Часовое искусство

О работах художников, для которых часы стали главным объектом творчества

RR Люкс.Личности.Бизнес.
«Родина» самых впечатляющих разрядов, красные эльфы и редкий спрайт: 50 фактов о молнии, которые полезно узнать каждому «Родина» самых впечатляющих разрядов, красные эльфы и редкий спрайт: 50 фактов о молнии, которые полезно узнать каждому

О молниях можно говорить вечно! Это одно из самых грозных явлений природы

ТехИнсайдер
Беспокойные создания: почему кошки так любят сбрасывать вещи со стола и полок Беспокойные создания: почему кошки так любят сбрасывать вещи со стола и полок

Откуда взялась повадка котов скидывать различные предметы с полок и столов?

ТехИнсайдер
«Санни»: черная комедия с Рашидой Джонс о женщине, которая ищет пропавших мужа и сына «Санни»: черная комедия с Рашидой Джонс о женщине, которая ищет пропавших мужа и сына

«Санни»: проект, скрывающий за маской черной комедии драму и детектив

Forbes
Затянувшаяся грусть: что такое «ловушка печали» и как из нее выбраться Затянувшаяся грусть: что такое «ловушка печали» и как из нее выбраться

«Ловушка печали»: что это такое, как вовремя ее распознать?

ТехИнсайдер
Распознать неладное Распознать неладное

7 сигналов, что это не «просто забота», что бы ни говорил внутренний голос

P.I.C. Partner In Crime
Как пережить расставание Как пережить расставание

Мучают воспоминания, все вокруг говорит о недавнем романе? Стоп!

Лиза
Самый человечный человек Самый человечный человек

Юрист-идеалист, ставший мировым символом сопротивления

Дилетант
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
Открыть в приложении