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

Ксения Таран: «Благодарна Касаткиной, Бурдонскому, Чурсиной за то, что преподали мне свои уроки!» Ксения Таран: «Благодарна Касаткиной, Бурдонскому, Чурсиной за то, что преподали мне свои уроки!»

Театр — это живой организм: как ты к нему относишься, так он и отвечает

Коллекция. Караван историй
В своих стенах В своих стенах

Советы, чтобы сэкономить при выборе обоев

Лиза
«Ковёр» на Ковентри «Ковёр» на Ковентри

«Любое нападение с воздуха на гражданских противоречит законам ведения войны»

Дилетант
«Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки «Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки

Как развить навык самоподдержки?

Psychologies
«Кажется, это что-то серьезное»: как бороться с мнительностью и ипохондрией «Кажется, это что-то серьезное»: как бороться с мнительностью и ипохондрией

Как же избавиться от страха и ипохондрии и перестать болеть?

Psychologies
Крис Пратт, Кевин Костнер, Риз Уизерспун: сколько актеры зарабатывают на сериалах Крис Пратт, Кевин Костнер, Риз Уизерспун: сколько актеры зарабатывают на сериалах

Знаменитые актеры все чаще отдают предпочтение сериалам

Forbes
5 правил, как сделать тренировку на улице комфортной 5 правил, как сделать тренировку на улице комфортной

Что нужно учитывать, если вы собираетесь тренироваться на улице?

Maxim
Поиск баланса Поиск баланса

Как в текущих условиях решать задачи обеспечения технологического суверенитета

Деньги
«Страсти революции: Эмоциональная стихия 1917 года» «Страсти революции: Эмоциональная стихия 1917 года»

Как демонстрация против Временного правительства обернулась беспорядками

N+1
Ёжики в томатном соусе Ёжики в томатном соусе

Если вы думали, что ёжики – это не от хорошей жизни, смеем вас в этом разуверить

КАНТРИ Русская азбука
Самок лягушек заподозрили в сексуальном каннибализме Самок лягушек заподозрили в сексуальном каннибализме

Зоологи зафиксировали попытку золотистой литории съесть потенциального партнера

N+1
Типичный «бздых»: каких туристов больше всего не любят на морских курортах Типичный «бздых»: каких туристов больше всего не любят на морских курортах

Как стать туристом, которому нигде не будут рады?

Psychologies
10 заблуждений о деменции, которые могут испортить жизнь вашему близкому или вам самим 10 заблуждений о деменции, которые могут испортить жизнь вашему близкому или вам самим

Основные распространенные заблуждения о деменции

Psychologies
Рационализаторская и изобретательская деятельность: влияние на инновации и производство Рационализаторская и изобретательская деятельность: влияние на инновации и производство

Особенности и отличия рационализаторской и изобретательской деятельности

Наука и техника
Бери выше! Бери выше!

6 фильмов, которые помогут поднять самооценку

Лиза
3 способа, которые заставят мужчин слушать женщину 3 способа, которые заставят мужчин слушать женщину

Как быть в ситуации, когда мужчина снисходительно относится к женскому мнению?

Psychologies
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
В гостях у природы В гостях у природы

Курилы — острова, на которых всем заправляет Ее Величество Природа

Y Magazine
Психолог Владимир Дашевский: «Не надо лечить человека от самого себя» Психолог Владимир Дашевский: «Не надо лечить человека от самого себя»

Врач-психотерапевт о том, что можно и нельзя говорить в кабинете у психолога

Maxim
«Извините, автор умер». Как смотреть фильмы Бергмана и Антониони «Извините, автор умер». Как смотреть фильмы Бергмана и Антониони

Чем похожи Антониони и Бергман и как правильно смотреть их фильмы?

СНОБ
Франчайзинг в ресторанном бизнесе: возврат инвестиций, масштабирование, реновация Франчайзинг в ресторанном бизнесе: возврат инвестиций, масштабирование, реновация

Какие бизнес-стратегии окупаются быстрее всего и как избежать рисков

Forbes
На помощь придут антиоксиданты На помощь придут антиоксиданты

Что поможет восполнить недостаток антиоксидантов?

Здоровье
Кругосветка по-новгородски Кругосветка по-новгородски

Как можно увидеть мировые достопримечательности, не покидая Россию

Лиза
Дело о рыбаках и рыбке Дело о рыбаках и рыбке

Преступная деятельность в Минрыбхозе СССР

Дилетант
12 фраз, означающих, что вы эмоционально умнее большинства людей 12 фраз, означающих, что вы эмоционально умнее большинства людей

Фразы, которые отражают интеллектуальные компетенции

Maxim
Три единицы нового поколения Три единицы нового поколения

Детальный обзор второго корпуса моторной яхты Majesty 111

Y Magazine
Больше чем муза Ницше и ученица Фрейда: как Лу Саломе стала влиятельным философом Больше чем муза Ницше и ученица Фрейда: как Лу Саломе стала влиятельным философом

История писательницы, философа и психоаналитика Лу Саломе

Forbes
В магазин за рекламными продуктами: что мешает развитию рынка ретейл-медиа в России В магазин за рекламными продуктами: что мешает развитию рынка ретейл-медиа в России

Почему рынок ретейл-медиа в России развивается так неравномерно?

Forbes
Шалит в отпуске: хирург назвал главные способы защитить сердце в жаркую погоду Шалит в отпуске: хирург назвал главные способы защитить сердце в жаркую погоду

Что может случиться с сердцем в отпуске и как избежать рисков

ТехИнсайдер
Троцкизм, как и было сказано Троцкизм, как и было сказано

Как с помощью «троцкизма» Сталин решил подорвать авторитет Троцкого

Дилетант
Открыть в приложении