Мы все привыкли, что цвет неба — характеристика непостоянная. Туман, облака, время суток — все влияет на окраску купола над головой. Ежедневная ее смена не занимает умы большинства взрослых, чего нельзя сказать о детях. Они постоянно интересуются тем, почему небо голубое с точки зрения физики или что окрашивает закат в красный. Попытаемся разобраться в этих не самых простых вопросах.

Переменчивое

Начать стоит с ответа на вопрос о том, что, собственно, небо представляет собой. В древнем мире оно виделось действительно как купол, накрывающий Землю. Сегодня, однако, вряд ли кто-то не знает, что, на какую бы высоту ни поднялся любопытный исследователь, достичь этого купола он не сможет. Небо — это не вещь, а, скорее, панорама, которая открывается при взгляде с поверхности планеты, некая видимость, сотканная из света. Причем если наблюдать из разных точек, оно может выглядеть иначе. Так, из поднявшегося над облаками, открывается совсем иной вид, чем с земли в это время.

Ясное небо — голубое, но стоит набежать облакам — и оно становится серым, свинцовым или грязно-белым. Ночное небо — черное, иногда на нем можно заметить рыжеватые участки. Это отсвет искусственного освещения города. Причина всех подобных изменений — свет и его взаимодействие с воздухом и частичками различных веществ в нем.

Природа цвета

Для того чтобы ответить на вопрос о том, почему небо голубое с точки зрения физики, нужно вспомнить о том, что представляет собой цвет. Это волна определенной длины. Свет, идущий от Солнца к Земле, видится как белый. Еще с экспериментов Ньютона известно, что представляет собой пучок из семи лучей: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Цвета отличаются длиной волны. Красно-оранжевый спектр включает волны, наиболее внушительные по этому параметру. части спектра характеризуются короткой длиной волны. Разложение света на спектр происходит при столкновении его с молекулами различных веществ, при этом часть волн может быть поглощена, а часть — рассеяна.

Исследование причины

Многие ученые пытались объяснить, почему небо голубое, с точки зрения физики. Все исследователи стремились обнаружить явление или процесс, который в атмосфере планеты рассеивает свет таким образом, что в результате до нас доходит только голубой. Первыми кандидатами на роль подобных частиц были и воды. Считалось, что именно они поглощают красный свет и пропускают голубой, а в результате мы видим небо синего цвета. Последовавшие за этим подсчеты, однако, показали, что того количества озона, кристаллов льда и молекул водяного пара, которое есть в атмосфере, недостаточно для придания небу голубого цвета.

Причина в загрязнении

На следующем этапе исследований Джоном Тиндаллом было высказано предположение, что роль искомых частиц играет пыль. Синий свет обладает наибольшей стойкостью к рассеиванию, а потому способен пройти сквозь все слои пыли и других взвешенных частиц. Тиндалл провел эксперимент, подтвердивший его предположение. Он создал в условиях лаборатории модель смога и осветил ее ярким белым светом. Смог приобрел голубой оттенок. Ученый сделал однозначный вывод из своего исследования: цвет неба определяется частичками пыли, то есть если бы воздух Земли был чистым, то над головами людей светились не голубые, а белые небеса.

Исследование лорда

Окончательную точку в вопросе о том, почему небо голубое (с точки зрения физики), поставил английский ученый, лорд Д. Рэлей. Он доказал, что не пыль или смог окрашивает пространство над головой в привычный для нас оттенок. Дело в самом воздухе. Молекулы газа поглощают большую и в первую очередь самые длинные волны, эквивалентные красному. Синий при этом рассеивается. Именно так и сегодня объясняется то, какого цвета небо мы видим в ясную погоду.

Внимательные заметят, что, следуя логике ученых, купол над головой должен быть фиолетовым, поскольку именно у этого цвета самая короткая длина волны в видимом диапазоне. Однако это не ошибка: доля фиолетового в спектре значительно меньше, чем синего, да и глаза человека более чувствительны именно к последнему. По сути, видимый нами голубой — результат смешения синего с фиолетовым и некоторыми другими цветами.

Закаты и облака

Все знают, что в разное время суток можно увидеть разный цвет неба. Фото красивейших закатов над морем или озером — прекрасная иллюстрация этого. Всевозможные оттенки красного и желтого в сочетании с голубым и темно-синим делают подобное зрелище незабываемым. А объясняется оно все тем же рассеиванием света. Дело в том, что во время заката и рассвета солнечным лучам приходится преодолевать гораздо больший путь сквозь атмосферу, чем в разгар дня. При этом свет сине-зеленой части спектра рассеивается в разные стороны и облака, расположенные у линии горизонта, становятся окрашенными в оттенки красного.

Когда небо заволакивают облака, картина совершенно меняется. не в силах преодолеть плотный слой, и большая часть их просто не достигает земли. Лучи, сумевшие пройти сквозь тучи, встречаются с водными каплями дождя и облаков, которые вновь искажают свет. В результате всех этих превращений до земли доходит белый свет, если облака небольшие по размеру, и серый, когда небо закрывают внушительные тучи, вторично поглощающие часть лучей.

Иные небеса

Интересно, что на других планетах Солнечной системы при взгляде с поверхности можно увидеть небо, сильно отличное от земного. На космических объектах, обделенных атмосферой, солнечные лучи свободно достигают поверхности. В результате небо тут черное, без какого бы то ни было оттенка. Такую картину можно увидеть на Луне, Меркурии и Плутоне.

Марсианское небо имеет красно-оранжевый оттенок. Причина этого кроется в пыли, которой насыщена атмосфера планеты. Она окрашена в разные оттенки красного и оранжевого. Когда Солнце поднимается над горизонтом, марсианское небо становится розовато-красным, при этом участок его, непосредственно окружающий диск светила, видится голубым или даже фиолетовым.

Небо над Сатурном того же цвета, как на Земле. Над Ураном простираются аквамариновые небеса. Причина кроется в метановой дымке, расположенной в верхних планеты.

Венеру от глаз исследователей скрывает плотный слой облаков. Он же не позволяет дойти до поверхности планеты лучам сине-зеленого спектра, поэтому небо здесь желто-оранжевое с серой полоской вдоль горизонта.

Исследование дневного пространства над головой раскрывает не меньше чудес, чем изучение звездного неба. Понимание процессов, протекающих в облаках и за ними, помогает постичь причину довольно привычных для обывателя вещей, которые, тем не менее, объяснить с ходу может далеко не каждый.

Известно, что небо голубого цвета – это причина взаимодействия озонового слоя и солнечного света. Но что конкретно происходит с точки зрения физики и почему небо голубое? Теорий на этот счёт существовало несколько. Все они, в конечном итоге, подтверждают, что основная причина – это атмосфера. Но также объясняется и механизм взаимодействия.

Главный факт касается солнечного света. Известно, что солнечный свет имеет белый цвет. Белый цвет – это сумма всех спектров . Он может быть разложен на радугу (или спектры) при прохождении через дисперсионную среду.

Исходя из этого факта, учеными было предложено несколько теорий.

Первая теория объясняла голубой цвет тем самым рассеянием на частицах в атмосфере. Предполагалось, что большое количество механической пыли, частичек пыльцы растений, водяного пара и других мелких включений работают как дисперсионная среда. В результате до нас доходит только спектр голубоватого цвета. Но как тогда объяснить, что цвет неба не меняется зимой или на севере, где таких частичек меньше или их природа отлична? Теория была довольно быстро отвергнута.

Следующая теория предполагала, что световой поток белого цвета проходит через атмосферу, которая состоит из частиц. При прохождении через их поле светового луча частицы возбуждаются. Активированные частицы начинают испускать дополнительные лучи. Это и окрашивает солнечный цвет в голубоватый цвет. Белый свет помимо механического рассеивания и его дисперсии активирует и частицы атмосферы. Явление напоминает люминесценцию. На данный момент это объяснение является .

Последняя теория наиболее простая и она является достаточной для объяснения основной причины явления. Смысл ее очень похож на предыдущие теории. Воздух способен рассеивать свет по спектрам. Именно это является основной причиной голубого свечения. Свет с короткой длиной волны рассеивается интенсивнее, чем с короткой. Т.е. фиолетовый цвет рассеивается сильнее, чем красный. Этот факт объясняет изменение цвета неба на закате. Достаточно изменить угол солнца. Это и происходит при вращении земли, и цвет небосвода меняется на оранжево-розовый на закате. Чем выше солнце над горизонтом, тем более голубой свет мы будем видеть. Причина всему – та самая дисперсия или явление разложения света по спектрам.

Кроме всего этого, нужно понимать, что нельзя исключать все обозначенные выше факторы. Ведь каждый из них дает некоторый вклад в общую картину. Например, несколько лет назад в Москве в результате обильного цветения растений весной образовалось плотное облако пыльцы. Оно окрасило небо в зеленый цвет. Это довольно редкое явление, однако оно показывает, что отвергнутая теория про микрочастицы в воздухе также имеет место быть. Правда, теория эта не является исчерпывающей.

Почему небо голубое. Почему Солнце желтое? Эти вопросы, такие естественные, возникали перед человеком с глубокой древности. Однако чтобы получить правильное объяснение этих явлений, потребовались усилия выдающихся ученых средних веков и более позднего времени, вплоть до конца XIX в.

Какие гипотезы существовали? Каких только гипотез не выдвигалось в разное время для объяснения цвета неба. 1 гипотеза Наблюдая, как дым на фоне темного камина приобретает сине­ ватый цвет, Леонардо да Винчи писал:...светлота поверх темноты стано­вится синей, тем более прекрасной, чем превосходными будут светлое и тем­ное". Примерно такой же точки зрения придерживался Гёте, который был не только всемирно известным поэтом, но и крупнейшим ученым естество­ испытателем своего времени. Однако такое объяснение цвета неба оказалось несостоятельным, поскольку, как стало очевидно позднее, смешение черного И белого может дать только серые тона, а не цветные. Синий цвет дыма из камина обусловливается совершенно другим процессом.

Какие гипотезы существовали? 2 гипотеза После открытия интерференции, в частности в тонких пленках, Ньютон пытался применить интерференцию к объяснению цвета неба. Для этого ему пришлось допустить, что капли воды имеют форму тонкостенных пузы­рей, наподобие мыльных. Но так как капельки воды, содержащиеся в атмосфере, в действительности представляют собой сферы, то и эта гипотеза вскоре лопнула", как мыльный пузырь.

Какие гипотезы существовали? 3 гипотеза Ученые XVIII в. Мариотт, Бугер, Эйлер думали, что голубой цвет неба объясняется собственным цветом составных частей воздуха. Такое объяс­ нение даже получило некоторое подтверждение позднее, уже в XIX в., когда установили, что жидкий кислород имеет голубой цвет, а жидкий озон синий. Ближе всех к правильному объяснению цвета неба подошел О. Б. Соссюр. Он считал, что если бы воздух был абсолютно чистым, то небо было бы черным, но воздух содержит примеси, которые отражают преимущественно голубой цвет (в частности водяной пар и капельки воды).

Итоги исследования: Первым, кто создал стройную, строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей. Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на самих молекулах воздуха. Для объяснения цвета неба приведем только один из выводов теории Рэлея:

Итоги исследования: цвет смеси рассеянных лучей будет голубым Яркость, или интен­сивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу. Таким образом, молекулярное рассеяние чрезвычайно чувствительно к малейшему изменению длины волны света. Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 мкм) примерно в два раза меньше длины волны красных (0,8 мкм). Поэтому фиолетовые лучи будут рассеиваться в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающих лучей их в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все цветные рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым

Лиетратура: С.В. Зверева.В мире солнечного света.Л.,Гидрометеоиздат,1988

Изучение и объяснение

Like Share Report 532 Views

Изучение и объяснение. цвета неба. Проектную работу выполнила Рубанова Ксения. Учитель физики И.А. Боярина.

Download Presentation

Изучение и объяснение

E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

No related presentations.

Presentation Transcript

Цвета неба Проектную работу выполнила Рубанова Ксения. Учитель физики И.А. Боярина

Частью голубое, а у горизонта белесое? Почему заходящее солнце обычно красное, а небо над ним окрашено в разные цвета? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно знать, как взаимодействует свет с молекулами атмосферных газов и с взвешенными в воздухе частицами. На некоторые из этих вопросов однозначные ответы еще не получены.

Считались предвестниками погоды. Таких примет довольно много и одно время считалось даже, что их изучение и есть главная задача атмосферной оптике (раздел физики атмосферы, в котором изучаются оптические явления, возникающие, при прохождении света в атмосфере к ним относятся и цвет неба).

Русский геофизик П.И. Броунов (20 век). Подробные исследования показали между оптическими и физическими явлениями в атмосфере связь, существует. Стало ясно, что найти связь между оптическими явлениями и погодой можно, изучая природу оптических явлений и одновременно проникая в механизм физических явлений, вызывающих изменения погоды. Петр Иванович Браунов.

Цвет неба относятся, к 16 веку Леонардо да Винчи объяснял синеву небесного свода тем, что белый воздух на темном фоне мирового пространства кажется синим.

Частицы воздуха имеют синеватый оттенок и в общей массе создают интенсивную синеву» В начале 18 века Ньютон объяснил цвет неба отражением солнечного света от мельчайших капель воды, всегда взвешенных в воздухе. Л.Эйлер Исаак Ньютон

Синего цвета неба дал английский физик Рэлей (1871,1881).

Образующие солнечный спектр, рассеиваются молекулами воздуха пропорционально. Синие лучи рассеиваются, примерно, в 16 раз сильнее, чем красные. Поэтому цвет неба (рассеянный солнечный свет) – синий, а цвет Солнца (прямой солнечный свет), когда оно низко над горизонтом и лучи его проходят большой путь в атмосфере – красный. При этом рассеянный свет должен быть сильно поляризован, а под углом 90 градусов от направления Солнца поляризация должна быть полной.

Почему небо голубое? Трудно найти ответ на такой простой вопрос. Многие ученые ломали себе голову в поисках ответа. Наилучшее решение проблемы предложил около 100 лет назад английский физик лорд Джон Рэлей .

Солнце излучает ослепительно чистый белый свет. Значит и цвет неба должен быть таким же, но оно все таки голубое. Что же происходит с белым светом в земной атмосфере?

Белый свет — это смесь цветных лучей. С помощью призмы мы можем сделать радугу.

Призма раскладывает белый луч на цветные полосы:

■ Красную

■ Оранжевую

■ Желтую

■ Зеленую

■ Голубую

■ Синюю

■ Фиолетовую

Соединяясь вместе, эти лучи вновь образуют белый свет. Можно предположить, что солнечный свет сначала расщепляется на цветные составляющие. Потом что-то происходит, и поверхности Земли достигают только голубые лучи.

Так почему же небо голубое?

Есть несколько возможных объяснений. Воздух, окружающий Землю,- это смесь газов: азота, кислорода, аргона и других. В атмосфере присутствуют еще водяной пар и кристаллики льда. В воздухе взвешены пыль и другие мелкие частицы. В верхних слоях атмосферы находится слой озона. Может быть причина в этом? Некоторые ученые считали, что молекулы озона и воды поглощают лучи красного цвета и пропускают голубые. Но оказалось, что в атмосфере просто не хватит озона и воды, чтобы окрасить небо в голубой цвет.

В 1869 году англичанин Джон Тиндалл предположил, что пыль и другие частицы рассеивают свет. Синий свет рассеивается в наименьшей степени и проходит слои таких частиц, достигая поверхности Земли. В своей лаборатории он создал модель смога и осветил ее ярким белым лучом. Смог окрасился в глубокий синий цвет. Тиндалл решил, что если бы воздух был абсолютно чист, то ничто бы не рассеивало свет, и мы могли бы любоваться ярким белым небом. Лорд Рэлей тоже поддерживал эту идею, но недолго. В 1899 году он опубликовал свое объяснение:

Именно воздух, а не пыль или дым, окрашивает небо в голубой цвет.

Основная теория о голубом цвете неба

Часть солнечных лучей проходит между молекулами газа, не сталкиваясь с ними, и без изменений достигает поверхности Земли. Другая, большая часть, поглощается газовыми молекулами. При поглощении фотонов молекулы возбуждаются, то есть заряжаются энергией, а затем испускают ее в виде опять-таки фотонов. Эти вторичные фотоны имеют разную длину волны и могут быть любого цвета - от красного до фиолетового. Разлетаются они во всех направлениях: и к Земле, и к Солнцу, и в стороны. Лорд Рэлей предположил, что цвет испускаемого луча зависит от преобладания в луче квантов того или иного цвета. При столкновении молекулы газа с фотонами солнечных лучей на один вторичный квант красного цвета приходится восемь квантов синего.

Каков результат? Интенсивный голубой свет буквально льется на нас со всех сторон из миллиардов молекул газов атмосферы. К этому свету примешаны фотоны других цветов, поэтому он не имеет чисто синего тона.

Почему тогда закат красный?

Однако, небо голубое не всегда. Закономерно возникает вопрос: если мы видим в течение всего дня синее небо, почему закат красный? Красный цвет меньше всего рассеивается молекулами газа. Во время заката Солнце приближается к горизонту и солнечный луч направлен к поверхности Земли не вертикально, как днем, а под углом.

Поэтому путь, который он проходит через атмосферу, намного больше того, что он проходит днем, когда Солнце стоит высоко. Из-за этого сине-голубой спектр поглощается в толстом слое атмосферы, не доходя до Земли. А более длинные световые волны красно-жёлтого спектра доходят до поверхности Земли, окрашивая небо и облака в характерные для заката красный и жёлтый цвета.

Научное объяснение

Выше мы дали ответ сравнительно простым языком. Ниже мы процитируем обоснование с использованием научных терминов и формул.

Отрывок из Wiki:

Небо выглядит голубым по той причине, что воздух рассеивает свет с короткой длиной волны сильнее длинноволнового излучения света. Интенсивность рассеяния Релея, обусловленного флуктуациями количества молекул газов воздуха в объемах, соизмеримых с длинами волн света, пропорционально 1/λ 4 , λ — длина волны, т. е. фиолетовый участок видимого спектра рассеивается в приблизительно 16 раз интенсивнее красного. Так как излучение синего цвета имеет более короткую длину волны, в конце видимого спектра, он больше рассеивается в атмосфере, чем красный. Благодаря этому участок неба вне направления на Солнце имеет голубой цвет (но не фиолетовый, так как солнечный спектр неравномерный и интенсивность фиолетового цвета в нём меньше, а также вследствие меньшей чувствительности глаза к фиолетовому цвету и большей к синему, который раздражает не только чувствительные к синему цвету колбочки в сетчатке, но и чувствительные к красным и зеленым лучам).

Во время заката и рассвета свет проходит по касательной к земной поверхности, так что путь, проходимый светом в атмосфере, становится намного больше, чем днём. Из-за этого большая часть синего и даже зелёного света рассеивается из прямого солнечного света, поэтому прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небо вблизи горизонта окрашиваются в красные тона.

Вероятно, при другом составе атмосферы, например, на других планетах цвет неба, в том числе и при закате светила, может быть другим. Например, цвет неба на Марсе красновато-розовый.

Рассеяние и поглощение - главные причины ослабления интенсивности света в атмосфере. Рассеяние меняется как функция от отношения диаметра рассеивающей частицы к длине волны света. Когда это отношение меньше 1/10, возникает рэлеевское рассеяние, при котором коэффициент рассеяния пропорционален 1/λ 4 . При бо́льших значениях отношения размера рассеивающих частиц к длине волны закон рассеивания изменяется согласно Уравнению Гюстава Ми; когда же это отношение больше 10, с достаточной для практики точностью применимы законы геометрической оптики.