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

Самый гуманный сюр в мире Самый гуманный сюр в мире

10 самых сюрреалистичных советских мультфильмов

Weekend
За что умер Иван Сусанин? За что умер Иван Сусанин?

Кем был Иван Сусанин и чем он прославился?

Дилетант
20 ответов на простые вопросы о сексе 20 ответов на простые вопросы о сексе

Честные ответы на самые простые вопросы про это

Playboy
В АКРА оценили длительность перегрева российской экономики В АКРА оценили длительность перегрева российской экономики

Перегрев экономики в России может пойти на спад уже в ближайшие месяцы

Forbes
Спасайся, кто может: врач рассказал, как уберечь себя от удара молнии в грозу Спасайся, кто может: врач рассказал, как уберечь себя от удара молнии в грозу

Какие правила безопасности нужно соблюдать, чтобы защититься от удара молнии

ТехИнсайдер
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
Замужем за неизвестным Замужем за неизвестным

История одного брака, который превратился в сущий ад

P.I.C. Partner In Crime
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
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
Голь на выдумки хитра (часть 2) Голь на выдумки хитра (часть 2)

Как советские женщины проявляли смекалку в погоне за красотой и модой

Лиза
Что такое True Tone на iPhone и как правильно настроить эту функцию Что такое True Tone на iPhone и как правильно настроить эту функцию

Собрали все факты о True Tone: как настроить и что это вообще такое

CHIP
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
Акция «В постели за мир» Акция «В постели за мир»

Лежачий протест Джона Леннона и Йоко Оно против войны во Вьетнаме

Дилетант
Как интроверту и экстраверту понять друг друга Как интроверту и экстраверту понять друг друга

Чем мы отталкиваем друг друга и можем ли впоследствии изменить мнение о знакомом

Psychologies
Статус или свобода: как разные поколения зарабатывают и тратят деньги Статус или свобода: как разные поколения зарабатывают и тратят деньги

Чем отличаются представления о ценности денег у разных поколений?

Psychologies
Не мы такие, кино такое Не мы такие, кино такое

10 безжалостных режиссеров-садистов

Weekend
Марк Эйдельштейн: «Предпочитаю не загадывать на будущее» Марк Эйдельштейн: «Предпочитаю не загадывать на будущее»

Актер (и краш) Марк Эйдельштейн привез из Канн творческую свободу

VOICE
Из Сумрака и обратно: как «Ночной дозор» изменил российское кино 20 лет назад Из Сумрака и обратно: как «Ночной дозор» изменил российское кино 20 лет назад

Как именно и что изменила экранизация книг Сергея Лукьяненко

Правила жизни
Все просто, все включено Все просто, все включено

«Убойный отпуск»: Михалкова и Робак разыгрывают еще один семейный кризис

Weekend
И ты, Иван? И ты, Иван?

Почему гетман Иван Мазепа предал своего царя?

Дилетант
«Криворукие гуманоиды», или Поговори со мной, машина! «Криворукие гуманоиды», или Поговори со мной, машина!

Мог ли чат GPT появиться в России и почему Китай скоро обгонит США

Наука
Ту-104 против De Havilland Comet: чем похожи судьбы двух первых реактивных авиалайнеров Ту-104 против De Havilland Comet: чем похожи судьбы двух первых реактивных авиалайнеров

Ту-104 и Comet: судьба первых гражданских реактивных самолетов

ТехИнсайдер
Екатерина Волкова: «Возможность уделять внимание близким – большая ценность» Екатерина Волкова: «Возможность уделять внимание близким – большая ценность»

Екатерина Волкова о тонкостях воспитания детей и отношении к возрасту

Здоровье
Россия выпала из топ-10 самых DDoS-атакуемых стран на фоне выборов по всему миру Россия выпала из топ-10 самых DDoS-атакуемых стран на фоне выборов по всему миру

Россия покинула список десяти самых DDoS-атакуемых стран мира

Forbes
Зонд DART увидел омоложение поверхности Диморфа Зонд DART увидел омоложение поверхности Диморфа

Как планетологи составили портрет системы астероидов Дидим и Диморф

N+1
Что делают пилоты, если самолет попадает в зону турбулентности: неожиданный ответ Что делают пилоты, если самолет попадает в зону турбулентности: неожиданный ответ

Может ли тряска привести к авиакатастрофе?

ТехИнсайдер
Знать меру Знать меру

Как и с чем есть шашлык, чтобы не навредить желудку и фигуре

Лиза
Почему терроризм вернулся в Дагестан Почему терроризм вернулся в Дагестан

Как теракты напомнили о запутанном клубке противоречий в Республике Дагестан

Монокль
У кого не болит поясница? У кого не болит поясница?

Как избежать болей в пояснице и укрепить мышцы спины?

Здоровье
Болезнь грязных рук Болезнь грязных рук

Как защитить ребенка от гепатита А и что делать, если он ее уже под хватил?

Лиза
Открыть в приложении