Почему оно голубое утром и днем, под вечер синее, а на закате красное? С таким вопросом приходиться сталкиваться, пожалуй, всем людям.
Вообще, для человека, глядящего в небо, в эту голубую бесконечность, не
понятно, что там наверху, отчего небо голубое, а например заря,
красная? Вобщем эта статья поделена на 3 раздела, взаимосвязанных между собой. Они отличаются всего лишь сложностью обьяснения. Например, вашу ребенку, задавшему этот вопрос, подойдет первое, самое легкое обьяснение. Во втором разделе на вопрос "Почему небо синее (голубое, красное на закате)?" дается достаточно полное обьяснение "для средних умов". Ну и последний раздел подойдет лишь тем, кто разбирается в физике и хочет все разобрать по полочкам при помощи разных формул и теорем. Нечнем!
Раздел 1 - простое объяснение
Немного историиЧеловечество
с давних времен интересовало, почему же, небо голубого цвета.
Придумывалось очень много гипотез и предположений. Например, Леонардо да
Винчи, предполагал, что небо окрашено в такой цвет, потому что,
„...светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной, чем
превосходными будут светлое и темное". Такого
же мнения были и некоторые другие ученые, но всё-таки, позже стало
ясно, что эта гипотеза в корне не верна, ведь если смешать черный цвет с
белым цветом, то вряд ли получится голубой, ведь сочетание этих цветов
дает только серый и его оттенки. Немного
позже в XVIII в., считалось, что цвет небу придают составные части
воздуха. По этой теории считалось, что воздух содержит много примесей,
так как чистый воздух был бы черным. После этой теории было ещё очень
много предположений и догадок, но не одна так и не смогла оправдать
себя. Что такое воздухНебо
это всего лишь воздух, тот обычный воздух, которым мы ежесекундно
дышим, тот которые нельзя увидеть и потрогать, потому что он прозрачный и
невесомый. Но дышим-то мы прозрачным воздухом, почему же он над головой
приобретает такой голубой цвет? Воздух содержит в себе несколько
элементов, азот, кислород, углекислый газ, пары воды, различные пылинки,
которые постоянно находятся в движении. Что такое небоНебо
это бесконечность. Для любого народа, небо символ чистоты, ведь
считается, что там живет сам Бог. Люди, обращаясь к небу, просят дождя,
или наоборот солнца. То есть, небо не просто воздух, небо это символ
чистоты и непорочности. С точки зрения физикиНо
на практике, как говорят физики, небо это просто воздух, окрашенный
солнечными лучами. Если говорить проще, то солнце светит на Землю, но
солнечные лучи для этого должны пройти через огромный слой воздуха,
который буквально окутывает Землю. А так, как солнечный луч имеет
множество цветов, а точнее семь цветов радуги. Для тех, кто не знает,
стоит напомнить, что семь цветов радуги это красный, оранжевый, желтый,
зеленый, голубой, синий, фиолетовый. 
Причем,
все эти цвета имеет каждый луч и он, проходя через этот слой воздуха,
то он разбрызгивает во все стороны различные цвета радуги, но вот
сильнее всего происходит раскидывание голубого цвета, за счет которого
небо и приобретает голубую окраску. Если охарактеризовать коротко, то
голубое небо – это брызги, которые дает луч, окрашенный в этот цвет. А на ЛунеТам
нет атмосферы и следовательно, небо на Луне не голубое, а черное.
Космонавты, которые выходят на орбиту видят черное-черное небо, на
котором сверкают планеты и звезды. Конечно же, небо на Луне выглядит
очень красиво, но всё-таки не хотелось бы видеть над головой постоянно
черное небо. Небо меняет цветНебо
не всегда бывает голубого цвета, оно имеет свойство менять цвет. Все,
наверное, замечали, что иногда оно беловатое, иногда иссиня-черное…
Почему так? Например, ночью, когда солнце не посылает свои лучи, мы
видим небо не голубым, атмосфера кажется нам прозрачной. И сквозь
прозрачный воздух, человек может увидеть планеты и звезды. А днем,
голубой цвет снова надежно спрячет от посторонних глаз таинственный
космос.
Раздел 2 - обычное, довольно-таки полное объяснение
Почему небо голубое - очень 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.
Но начнем сначала. 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 и 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? Не которые 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.
Объяснение почему
небо голубое. 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.
Раздел 3 - сложное объяснение с применением формул и теорем
Сейчас
мы дадим ответ на этот вопрос, причем не абстрактно, используя какие-то
общие понятия, а конкретно, основываясь на формулах и физических
законах.
Главная причина, почему небо голубое, кроется в
зависимости интенсивности рассеянного света от частоты. Все объясняет
"Рэлеевский закон синего неба". Оказывается, что синий свет рассеивается
каждым атомом гораздо сильнее, чем например, красный.
Красный
цвет неба на закате объясняется тем, что проходя через большую толщу
воздуха, синий цвет очень сильно поглащается и остается только красный. А
когда солнце высоко - поглащение мало, и небо голубое.
Мои
слова легко проверить на опыте. Возьмите стеклянную банку с водой и
лампу. Добавьте в воду несколько капель молока и перемешайте. Направьте
пучок света от лампы через воду так, чтобы видеть пучок либо в
рассеянном на молекулах молока свете (наблюдение под углом), либо глядя
прямо на пучок через воду. Обратите внимание на синюю окраску
рассеянного света (при наблюдении под углом) и на красноватый оттенок
при наблюдении источника света по прямой линии через банку.
Чувствуете,
мы уже приближаемся к ответу на вопрос "почему небо голубое"! Чтобы
получить полную картину явления, надо слегка повозиться с формулами.
Кому лень или кто не силен в физике, можно сразу перейти к последнему
абзацу. Но тогда полного понимания процессов и законов не будет и почему небо синее - останется загадкой.
Рассмотрим
электрон в «молекуле молока», находящийся в установившемся состоянии
колебаний, под действием электрического поля бегущей электромагнитной
волны, созданной источником света. Если пучок света от диполя направлен
вдоль одной оси (например, z), то электрическое поле в бегущей волне имеет только x- и y-компоненты. Будем рассматривать только x-компоненту (y-компонента дает тот же результат). Далее, будем рассматривать заданный «цвет», то есть определенную частоту. x-компонента электрического поля в месте нахождения молекулы молока равна:
Это самое обычное уравнение бегущей волны.
Представим связь электрона с ядром в молекуле молока как пружину с коэффициентом жесткости, выражаемым формулой:
Пренебрежем резонансным взаимодействием, то есть будем считать, что частота внешнего воздействия далека от резонансной частоты.
Физикам
нетрудно вспомнить (а если трудно, не расстраивайтесь - значит
вы просто нормальный человек), что в этом случае уравнение движения
электрона имеет вид:
В установившемся состоянии x(t) является гармоническим колебанием с определенной частотой. Поэтому:
Излучение, происходящее при гармоническом колебании заряда, представляет собой излучение диполя.
Поэтому полная мощность излучения определяется известным равенством:
Так
как собственная частота колебаний велика по сравнению с частотами
видимого цвета. Поэтому в последнем уравнении можно преобразовать
знаменатель - разделить на частоту и пренебречь единицей - малой
величиной. Тогда получим, что интенсивность рассеянного света будет
пропорциональна четвертой степени частоты внешнего воздействия или
обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.
Все, мы почти ответили на вопрос «Почему небо синего цвета?». Потерпите, осталоь совсем немного.
Полученная зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны - это «рэлеевский закон синего неба».
Отношение длины волны красного света (6500 А) к длине волны синего
света (4500 А) равно 65/45 = 1,44. Четвертая степень этого отношения
равна 4,3. Таким образом, согласно «релеевскому закону синего неба»,
интенсивность рассеиваемого синего света примерно в четыре раза больше,
чем интенсивность рассеиваемого красного.
Таким образом: небо синее, так как длина волны синего света самая короткая. Из-за этого он рассеивается сильнее других.
Ура, победа! Мы полностью, без всяких недомолвок, дали ответ на вопрос «Почему небо голубое?». Теперь Вы с уверенностью можете сказать, что знаете причину, по которой небо синего цвета.
|
