Почему пасмурное небо серое, а ясное - голубое? Различные гипотезы Почему небо голубое? (гипотезы Гете, Ньютона, ученых XVIII в., Рэлея).

ГИПОТЕЗА: План работы: Изучить, что собой представляет свет; Исследовать изменение цвета прозрачной среды от угла падения световых лучей; Дать научное объяснение наблюдаемому явлению Изменения цвета неба связано с углом попадания световых лучей в атмосферу Земли.

Теоретическая часть Все видели, как переливаются всеми цветами радуги, грани хрусталя, мелкие капли росы. Что же происходит? Ведь на прозрачные бесцветные тела падают лучи белого солнечного света. Эти явления людям известны давно. Долгое время считалось, что белый свет самый простой, а создаваемые цвета – это особые свойства некоторых тел.

1865 год. Джеймс Максвелл. Создал теорию электромагнитных волн. Свет- это ЭМВ год. Генрих Герц открыл способ создания и распространения ЭМВ.

Свет –это электромагнитные волны, представляющие совокупность волн, имеющих различную длину. Нашим зрением мы воспринимаем небольшой интервал длин ЭМВ как свет. Все вместе эти волны дают нам белый свет. А если выделить какую-то часть волн из этого интервала, то мы воспринимаем их как свет, имеющий какую-то окраску. Всего выделяют семь основных цветов.

Ход эксперимента: Наполняем контейнер (аквариум) водой; Добавляем в воду немного молока (это частицы пыли) Направляем свет от фонарика сверху на воду; Это цвет неба в полдень. Изменяем угол падения света на воду от 0 до 90. Наблюдаем за изменением цвета.

Вывод: Изменение цвета неба зависит от угла, под которым световые лучи попадают в атмосферу Земли. Цвет неба меняется в течение суток от голубого до красного. А когда свет не попадает в атмосферу, то в данном месте Земли наступает ночь. Ночью при благоприятной погоде к нам доходит свет от далёких звёзд и светит отражённым светом Луна.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение.

Играя на улице, я однажды обратил внимание на небо, оно было необыкновенное: бездонное, бесконечное и голубое, голубое! И лишь облака слегка прикрывали этот голубой цвет. Я задумался, а почему небо окрашено в голубой цвет? Тут же вспомнилась песенка лисы Алисы из сказки про Буратино «Какое небо голубое…!» и урок географии, где мы, изучая тему «Погода» описывали состояние неба, и тоже говорили, что оно голубого цвета. Так все - таки, почему небо голубое? Придя домой, я задал этот вопрос маме. Она мне рассказала, что когда люди плачут, они просят у неба помощи. Небо забирает их слезинки, поэтому оно как, озеро, становится голубым. Но рассказ мамы не удовлетворил мой вопрос. Я решил выяснить у своих одноклассников и учителей, знают ли они, почему небо голубое? В анкетировании приняли участие 24 ученика и 17 педагогов. Обработав анкеты, получили следующие результаты:

В школе на уроке географии этот вопрос я задал учителю. Она мне ответила, что цвет неба можно легко объяснить с точки зрения физики. Это явление называется дисперсией. Из википедии я узнал, что дисперсия - это процесс разложения света на спектр. Учитель по географии Лариса Борисовна предложила мне пронаблюдать это явление опытным путем. И мы отправились в кабинет физики. Василий Александрович, преподаватель физики нам охотно согласился в этом помочь. При помощи специального оборудования мне удалось проследить, как в природе происходит процесс дисперсии.

Для того, чтобы найти ответ на вопрос почему небо голубое мы решили провести исследование. Так появилась идея написания проекта. С моим руководителем мы определили тему, цель и задачи исследования, выдвинули гипотезу, определили методы исследования и механизмы реализации нашей идеи.

Гипотеза : свет на Землю посылает Солнце и чаще всего, когда мы смотрим на него, он нам кажется ослепительно белым. Значит и небо должно быть белого цвета? Но на самом деле небо голубое. В ходе исследования найдем объяснения этим противоречиям.

Цель : найти ответ на вопрос, почему небо голубое и выяснить, от чего зависит его цвет.

Задачи: 1. Ознакомиться с теоретическим материалом по теме

2. Экспериментально изучить явление дисперсии света

3. Понаблюдать за цветом неба в разное время суток и при разной погоде

Объект исследования : небо

Предмет: свет и цвет неба

Методы исследования: анализ, эксперимент, наблюдение

Этапы работы:

1. Теоретический

2. Практический

3. Заключительный: выводы по теме исследования

Практическое значение работы : материалы исследования можно использовать на уроках географии и физики в качестве учебного модуля.

2. Основная часть.

2.1. Теоретические аспекты проблемы. Явление голубого неба с точки зрения физики

Почему небо голубое - очень трудно найти ответ на такой простой вопрос. Сначала дадим определение понятию. Небо — пространство над Землёй или поверхностью любого другого астрономического объекта. В целом, небом обычно называют панораму, открывающуюся при взгляде с поверхности Земли (или другого астрономического объекта) в направлении космоса.

Многие ученые ломали себе головы в поисках ответа. Леонардо да Винчи, наблюдая за огнем в камине, писал: «Светлота поверх темноты становится синей». Но сегодня известно, что слияние белого и черного цвета дает серый цвет.

Рис. 1. Гипотеза Леонардо да Винчи

Исаак Ньютон почти объяснил цвет неба, правда, для этого ему пришлось допустить, что капли воды, содержащиеся в атмосфере имеют тонкие стенки наподобие мыльных пузырей. Но оказалось, что эти капли являются сферами, а значит, не имеют толщины стенки. Так мыльный пузырь Ньютона и лопнул!

Рис. 2. Гипотеза Ньютона

Наилучшее решение проблемы около 100 лет назад предложил английский физик лорд Джон Рэлей. Но начнем сначала. Солнце излучает ослепительно белый свет, значит и цвет неба должен быть таким же, но оно все-таки голубое. Что происходит с белым светом в атмосфере? Он, проходя через атмосферу, как через призму, распадается на семь цветов. Вам наверняка известны эти строчки: каждый охотник желает знать, где сидит фазан. В этих предложениях сокрыт глубокий смысл. Они представляют нам основные цвета в спектре видимого света.

Рис. 3. Спектр белого света.

Лучшая природная демонстрация этого спектра, конечно же, радуга.

Рис. 4 Спектр видимого света

Видимый свет - это электромагнитное излучение, волны которого имеют разную длину. Есть и не видимый свет, его наш глаз не воспринимает. Это ультрафиолетовый и инфракрасный. Мы его не видим, потому что его длина либо слишком велика, либо слишком мала. Видеть свет, значит воспринимать его цвет, а вот какой цвет мы будем увидеть, зависит от длины волны. Самые длинные видимые волны - красные, а самые короткие - фиолетовые.

От длины волны зависит еще и способность света к рассеиванию, то есть, к распространению в среде. Красные световые волны рассеиваются хуже всех, а вот синий и фиолетовый цвета обладают высокой способностью к рассеиванию.

Рис. 5. Способность света к рассеиванию

И, наконец, то мы приблизились вплотную к ответу на наш вопрос, а почему же небо голубое? Как уже говорилось выше, белый цвет - это смесь всех возможных цветов. при столкновении с молекулой газа, каждый из семи цветовых компонентов белого света рассеивается. При этом свет с более длинными волнами рассеивается хуже, чем свет с короткими волнами. Из-за этого в воздухе остается в 8 раз больше синего спектра, чем красного. Хотя самая короткая волна у фиолетового цвета, небо все равно кажется голубым из-за смешения фиолетовых и зеленых волн. Кроме того, наши глаза лучше воспринимают голубой цвет, чем фиолетовый, при одинаковой яркости обоих. Именно эти факты и определяют цветовую гамму неба: атмосфера буквально наполнена лучами сине-голубого цвета.

Однако, небо голубое не всегда. В течение дня мы видим небо синим, голубым, серым, вечером - красным (Приложение 1). Почему закат красный? 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 атмосфере, не доходя до Земли, а более длинные световые волны красного спектра доходят до поверхности Земли, окрашивая небо в красные и желтые тона. Изменение цвета небо явно связаны с вращением Земли вокруг своей оси, а значит углом падения света на Землю.

2.2. Практические аспекты. Экспериментальный путь решения проблемы

В кабинете физике я познакомился с прибором спектрограф. Василий Александрович, учитель физики рассказал мне принцип работы данного прибора, после чего я самостоятельно провел опыт, который называется дисперсия. Луч белого света, проходя через призму, преломляется и на экране мы видим радугу (Приложение 2). Этот опыт помог мне понять, как на небе появляется это удивительное творение природы. С помощью спектрографа ученые сегодня могут получать информацию о составе и свойствах различных веществ.

Фото 1. Демонстрация опыта дисперсии в

кабинете физики

Получить радугу мне захотелось и в домашних условиях. Мой учитель географии, Лариса Борисовна рассказала, как можно это сделать. Аналогом спектрографа стали стеклянная емкость с водой, зеркало, фонарик и белый лист бумаги. В емкость с водой помещаем зеркало, сзади емкости ставим белый лист бумаги. Направляем на зеркало свет фонарика, так, чтобы отраженный свет падал на бумагу. На листе бумаги вновь появилась радуга! (Приложение 3). Опыт лучше проводить в затемненной комнате.

Мы уже говорили выше, что белый свет по сути уже содержит в себе все цвета радуги. Убедиться в этом и, собрать все цвета обратно в белый, можно сделав радужный волчок (Приложение 4). Если его сильно раскрутить, цвета будут сливаться и диск приобретет белый цвет.

Не смотря на научное объяснение образования радуги, это явление остается одним из загадочных оптических зрелищ в атмосфере. Смотрите и наслаждайтесь!

3. Заключение

В поисках ответа на так часто задаваемый родителям детский вопрос «Почему небо голубое?» я очень много узнал для себя интересного и поучительного. Противоречия в нашей гипотезе сегодня имеют научное объяснение:

Весь секрет в цвете неба в нашей атмосфере - в воздушной оболочке планеты Земля.

Белый луч солнца, проходя через атмосферу, распадается на лучи семи цветов.

Красные и оранжевые лучи - самые длинные, а голубые - самые короткие.

Голубые лучи меньше других достигают Земли, и небо оказывается благодаря этим лучам пронизано голубым цветом

Небо не всегда окрашено в голубой цвет и это связано с осевым движением Земли.

Опытным путем нам удалось наглядно представить и понять, как происходит дисперсия в природе. На классном часе в школе я рассказал своим одноклассникам, почему небо имеет голубой цвет. Также было интересно узнать, где можно наблюдать явление дисперсии в нашей повседневной жизни. Я нашел несколько практических областей применения этого уникального явления (Приложение 5). В дальнейшем мне хотелось бы и дальше изучать небо. Сколько еще оно таит в себе загадок? Какие явления еще происходят в атмосфере и, какова их природа? Как они влияют на человека и все живое на Земле? Возможно, это и будут темы моих будущих исследований.

Список литературы

1. Википедия - свободная энциклопедия

2. Л.А. Маликова. Электронное пособие по физике «Геометрическая оптика»

3. Перышкин А.В. Физика. 9 класс. Учебник. М.: Дрофа, 2014, с.202-209

4. htt;/www. voprosy-kak-ipochemu.ru

5. Личный фото-архив «Небо над Голышманово»

Приложение 1.

«Небо над Голышманово» (личный фото архив)

Приложение 2.

Дисперсия света при помощи спектрографа

Приложение 3.

Дисперсия света в домашних условиях

«радуга»

Приложение 4.

Радужный волчок

Волчок в состоянии покоя Волчок в процессе вращения

Приложение 5.

Дисперсия в жизни человека

Бриллиант Огни на борту самолета

Фары автомобиля

Светоотражающие знаки

Красоту неба не раз изображали художники, описывали писатели и поэты, даже люди, очень далекие от искусства, засматриваются в эту манящую бездну, восхищаются нею, не находя ни слов, ни достаточных эмоций для выражения тех чувств, которые бередят душу и разум. Высь притягивает человека в любом амплуа, она прекрасна своей кристальной голубой гладью, не менее привлекательны и ее бурлящие потоки бело-серых туч, сменяемых легкими вкраплениями перистых облаков или пышных кучевых «барашков». И сколь бы меланхолично ни выглядело пасмурное небо, обволакивающее своей глубиной, оглушающее и давящее всей массой, оно также вызывает бурю эмоций и переживаний, навевая мысли на особую волну.

Красоту видит смотрящий

Каждый человек по-своему воспринимает мир. Для одних он угрюмый и серый, другие, наоборот, видят лишь цветущую, зеленую, исполненную красок планету. Также неодинаково оцениваем мы небеса над нашими головами. Если брать во внимание человека с обычным цветовым восприятием, то он будет видеть небосвод таким, как принято его считать - голубым, серым, розоватым на закате, дымчато-сизым на рассвете.

На деле же эти краски - это лишь то, что способны передать нам наши глаза и мозг. Зрению людей проще всего воспринять пасмурное небо серым. В ясную погоду над головами у нас бескрайняя лазурь, на деле же атмосферный купол ближе фиолетовому оттенку, если смотреть на него со стороны Земли.

В данной публикации мы выясним, почему небо в пасмурный день серое и то, от чего зависит насыщенность этой окраски, также узнаем, как его расцветка меняется на протяжении суток и года и что влияет на эти процессы.

Бездонный океан в вышине

Над территорией Европейских стран небосвод в теплую пору года обычно поражает своим насыщенным Иногда о нем можно сказать, что оно синее-синее. Однако если уделить тому, что происходит над нашими головами, хотя бы один день и внимательно понаблюдать за природными процессами, то можно заметить градацию цвета, который очень сильно меняется с момента восхода солнца и до того момента, как оно полностью сядет.

Летом небо кажется таким чистым и визуально высоким из-за низкой влажности, отсутствия большого количества облаков, которые, накапливая воду, постепенно опускаются все ближе к земле. В ясную погоду наш взгляд смотрит даже не на сотни метров вперед, а на расстояние, равное 1-1,5 км. Поэтому и воспринимаем мы небо столь высоким и ярким - отсутствие помех на пути световых лучей в атмосфере способствует тому, чтобы они не преломлялись, а глаза воспринимали его цвет именно голубым.

Почему небо меняет цвет

Такая перемена описана наукой, правда, не столь живописно, как писателями, и называется диффузным излучением неба. Если говорить простым и доступным для читателя языком, то объяснить процессы цветообразования небес можно так. Свет, который излучает солнце, проходит сквозь воздушную прослойку вокруг Земли, она его рассеивает. Проще этот процесс происходит с волнами короткой длины. Во время максимального подъема небесного светила над нашей планетой, в точке, расположенной вне его направления, будет наблюдаться самый яркий и насыщенный голубой цвет.

Однако когда солнце садится или встает, его лучи проходят по касательной к поверхности Земли, свету, излучаемому ими, нужно проходить более долгий путь, а значит и рассеваются в воздухе они в гораздо большей мере, чем днем. В результате человек воспринимает утром и вечером небо в розовых и красных тонах. Сильнее всего это явление видно, когда над нами пасмурное небо. Облака и тучи тогда становятся очень яркими, зарево садящегося солнца окрашивает их в потрясающие

Грозовая сталь

Но что такое пасмурное небо? Почему оно становится таким? Это явление выступает одним из звеньев круговорота воды природе. Поднимаясь ввысь в виде пара, водяные частички попадают в атмосферный слой с более низкой температурой. Накапливаясь и охлаждаясь на большой высоте, они соединяются между собой, превращаясь в капли. В тот момент, когда эти частицы еще очень малы, и предстают нашему взору красивые белые кучевые облака. Однако чем большими становятся капли, тем больше в тучах серого.

Иногда, глядя на небо, по которому проплывают эти огромные «барашки», можно увидеть, что одна их часть окрашена в серый цвет, другие и вовсе приобретают стальной грозовой оттенок. Такая трансформация объясняется тем, что капли в облаках имеют разную величину и форму, поэтому и свет они преломляют по-разному. Когда небо пасмурное абсолютно, оно сплошь окрашено в мышино-серые тона, до нас доходит только белый свет.

Необъятные дымчатые просторы

Бывают такие дни, когда серое пасмурное небо не имеет ни единого просвета. Так происходит, когда концентрация облаков и туч очень высокая, они обволакивают все зрительное пространство в вышине. Иногда они воспринимаются как огромная давящая масса, готовая обрушиться на голову. Причем наиболее характерно такое явление продемонстрировано осенью и зимой, когда температура воздуха низкая, а вот влажность, наоборот высокая и находится на уровне 80-90 %.

В такие дни облака очень сильно приближены к земной поверхности, они располагаются всего в сотне-другой метров от нее. Описание пасмурного неба часто имеет меланхоличные и депрессивные нотки, и связано это, скорее всего, именно с теми ощущениями, которые возникают, когда чувствуешь себя один на один с этой мрачной громадиной, готовой низвергнуться на тебя дождем и холодом.

А все могло быть иначе…

То, какими тонами играет небосвод, зависит от интенсивности светового излучения и длины волн, достигающих планеты, поэтому зимой даже в ясные дни он сизо-голубой. Но чем ближе весна и выше расположение солнца, тем ярче его синева, особенно в дни, когда рассеивается дымка в верхних слоях атмосферы, искажающая попадание света.

Ученые выяснили, что на других планетах небо вовсе может не иметь привычных для нас голубых и серых цветов, на Марсе, к примеру, оно розовое даже в разгар светового дня.

Цвет неба при разных состояниях погоды бывает различным, меняясь от белесоватого до интенсивно синего. Теория, объясняющая цвет неба была разработана Рэлеем.

По этой теории цвет неба объясняется тем, что лучи солнца, многократно отражаясь от молекул воздуха и мельчайших частичек пыли, рассеиваются в атмосфере. Световые волны разной длины рассеиваются молекулами неодинаково: молекулы воздуха рассеивают преимущественно коротковолновую часть видимого солнечного спектра, т.е. голубые, синие и фиолетовые лучи, а так как интенсивность фиолетовой части спектра невелика сравнительно с голубой и синей частями, то небо и представляется голубым или синим.

Значительная яркость небесного свода объясняется тем, что земная атмосфера имеет значительную толщу и свет рассеивается громадным числом молекул.

На больших высотах, например, при наблюдениях с космических кораблей, над головой наблюдателя остаются разряженные слои атмосферы с меньшим числом молекул, рассеивающих свет, а следовательно, и яркость небесного свода уменьшается. Небо кажется темнее, его цвет с увеличением высоты меняется. Небо кажется темнее, его цвет с увеличением высоты меняется от тёмно-синего до тёмно-фиолетового. Очевидно, что на ещё больших высотах и за пределами атмосферы небо представляется наблюдателю чёрным.

Если воздух содержит большое количество относительно крупных частиц, то эти частицы рассеивают и более длинные световые волны. В этом случае небо приобретает белесоватый цвет. Крупные водяные капли, или водяные кристаллики, из которых состоят облака, приблизительно одинаково рассеивают все спектральные цвета, и облачное небо имеет поэтому бледно-серый цвет.

Это подтверждают проведённые наблюдения, в ходе которых отмечались метеорологические условия и соответствующий цвет неба над городом Новокузнецком.

Характерные оттенки в цвете неба 28-29 ноября обусловлены присутствием промышленных выбросов, которые концентрируются в воздухе с понижением температуры и отсутствием ветра.

На цвет неба влияет также характер и цвет земной поверхности, а также плотность атмосферы.

Экспоненциальный закон убывания плотности атмосферы с высотой.

Барометрическая формула описывает убывание плотности атмосферы с высотой в общих чертах; она не учитывает ветра, конвекционных потоков, изменений температуры. Кроме того, высота не должна быть слишком большой, чтобы можно было пренебрегать зависимостью ускорения g от высоты.

Барометрическую формулу связывают с именем австрийского физика Людвига Больцмана. Но первые указания на экспоненциальный характер убывания плотности воздуха с высотой содержались фактически в исследованиях Ньютона по рефракции света в атмосфере и были использованы при составлении уточнённой таблицы рефракции.

Графики, приведённые показывают, как в процессе исследования астрономической рефракции уточнялись представления об общем характере изменения показателя преломления атмосферы с высотой.

• соответствует теории Кеплера
• первоначальной ньтоновской теории рефракции
• уточнённой ньютоновской и современной теории рефракции света в атмосфере

Рефракция света в атмосфере

Атмосфера представляет собой оптически неоднородную среду, поэтому траектория светового луча в атмосфере всегда в какой-то степени криволинейна. Искривление световых лучей при прохождении через атмосферу называют рефракцией света в атмосфере.

Различают астрономическую и земную рефракцию. В первом случае рассматривается искривление световых лучей, приходящих к земному наблюдателю от небесных тел. Во втором случае рассматривается искривление световых лучей, приходящих к наблюдателю от земных объектов. В обоих случаях вследствие искривления световых лучей наблюдатель может видеть объект не в том направлении, которое соответствует действительности; объект может казаться искажённым. Возможно наблюдение объекта даже тогда, когда тот фактически находится за линией горизонта. Таким образом, рефракция света в земной атмосфере может приводить к своеобразным обманам зрения.

Допустим, что атмосфера состоит из набора оптически однородных горизонтальных слоёв одинаковой толщины; показатель преломления скачком меняется от одного слоя к другому, постепенно увеличиваясь в направлении от верхних слоёв к нижним. Такая чисто умозрительная ситуация показана.

В действительности плотность атмосферы, а следовательно, и её показатель преломления изменяются с высотой не скачками, а непрерывно. Поэтому траектория светового луча представляет собой не ломаную, а кривую линию.

Предположим, что изображённый на рисунке луч проходит к наблюдателю от некоторого небесного объекта. Если бы не было рефракции света в атмосфере, то этот объект был бы виден наблюдателю под углом ά . Вследствие рефракции наблюдатель видит объект не под углом ά, а под углом φ. Поскольку φ ά, то объект кажется находящимся выше над горизонтом, чем это есть на самом деле. Иначе говоря, наблюдаемое зенитное расстояние объекта меньше действительного зенитного расстояния. Разность Ώ = ά – φ называют углом рефракции.

Согласно современным данным максимальный угол рефракции составляет 35" .

Когда наблюдатель следит за закатом Солнца и видит, как нижний край светила коснулся линии горизонта, в действительности в данный момент этот край уже находится на 35" ниже линии горизонта. Интересно, что верхний край солнечного диска приподнимается рефракцией слабее – только на 29" . Поэтому заходящее Солнце кажется немного сплюснутым по вертикали.

Удивительное в солнечных закатах

Рассматривая рефракцию света, необходимо учитывать наряду с систематическим изменением плотности воздуха с высотой также и ряд дополнительных факторов, многие из которых имеют достаточно случайный характер. Речь идёт о влиянии на показатель преломления воздуха конвекционных потоков и ветра, температуры воздуха в разных точках атмосферы над разными участками земной поверхности.

Особенности состояния атмосферы и прежде всего особенности прогревания атмосферы в нижних её слоях над различными участками земной поверхности приводят к своеобразию наблюдаемых закатов Солнца.

Слепая полоса. Иногда Солнце кажется заходящим не за линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом. Такое явление наблюдается в отсутствие какой-либо облачности на горизонте. Если в это время подняться на вершину холма, то можно наблюдать ещё более странную картину: теперь Солнце заходит за линию горизонта, но при этом солнечный диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой», положение которой по отношению к линии горизонта сохраняется неизменным. Эти необычные солнечные закаты можно увидеть, по словам очевидцев, в разных географических областях, например, в п. Большой камень Приморского края и г. Сочи Краснодарского края.

Такая картина наблюдается, если воздух около самой Земли оказывается холодным, а выше располагается слой относительно тёплого воздуха. В этом случае показатель преломления воздуха изменяется с высотой примерно так, как это показано на графике; переход от нижнего холодного слоя воздуха к лежащему над ним тёплому может приводить к довольно резкому спаду показателя преломления. Для простоты примем, что этот спад совершается скачком и что поэтому между холодным и тёплым слоями существует чётко выраженная поверхность раздела, находящаяся на некоторой высоте h1 над поверхностью Земли. На рисунке через nx обозначен показатель преломления воздуха в холодном слое, а через nт – в тёплом слое вблизи границы с холодным.

Показатель преломления воздуха очень мало отличается от единицы, поэтому для большей наглядности по вертикальной оси на этом рисунке отложены значения не самого показателя преломления, а его превышения над единицей, т.е. разность n-1.

Картина изменения показателя преломления, представленная на рис.4б), использована при построении хода лучей на рисунке 5, где изображены часть поверхности земного шара и примыкающий к ней слой холодного воздуха толщиной hο.

Если постепенно увеличивать φ, начиная от нуля, при этом угол α2 также будет увеличиваться. Предположим, что при некотором значении φ = φ´ угол α2 становится равным предельному углу αο , отвечающему полному внутреннему отражению на границе холодного и тёплого слоёв; в этом случае sin α1 = 1. Углу αο соответствует на рисунке 5 луч ВА; он образует с горизонталью угол β = 90˚ - φ´. К наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, угловая высота которых над горизонтом меньше, чем угловая высота точки В, т.е. меньше угла β. Тем самым получает объяснение слепая полоса.

Зелёный луч. Зелёным лучом называют очень эффектную вспышку зелёного света, наблюдаемую иногда при заходе и восходе Солнца. Продолжительность вспышки составляет всего 1-2сек. Явление состоит в следующем: если Солнце заходит при ясном небе, то при достаточной прозрачности воздуха иногда можно наблюдать, как последняя видимая точка Солнца быстро меняет свой цвет от бледно-жёлтого или оранжево-красного до ярко-зелёного. При восходе Солнца можно наблюдать то же явление, но с обратным порядком чередования цветов.

Возникновение зелёного луча можно объяснить, если принять во внимание изменение показателя преломления с частотой света.

Обычно показатель преломления растёт с увеличением частоты. Лучи с более высокой частотой преломления сильнее. Значит, сине-зелёные лучи претерпевают более сильную рефракцию по сравнению с красными лучами.

Допустим, что рефракция света в атмосфере есть, а рассеивания света нет. В этом случае верхний и нижний края солнечного диска вблизи линии горизонта должны были бы быть окрашенными в цвета радуги. Пусть в спектре солнечного света имеются всего два цвета – зелёный и красный; «белый» солнечный диск можно рассматривать в данном случае в виде наложенных друг на друга зелёного и красного дисков. Рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зелёный диск в большей степени, чем красный. Поэтому наблюдатель должен был бы видеть заходящее Солнце таким, каким оно показано на рис. 6а) . Верхний край солнечного диска был бы зелёным, а нижний красным; в центральной же части диска наблюдалось бы смешение цветов, т.е. наблюдался бы белый цвет.

В действительности же нельзя не учитывать рассеяние света в атмосфере. Оно приводит к тому, что из светового пучка, идущего от Солнца, выбывают более эффективно лучи с более высокой частотой. Так что зелёной каёмки сверху диска не будет видно, а весь диск будет выглядеть не белым, а красноватым. Если, однако, почти весь солнечный диск ушёл за горизонт, остался лишь самый верхний его краешек, и при этом стоит ясная и тихая погода, воздух чист, то в этом случае наблюдатель может увидеть ярко-зелёный край Солнца вместе с россыпью ярких зелёных лучей

Когда ветер накидывает на красивое голубое небо белую пушистую прозрачную накидку, люди начинают всё чаще посматривать наверх. Если оно при этом ещё и надевает на себя большую серую шубу с серебряными нитями дождя, то окружающие прячутся от него под зонтами. Если наряд тёмно-фиолетового цвета, то все сидят дома и желают увидеть солнечное голубое небо.

И только когда появляется такое долгожданное солнечное голубое небо, которое одевает на себя ослепительно голубое платье, украшенное золотистыми солнечными лучами, люди радуются – и улыбаясь, покидают дома в ожидании хорошей погоды.

Вопрос о том, почему небо голубое, волновал людские умы ещё с незапамятных времён. Греческие легенды нашли свой ответ. Они утверждали, что этот оттенок ему придаёт чистейший горный хрусталь.

Во времена Леонардо да Винчи и Гете также искали ответ на вопрос, почему небо голубое. Они считали, что голубой цвет неба получается при смешивании света с темнотой. Но позже эта теория была опровергнута как несостоятельная, поскольку оказалось, что комбинируя эти цвета, можно получить лишь тона серого спектра, но никак не цветного.

Через некоторое время ответ на вопрос, почему небо голубое, попытались объяснить в 18 веке Мариотт, Бугер и Эйлер. Они считали, что это естественный цвет частиц, из которых состоит воздух. Теория эта была популярна даже в начале следующего века, особенно когда было установлено, что жидкий кислород – голубого, а жидкий озон – синего тонов.

Первым более-менее толковую идею подал Соссюр, который предположил, чтобы если бы воздух был полностью чистым, без примесей, небо оказалось бы чёрным. Но поскольку атмосфера содержит в себе различные элементы (например, пар или водяные капли), то они, отражая цвет, придают небу нужный оттенок.

После этого учёные начали всё ближе и ближе подбираться к истине. Араго открыл поляризацию, одну из характеристик рассеянного света, который отбивается от небосвода. В этом открытии ученому однозначно помогла физика. Позже искать ответ принялись и другие исследователи. При этом вопрос, почему небо голубое настолько интересовал ученых, что для его выяснения было проведено огромное количество различных экспериментов, которые привели к мысли, что главная причина появления голубого цвета в том, что лучи нашего Солнца попросту рассеиваются в атмосфере.

Объяснение

Первым, кто создал математически обоснованный ответ молекулярного рассеяния света, оказался британский исследователь Рэлей. Он выдвинул предположение, что свет рассеивается не из-за примесей, которыми обладает атмосфера, а из-за самих молекул воздуха. Его теория получила развитие – и вот к каким выводам пришли учёные.

Солнечные лучи пробиваются на Землю через её атмосферу (толстый слой воздуха), так называемую воздушную оболочку планеты. Темное небо полностью наполнено воздухом, который несмотря на то, что полностью прозрачен, пустотой не является, а состоит из молекул газа – азота (78%) и кислорода (21%), а также водяных капель, пара, ледяных кристаллов и небольших кусочков твёрдого материала (например, частичек пыли, сажи, пепла, океанской соли и т.п.).

Некоторым лучам удаётся свободно пройти между газовыми молекулами, полностью минуя их, а потому без изменений достигнуть поверхности нашей планеты, но большинство лучей сталкиваются с газовыми молекулами, которые приходят в возбуждённое состояние, получают энергию и выпускают в различные стороны разноцветные лучи, полностью окрашивая небо, в результате чего мы видим солнечное голубое небо.

Белый свет сам по себе состоит из всех цветов радуги, которую нередко можно увидеть, когда он раскладывается на составные части. Так получилось, что молекулы воздуха больше всего рассеивают синий и фиолетовый цвета, поскольку они являются наиболее короткой частью спектра, поскольку имеют наименьшую длину волны.

При смешивании в атмосфере синего и фиолетового цветов с небольшим количеством красного, жёлтого и зелёного, небо начинает «светиться» голубым цветом.

Поскольку атмосфера нашей планеты не однородна, а довольно разная (возле поверхности Земли более плотная, чем наверху), она имеет разную структуру и свойства, мы можем наблюдать переливы голубого цвета. Перед закатом или восходом, когда длина солнечных лучей значительно увеличивается, синие и фиолетовые цвета рассеиваются в атмосфере и до поверхности нашей планеты абсолютно не доходят. Успешно добираются жёлто-красные волны, которые мы и наблюдаем на небосводе в этот период времени.

В ночное время, когда солнечные лучи, попадая на определённую сторону планеты не имеют никакой возможности, атмосфера там становится прозрачной, и мы видим «чёрный» космос. Именно таким его видят астронавты, находящиеся над атмосферой. Стоит заметить, что космонавтам повезло, ведь, когда они находятся свыше 15 км над поверхностью земли, днём они могут одновременно наблюдать за Солнцем и звёздами.

Окрас неба на других планетах

Поскольку цвет неба во многом зависит от атмосферы, нет ничего удивительного в том, что на разных планетах оно различного цвета. Интересно, что такого же цвета, как на нашей планете, атмосфера у Сатурна.

Очень красивого аквамаринового цвета небеса Урана. Атмосфера на нём состоит в основном из гелия и водорода. В ней также присутствует метан, который полностью поглощает красный и рассеивает зелёный и голубой цвета. Синего цвета небеса Нептуна: в атмосфере этой планеты нет столько гелия и водорода, как у нашей, но много метана, который нейтрализует красный свет.

Атмосфера на Луне, спутнике Земли, а также на Меркурии и Плутоне полностью отсутствует, следовательно, световые лучи не отражаются, поэтому небесный свод здесь чёрный, а звёзды легко различимы. Синие и зелёные цвета солнечных лучей полностью поглощаются атмосферой Венеры, и когда Солнце возле горизонта, небеса здесь жёлтые.