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

Научная мозаика Научная мозаика

Взаимосвязь картофеля с гипертонией, польза сиесты и разница между звездами

Санкт-Петербургский университет
9 способов заслужить родительский авторитет 9 способов заслужить родительский авторитет

9 шагов к формированию прочного родительского авторитета

Psychologies
Можно ли приручить землетрясение? Можно ли приручить землетрясение?

Что мы знаем о землетрясениях?

Наука и жизнь
Ученые узнали, какой тип клетчатки помогает худеть Ученые узнали, какой тип клетчатки помогает худеть

Что, если ключ к похудению все это время лежал в вашей тарелке для завтрака?

ТехИнсайдер
Впервые за 10 лет пустыня Атакама расцвела зимой Впервые за 10 лет пустыня Атакама расцвела зимой

Впервые за десятилетие растения в пустыне Атакама начали цвести в середине зимы

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
Трогать запрещается! Трогать запрещается!

Какие ядовитые растения могут омрачить летний отдых на природе?

Здоровье
Апокалипсис не страшен Апокалипсис не страшен

Главные правила инвестирования, чтобы не потерять голову и совершить ошибку

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Как остановить кровь: капиллярное, артериальное, венозное кровотечение Как остановить кровь: капиллярное, артериальное, венозное кровотечение

Как остановить кровотечение: от надавливания до наложения жгута

РБК
Фрагментация глобальной экономики Фрагментация глобальной экономики

О процессах фрагментации глобальной экономики

Деньги
У кого не болит поясница? У кого не болит поясница?

Как избежать болей в пояснице и укрепить мышцы спины?

Здоровье
Джеймс Уэбб сделал снимок холодного газового гиганта в 6 раз больше Юпитера Джеймс Уэбб сделал снимок холодного газового гиганта в 6 раз больше Юпитера

Астрономы сделали снимок планеты в шесть раз массивнее Юпитера

ТехИнсайдер
Без шанса на удачу: 5 фактов о дуэли Пушкина, которые вы могли не знать Без шанса на удачу: 5 фактов о дуэли Пушкина, которые вы могли не знать

Рассказываем 5 фактов о дуэли Пушкина, которые вы могли не знать

ТехИнсайдер
3 причины, почему вы переживаете из-за бывшей вашего мужчины 3 причины, почему вы переживаете из-за бывшей вашего мужчины

Почему наличие бывшей у партнера заставляет нас чувствовать себя неуверенно?

Psychologies
Ностальгия по СССР: куда советские туристы плавали в зарубежные круизы Ностальгия по СССР: куда советские туристы плавали в зарубежные круизы

Как в СССР продвигался международный туризм

ТехИнсайдер
12 фраз, которые используют люди с высоким эмоциональным интеллектом 12 фраз, которые используют люди с высоким эмоциональным интеллектом

Можно ли сказать, что у вас развит эмоциональный интеллект? Давайте проверим

Psychologies
Умные полимеры в медицине Умные полимеры в медицине

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

Наука и жизнь
Все побежали и я побежал Все побежали и я побежал

Почему марафоны и тренинги только уводят дальше от цели

VOICE
Багряная ткань возрастом 3800 лет найдена в Пещере Черепов у Мертвого моря Багряная ткань возрастом 3800 лет найдена в Пещере Черепов у Мертвого моря

Небольшой фрагмент ткани возрастом 3800 лет был найден в Иудейской пустыне

ТехИнсайдер
Самцы белощекой казарки посидели на гнездах в отсутствие самок Самцы белощекой казарки посидели на гнездах в отсутствие самок

Некоторые самцы казарки садились на гнезда, когда самки временно покидали их

N+1
Не держит ручник: причины, и что делать, если не работает ручной тормоз Не держит ручник: причины, и что делать, если не работает ручной тормоз

Все о ручнике: почему не работает и как отрегулировать своими руками

РБК
Альцгеймер в сахаре Альцгеймер в сахаре

Как ученые связывают болезнь Альцгеймера и сахарный диабет?

Наука
Цукаты Цукаты

Рассказываем, как, где и когда возникла идея засахаривать фрукты

КАНТРИ Русская азбука
Кризис романтических отношений? Вот почему у людей любовь не клеится: точное объяснение! Кризис романтических отношений? Вот почему у людей любовь не клеится: точное объяснение!

Как создать здоровые романтические отношения?

ТехИнсайдер
83% компаний могут пропустить кибератаку из-за недостатков мониторинга инфраструктуры 83% компаний могут пропустить кибератаку из-за недостатков мониторинга инфраструктуры

83% организаций в ходе мониторинга кибербезопасности сталкиваются с проблемами

Forbes
Нобелевские премии по физике в контексте истории Нобелевские премии по физике в контексте истории

Почему Нобелевскую премию Эйнштейну дали так поздно?

Наука и жизнь
Самые неприхотливые и выносливые кроссоверы дешевле ₽1,5 млн Самые неприхотливые и выносливые кроссоверы дешевле ₽1,5 млн

Предложения кроссоверов на вторичном рынке дешевле 1,5 млн руб.

РБК
Поговорим начистоту Поговорим начистоту

Ритуал очищения кожи летом должен быть особым

Лиза
16 признаков, что в семье вы «козел отпущения» 16 признаков, что в семье вы «козел отпущения»

Об особой форме психоэмоционального насилия, «синдроме козла отпущения»

Psychologies
10 причин вашего несчастья 10 причин вашего несчастья

Почему вы можете чувствовать себя несчастными и что можно с этим сделать

Psychologies
Открыть в приложении