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

История необычного гибрида спиреи: от сада XIX века до природных популяций История необычного гибрида спиреи: от сада XIX века до природных популяций

История гибрида, обнаруженного в природе спустя столетие после его создания

Наука и жизнь
Платина обошла палладий Платина обошла палладий

Что происходит с ценами благородных металлов

Деньги
Новая дисциплина Новая дисциплина

Чемпионка мира, чемпионка Европы, призер Олимпийских игр – Евгения Медведева

Maxim
Революционный порядок и безопасность Революционный порядок и безопасность

Полномочия органов ОГПУ неуклонно расширялись...

Дилетант
Планета БИБЛИОРАН Планета БИБЛИОРАН

Что скрывается за тяжелыми дверями библиотеки Российской Академии наук?

Знание – сила
Delta IV: конец истории Delta IV: конец истории

Последний пуск ракеты-носителя семейства Delta IV

Наука и техника
Свобода от нарцисса: как защититься от вторжений после расставания Свобода от нарцисса: как защититься от вторжений после расставания

Как защититься от вторжений бывшего в вашу жизнь?

Psychologies
Дикие еноты решили головоломки с едой разными способами Дикие еноты решили головоломки с едой разными способами

Зоологи разместили ящики-головоломки с едой, и четверть енотов справились

N+1
В расцвете чувств В расцвете чувств

Летний сезон богат на события и неожиданные повороты в судьбе.

Лиза
Ученые выяснили, почему у статуй в Египте сломаны носы! Прочитайте и похвастайтесь знаниями Ученые выяснили, почему у статуй в Египте сломаны носы! Прочитайте и похвастайтесь знаниями

Зачем люди намеренно «ломали» древнеегипетским статуям носы?

ТехИнсайдер
Грамотный подход Грамотный подход

Об особенностях яхтенного детейлинга в беседе с Александром Трощинко

Y Magazine
Летние опыты Летние опыты

Спортивная активность летом: не будем пренебрегать мерами предосторожности

Лиза
Иван Купала: обычаи, приметы и гадания Иван Купала: обычаи, приметы и гадания

Зачем прыгать через костер, в чем суть куклы «Купавы» и какие травы собирать

Лиза
Ученые подтвердили, что птичий грипп передается между млекопитающими Ученые подтвердили, что птичий грипп передается между млекопитающими

Ученые доказали факт передачи птичьего гриппа от млекопитающего к млекопитающему

ТехИнсайдер
Заповедная Калмыкия Заповедная Калмыкия

Почему крупнейший заповедник Калмыкии носит название «Черные земли»?

Лиза
«Привет, как дела»: как понять все о мужчине по его сообщениям в мессенджере «Привет, как дела»: как понять все о мужчине по его сообщениям в мессенджере

Что переписка в мессенджере может рассказать о мужчине?

VOICE
«Не делайте больших перерывов в умственной работе» «Не делайте больших перерывов в умственной работе»

Самые яркие цитаты легендарной исследовательницы мозга Натальи Бехтеревой

Наука
Худеем быстро Худеем быстро

Семь способов сжечь больше калорий

Лиза
4 убедительные причины, почему взрослым детям не стоит жить с родителями 4 убедительные причины, почему взрослым детям не стоит жить с родителями

Чем же вредна для взрослых детей жизнь с родителями?

Psychologies
Полезная привычка на будущее: зачем и когда девочке идти к детскому гинекологу Полезная привычка на будущее: зачем и когда девочке идти к детскому гинекологу

Как подготовить дочь к первому визиту к гинекологу?

Forbes
Действие бездействия Действие бездействия

Почему «Три сестры» стали образцовой пьесой Нового времени

Weekend
Еще до прочтения сжечь: почему киберпреступники не снижают фишинговую активность Еще до прочтения сжечь: почему киберпреступники не снижают фишинговую активность

Почему фишинг остается наиболее эффективным способом социальной инженерии

Forbes
В 14 лет работал на ФБР, а в 15 лет стал наркобароном! Удивительная история подростка из США В 14 лет работал на ФБР, а в 15 лет стал наркобароном! Удивительная история подростка из США

Ричард Верше-младший раскрыл крупнейший коррупционный скандал в истории Детройта

ТехИнсайдер
Работа над ошибками: какие просчеты совершает бизнес при цифровой трансформации Работа над ошибками: какие просчеты совершает бизнес при цифровой трансформации

Какие ошибки мешают цифровой трансформации?

Forbes
Стиль «тихая роскошь» Стиль «тихая роскошь»

Zeelander 5 с полностью кастомным интерьером и ограниченной серией

Y Magazine
Пройти кастинг: на чем зарабатывают молодые актеры в России и как им помогают соцсети Пройти кастинг: на чем зарабатывают молодые актеры в России и как им помогают соцсети

Сколько могут получать актеры и какую роль в этом играют соцсети

Forbes
Кошачий десант: почему кошки всегда приземляются на лапы? И всегда ли это правило срабатывает? Кошачий десант: почему кошки всегда приземляются на лапы? И всегда ли это правило срабатывает?

Как кошкам удается менять положение тела в воздухе без посторонней помощи?

ТехИнсайдер
«Найти идею и правильно ее упаковать». Эксперты — о развитии туризма в России «Найти идею и правильно ее упаковать». Эксперты — о развитии туризма в России

Эксперты — о создании эффективного туристического продукта

СНОБ
Kawasaki показала первый в мире водородный мотоцикл: кажется, ДВС будет жить вечно Kawasaki показала первый в мире водородный мотоцикл: кажется, ДВС будет жить вечно

Создание мотоциклов на водороде оказалось крепким орешком для инженеров

ТехИнсайдер
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
Открыть в приложении