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

Полностью многоразовая ракетаноситель от фирмы Stoke Space Полностью многоразовая ракетаноситель от фирмы Stoke Space

Как Stoke Space решает проблему повторного использования вторых ступеней ракет

Наука и техника
Умные полимеры в медицине Умные полимеры в медицине

Что такое умные полимеры и почему их использование в медицине так важно?

Наука и жизнь
Профессия: вивисектор Профессия: вивисектор

Замкнутый круг насилия: ревизия фильмографии мастера страшных парадоксов

Weekend
Замужем за неизвестным Замужем за неизвестным

История одного брака, который превратился в сущий ад

P.I.C. Partner In Crime
Альцгеймер в сахаре Альцгеймер в сахаре

Как ученые связывают болезнь Альцгеймера и сахарный диабет?

Наука
Историк культуры Андрей Зорин: «Нельзя недооценивать то, чего можно добиться силой» Историк культуры Андрей Зорин: «Нельзя недооценивать то, чего можно добиться силой»

С чем связан рост ожесточения и откуда у молодежи ностальгия по прошлому

Forbes
Зачистка социального болота: 5 плюсов и минусов культуры отмены Зачистка социального болота: 5 плюсов и минусов культуры отмены

Приводит ли культура отмены к истинной справедливости?

Psychologies
«Услужливая диктатура» и крупный капитал: 12 лет вместе «Услужливая диктатура» и крупный капитал: 12 лет вместе

Отношения германского национал-социализма и крупного капитала были не простыми

Дилетант
Я всегда с собой беру... Я всегда с собой беру...

Несколько простых, но неочевидных средств, которые выручат в экстренной ситуации

Новый очаг
Завтрак на траве Завтрак на траве

Как легко, без спешки и, главное, правильно подготовиться к пикнику?

Лиза
Проблема поколения? Исследование: молодежь на работе страдает из-за одиночества и недооцененности Проблема поколения? Исследование: молодежь на работе страдает из-за одиночества и недооцененности

Почему молодые работники испытывают чувство одиночества на работе?

ТехИнсайдер
Блины Блины

Блины для нас – это и наше солнце, и целая Вселенная

КАНТРИ Русская азбука
«Самое главное — не идти на компромисс с собственной совестью» «Самое главное — не идти на компромисс с собственной совестью»

Как устроен рынок производства полуфабрикатов и готовой еды

Монокль
Державинские «университеты» Державинские «университеты»

«Нравом и обычаем каторжник, а познаниями невежда», – так был наречен Иосиф Розе

Знание – сила
Из нефти в «нефть» по-менделеевски Из нефти в «нефть» по-менделеевски

Можно ли найти более экологичный и выгодный способ утилизации пластика?

Наука и жизнь
«Без технóты нет работы у пилотов». Обслуживание авиатехники «Без технóты нет работы у пилотов». Обслуживание авиатехники

Из каких этапов состоит техобслуживание летательных аппаратов

Наука и техника
Радость моя, твоя, наша Радость моя, твоя, наша

Факт есть факт: мы получаем удовольствие от разных вещей. Почему это происходит?

Лиза
Лайфхак для отпуска! Вот какие вещи можно забрать с собой из гостиничного номера Лайфхак для отпуска! Вот какие вещи можно забрать с собой из гостиничного номера

Какие вещи можно, а какие нельзя забирать как сувенир из отеля

ТехИнсайдер
ТОП-3 растительных масел для готовки ТОП-3 растительных масел для готовки

Лучшие полезные растительные масла, которые сделают ваши блюда вкусными

ТехИнсайдер
Сухарно-судебная драма Сухарно-судебная драма

На протяжении двух недель Петербургский окружной суд ломился от светской публики

Дилетант
Лифт в космос: бред или возможное будущее, которое нам устроят японцы? Лифт в космос: бред или возможное будущее, которое нам устроят японцы?

Можно ли построить лифт в космос? Зачем он нужен?

ТехИнсайдер
Что не так в системе Сатурна и что такое «Титан» Что не так в системе Сатурна и что такое «Титан»

Когда и почему система Сатурна стала неправильной?

Наука и техника
«Презренный человек» «Презренный человек»

Эта статья была опубликована в газете «Правда» 24 августа 1940 года без подписи

Дилетант
По полной программе: кто и как зарабатывает на разработчиках в ходе хакатонов По полной программе: кто и как зарабатывает на разработчиках в ходе хакатонов

Какие бывают хакатоны и какую пользу они приносят участникам и организаторам

Forbes
Японский островок Японский островок

Как превратить свой загородный участок в оазис умиротворения и покоя

Лиза
«Количество параллелей неправдоподобно огромное» «Количество параллелей неправдоподобно огромное»

Александр Родионов о сериале «Чистые», проститутках и хулиганах в 1903 году

Weekend
Как проверить жесткость воды в домашних условиях: элементарные методы Как проверить жесткость воды в домашних условиях: элементарные методы

Наиболее простые способы узнать жесткость воды в доме или квартире

ТехИнсайдер
7 подручных средств: чем заменить гантели для тренировки в домашних условиях 7 подручных средств: чем заменить гантели для тренировки в домашних условиях

Чем дома заменить инвентарь для силовых тренировок?

ТехИнсайдер
О природе постыдного: чем занимались нейробиологи в караоке О природе постыдного: чем занимались нейробиологи в караоке

Почему люди краснеют от стыда и смущения?

СНОБ
Инновационные технологии в банковской сфере Инновационные технологии в банковской сфере

Современные тренды финтеха: чего ждать в ближайшем будущем

Наука и техника
Открыть в приложении