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

Цифровые жулики Цифровые жулики

Как мошенники используют интернет-технологии для сделок с недвижимостью

Деньги
Самые неприхотливые и выносливые кроссоверы дешевле ₽1,5 млн Самые неприхотливые и выносливые кроссоверы дешевле ₽1,5 млн

Предложения кроссоверов на вторичном рынке дешевле 1,5 млн руб.

РБК
15 способов нравиться людям 15 способов нравиться людям

15 общеизвестных банальных правил: как нравиться людям

Maxim
Что нам зной Что нам зной

Это только кажется, что летом организму комфортнее, чем зимой

Лиза
Преступление-загадка! Как в Бангкоке нашли 6 мертвецов, которых отравили цианидом Преступление-загадка! Как в Бангкоке нашли 6 мертвецов, которых отравили цианидом

Как именно отравились цианидом трое мужчин и женщин в комнате, запертой изнутри?

ТехИнсайдер
Еда и напитки в самолете: что заказать, а от чего воздержаться Еда и напитки в самолете: что заказать, а от чего воздержаться

Стоит ли пить и есть в самолете: советы экспертов

РБК
Действие бездействия Действие бездействия

Почему «Три сестры» стали образцовой пьесой Нового времени

Weekend
«Севморпуть — это пока не бизнес. Это государственная задача» «Севморпуть — это пока не бизнес. Это государственная задача»

Сергей Чемко о буднях арктической морской логистики

Монокль
Домашний офис. Полезные идеи для обустройства рабочего места на удаленке Домашний офис. Полезные идеи для обустройства рабочего места на удаленке

Мебель для домашнего офиса должна соответствовать определенным требованиям

Лиза
Сериалу «Санта-Барбара» 40 лет! Как эпохальная мыльная драма изменила постсоветское и мировое телевидение Сериалу «Санта-Барбара» 40 лет! Как эпохальная мыльная драма изменила постсоветское и мировое телевидение

Один из самых известных ситкомов «Санта-Барбара» празднует юбилей

Правила жизни
Этот мужчина ворвался в магазин и украл только 6 кексов! История вежливого вора из Канады Этот мужчина ворвался в магазин и украл только 6 кексов! История вежливого вора из Канады

Вор вымыл пол, прежде чем украсть шесть шоколадных кексов с шампанским

ТехИнсайдер
«Человечество не допустит катастрофы»: как гаджеты меняют работу мозга — разбор с нейробиологами «Человечество не допустит катастрофы»: как гаджеты меняют работу мозга — разбор с нейробиологами

Что происходит с нашим мышлением и чувствами в условиях цифровой реальности?

Psychologies
Что мы рассказываем о себе, говоря о других: 5 примеров Что мы рассказываем о себе, говоря о других: 5 примеров

То, что мы больше всего критикуем и хвалим в других людях, говорит о нас самих

Psychologies
8 особенностей миллениалов, которые ненавидят зумеры 8 особенностей миллениалов, которые ненавидят зумеры

Почему зумеры находятся в серьезном конфликте с миллениалами?

Psychologies
Обмен любезностями Обмен любезностями

Противостояние Сталина и Троцкого в их в выступлениях и публицистических работах

Дилетант
Фанатские теории по «Назад в будущее», которые все меняют Фанатские теории по «Назад в будущее», которые все меняют

Док хотел покончить с собой, Марти мертв и куда пропали ховерборды?

Maxim
Ольга Сутулова: «Если ждать популярности и гонораров, они никогда не придут» Ольга Сутулова: «Если ждать популярности и гонораров, они никогда не придут»

Ольга Сутулова — о том, почему не хочет власти на площадке

VOICE
На лето к бабушке На лето к бабушке

Отправлять детей к бабушке на лето: потенциальные «за» и «против»

Новый очаг
Путешествия во времени и ядерный апокалипсис. Что ученые думают про фильмы Кристофера Нолана Путешествия во времени и ядерный апокалипсис. Что ученые думают про фильмы Кристофера Нолана

Вероятно ли воплощение научно-фантастических идей режиссера Кристофера Нолана?

СНОБ
Лыжи. Разрез. Девушка Лыжи. Разрез. Девушка

Кузбасс приятно открывать с близкой – интимной – дистанции

2Xplore
Болезнь Минамата: самое крупное в истории отравление ртутью Болезнь Минамата: самое крупное в истории отравление ртутью

Болезнь Минамата: как употребление загрязненных морепродуктов влияет на здоровье

ТехИнсайдер
Все умерли Все умерли

10 героев сериалов, которых прикончили их безжалостные авторы

Weekend
Урожай красоты Урожай красоты

Проверенные рецепты домашних масок из сезонных ягод, фруктов, овощей и злаков

Лиза
«На рынке венчурных инвестиций наступает переломный момент» «На рынке венчурных инвестиций наступает переломный момент»

Как простому россиянину заработать на инвестициях в новые сферы экономики

Деньги
Холодец Холодец

Легкость приготовления и удобство транспортировки холодца любили еще наши предки

КАНТРИ Русская азбука
Что делают с багажом, который отбирают у пассажиров в аэропорту Что делают с багажом, который отбирают у пассажиров в аэропорту

Что происходит с конфискуемыми у пассажиров самолетов вещами?

Maxim
Ребятам о зверятах Ребятам о зверятах

Росина Сефиен вышла на дейтинг-охоту и вернулась со славными трофеями

VOICE
«Денег нет, но вы держитесь»: 5 самых тяжелых случаев инфляции в истории «Денег нет, но вы держитесь»: 5 самых тяжелых случаев инфляции в истории

Самые тяжелые случаи инфляции с чрезвычайно высокими темпами в истории

ТехИнсайдер
16 признаков, что в семье вы «козел отпущения» 16 признаков, что в семье вы «козел отпущения»

Об особой форме психоэмоционального насилия, «синдроме козла отпущения»

Psychologies
Как выбрать телевизор: советы от специалиста Как выбрать телевизор: советы от специалиста

​​​​​​​Выбор телевизора — процесс, который требует комплексного подхода

ТехИнсайдер
Открыть в приложении