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

Академик Павлов: человек, без которого мир был бы другим Академик Павлов: человек, без которого мир был бы другим

Но не все себе представляют, каким в обычной жизни был академик Павлов

Караван историй
9 признаков, указывающих на неверность супруга 9 признаков, указывающих на неверность супруга

Скрывая свою неверность, люди, как правило, ведут себя примерно одинаково

Psychologies
Наши высочества Наши высочества

Интервью с высокими и талантливыми актрисами сериала «Дылды»

Maxim
Кажется, пора бежать Кажется, пора бежать

Словарь абьюзера — разбираемся в тонкостях совсем не тонких понятий

P.I.C. Partner In Crime
Сердце коллектива Сердце коллектива

Не спешим влюбляться в коллегу: сначала просчитываем варианты развития событий

VOICE
Корабль-призрак Корабль-призрак

Как генерал де Голль боролся с долларом США

Деньги
Ученые вывели формулу, по которой можно узнать, сколько вашей собаке или кошке лет Ученые вывели формулу, по которой можно узнать, сколько вашей собаке или кошке лет

Ученым удалось вывести формулу вычисления возраста собак не пальцем в небо

ТехИнсайдер
Техника множественного оргазма для мужчин: как сделать ему массаж лингама Техника множественного оргазма для мужчин: как сделать ему массаж лингама

Никогда не слышала о массаже лингама? Это техника, о которой стоит узнать!

VOICE
Мой друг барабашка Мой друг барабашка

Как забрать домового с собой при переезде

Лиза
«Нaполеон» «Нaполеон»

Еще один псевдопарижанин, павший в бою наших представлений о европейской кухне

КАНТРИ Русская азбука
Врагу не пожелаешь: 5 самых страшных тюрем в мире Врагу не пожелаешь: 5 самых страшных тюрем в мире

Рассказываем про самые жуткие тюрьмы в мире

ТехИнсайдер
«В России это самый неизвестный человек»: как отечественный ученый Владимир Хавкин спас мир от холеры и чумы «В России это самый неизвестный человек»: как отечественный ученый Владимир Хавкин спас мир от холеры и чумы

Как жил и работал создатель вакцин от холеры и чумы Владимир Хавкин

ТехИнсайдер
Красная, черная, белая Красная, черная, белая

Вино, варенье и еще 8 заготовок из смородины

Лиза
Адыгейский сыр Адыгейский сыр

Аутентичный ответ русского юга фете, моцарелле и маскарпоне

КАНТРИ Русская азбука
«Родина» самых впечатляющих разрядов, красные эльфы и редкий спрайт: 50 фактов о молнии, которые полезно узнать каждому «Родина» самых впечатляющих разрядов, красные эльфы и редкий спрайт: 50 фактов о молнии, которые полезно узнать каждому

О молниях можно говорить вечно! Это одно из самых грозных явлений природы

ТехИнсайдер
Скворцов. Плотников. Горошко Скворцов. Плотников. Горошко

Плотников, Скворцов и Горошко на реабилитации после шоковой психотерапии

Собака.ru
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
Наследие под угрозой: почему природный парк в России признали всемирной ценностью Наследие под угрозой: почему природный парк в России признали всемирной ценностью

Про лодки «кенозерки» и чем Стоунхендж похож на Кавказский заповедник

Forbes
Планета БИБЛИОРАН Планета БИБЛИОРАН

Что скрывается за тяжелыми дверями библиотеки Российской Академии наук?

Знание – сила
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
«Дайте свет!»: почему энергосистемы мира не справляются с жарой и энергопереходом «Дайте свет!»: почему энергосистемы мира не справляются с жарой и энергопереходом

Почему энергосистемы не выдерживают жару? Можно ли решить эту проблему?

Forbes
Помпеи — сундук с сокровищами, который никогда не перестанет удивлять Помпеи — сундук с сокровищами, который никогда не перестанет удивлять

В Инсуле 10 был обнаружен триклиний, украшенный невероятной красоты фресками

Наука
Записки солдата Первой мировой Записки солдата Первой мировой

Нас было 45 человек, лица всех закопчены дымом и в грязи

Знание – сила
В США врачи научились находить «идеальные» эмбрионы: почему их обвиняют в евгенике В США врачи научились находить «идеальные» эмбрионы: почему их обвиняют в евгенике

Технология Orchid позволяет обнаружить заболевания еще на стадии эмбриона

Psychologies
Как пережить расставание Как пережить расставание

Мучают воспоминания, все вокруг говорит о недавнем романе? Стоп!

Лиза
ЭКО в TikTok: как клиники репродуктивной медицины осваивают рынок инфлюенсеров ЭКО в TikTok: как клиники репродуктивной медицины осваивают рынок инфлюенсеров

ЭКО в TikTok: хорошая репрезентация или неэтичная реклама медицинских услуг?

Forbes
Мария Куликова: «Мы расписались в МФЦ. Я была в спортивном костюме» Мария Куликова: «Мы расписались в МФЦ. Я была в спортивном костюме»

Мы все рефлексирующие ребята, особенно артисты, у нас вообще расшатанные нервы

Караван историй
Тебе запрещено медитировать, если у тебя есть эти проблемы: какие и почему — объясняет психотерапевт Тебе запрещено медитировать, если у тебя есть эти проблемы: какие и почему — объясняет психотерапевт

Кому запрещено медитировать, чтобы не случилось проблем?

VOICE
Андрей Золотарев: «Я долго работал журналистом, и это было хорошее время» Андрей Золотарев: «Я долго работал журналистом, и это было хорошее время»

Сценарист Андрей Золотарев об искусстве написания сценария

Монокль
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
Открыть в приложении