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

Пряничная избушка Пряничная избушка

Рассказ Павла Пепперштейна о пряниках и сказках

Правила жизни
«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
Новая дисциплина Новая дисциплина

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

Maxim
Почему слышен хруст при повороте руля и как это исправить Почему слышен хруст при повороте руля и как это исправить

Хруст при повороте руля — тревожный знак. Но где именно кроется неисправность?

РБК
Мотивация на добро: как бизнесу получить налоговый вычет за благотворительность Мотивация на добро: как бизнесу получить налоговый вычет за благотворительность

Как правильно оформить пожертвование и как получить за него вычет

Inc.
8 правил езды на велосипеде в экстремальную жару: когда за бортом +40, а кататься хочется 8 правил езды на велосипеде в экстремальную жару: когда за бортом +40, а кататься хочется

Существует много способов облегчить организму адаптацию к жаре в поездке

ТехИнсайдер
Илья Куруч Илья Куруч

Илья Куруч, неутомимый филантроп с большим сердцем и идеальной челкой

Собака.ru
Ребенок на даче. Как обеспечить безопасность детей во время летнего отдыха Ребенок на даче. Как обеспечить безопасность детей во время летнего отдыха

Все вопросы, связанные с безопасностью детского дачного отдыха

Лиза
Ручьи сольются — реки Ручьи сольются — реки

Каков общий фронт активности КНР в Арктике?

Монокль
Над облаками Над облаками

Интерьер, в котором соединились лаконичность экостиля и эстетика бохо

SALON-Interior
Горячая Земля: что такое глобальное потепление и к чему оно может привести планету Горячая Земля: что такое глобальное потепление и к чему оно может привести планету

Какие последствия рукотворного разогрева планеты ждут людей?

Forbes
10 причин есть персики все лето 10 причин есть персики все лето

Персики могут защитить от рака и потери влаги кожей

ТехИнсайдер
Ай да роль! Российские актеры, сыгравшие Пушкина в кино – кто больше похож? Ай да роль! Российские актеры, сыгравшие Пушкина в кино – кто больше похож?

Кому из российских актеров удалось точнее других попасть в образ Пушкина

VOICE
Валерий Гаркалин: «Моя будущая жена подумала, что я от нее сбежал» Валерий Гаркалин: «Моя будущая жена подумала, что я от нее сбежал»

«Мы не копили деньги, я не дарил Кате бриллианты и шубы»

Коллекция. Караван историй
Солнечные и лунные люди: кто они такие и как определить свой тип Солнечные и лунные люди: кто они такие и как определить свой тип

Как на нас влияют Солнце и Луна?

VOICE
Екатерина Гусева: «На гастроли ездим всей семьей. Хочется разделить с родными незабываемые впечатления!» Екатерина Гусева: «На гастроли ездим всей семьей. Хочется разделить с родными незабываемые впечатления!»

Самое дорогое для меня сейчас — это мое личное свободное время

Караван историй
Подтеков нет, но антифриз уходит. Куда, почему, и что с этим делать Подтеков нет, но антифриз уходит. Куда, почему, и что с этим делать

Все о падении уровня антифриза: куда уходит, что смотреть, как чинить

РБК
Чарт с ними Чарт с ними

Нейросети научились подражать известным музыкантам и писать собственные хиты

СНОБ
Кто такие мужчины-грызуны и почему они нравятся женщинам Кто такие мужчины-грызуны и почему они нравятся женщинам

«Мужчины-грызуны»: как появился этот термин и почему опасно прикипать к типажам?

Psychologies
История чемпионата Европы по футболу: факты, которые вы могли не знать об этом соревновании История чемпионата Европы по футболу: факты, которые вы могли не знать об этом соревновании

Экскурс в историю Чемпионата Европы по футболу

ТехИнсайдер
От шпионского скандала до сотрудничества с УЕФА. Кто создал Лигу чемпионов и Тур де Франс? От шпионского скандала до сотрудничества с УЕФА. Кто создал Лигу чемпионов и Тур де Франс?

Как появилась Лига чемпионов и при чем тут Тур де Франс?

СНОБ
Икс таинственный, великий Икс таинственный, великий

Как икс стал символом неизвестного?

Наука и жизнь
«Она работала в бутике в Бирюлево»: российские ситкомы 2000-х — от худшего к лучшему «Она работала в бутике в Бирюлево»: российские ситкомы 2000-х — от худшего к лучшему

Список из самых популярных ситкомов, вышедших с 2001 по 2010 год

Правила жизни
6 фильмов-победителей Забайкальского международного кинофестиваля 2024 года 6 фильмов-победителей Забайкальского международного кинофестиваля 2024 года

Кино Забайкальского международного кинофестиваля 2024, которое стоит посмотреть

Psychologies
Сергей Лазарев: «Я не пытаюсь всем угодить» Сергей Лазарев: «Я не пытаюсь всем угодить»

Сергей Лазарев сегодня — один из самых успешных артистов российской сцены

ЖАРА Magazine
Куплен по случаю Куплен по случаю

Чудесный склад антикварных находок в двухэтажной постройке XV века

Seasons of life
Вопросы веры и анорексии Вопросы веры и анорексии

«Клуб "Зеро"»: еще один ноль этой планете

Weekend
Михаил Лабковский назвал четыре запрета, которые помогут вам стать счастливее Михаил Лабковский назвал четыре запрета, которые помогут вам стать счастливее

От каких установок нужно отказаться, чтобы сохранить душевное равновесие?

Psychologies
Это должен знать каждый хозяин: как помочь собаке справиться с жарой Это должен знать каждый хозяин: как помочь собаке справиться с жарой

Как ответственным хозяевам помочь питомцу чувствовать себя комфортно в жару

ТехИнсайдер
Как организовать питание в поездке? Как организовать питание в поездке?

Проблемы с питанием, которые могут возникнуть в путешествии

Psychologies
Открыть в приложении