Почему небо бывает разного цвета

Цвет неба

Цвет неба при разных состояниях погоды бывает различным, меняясь от белесоватого до интенсивно синего. Теория, объясняющая цвет неба была разработана Рэлеем.

По этой теории цвет неба объясняется тем, что лучи солнца, многократно отражаясь от молекул воздуха и мельчайших частичек пыли, рассеиваются в атмосфере. Световые волны разной длины рассеиваются молекулами неодинаково: молекулы воздуха рассеивают преимущественно коротковолновую часть видимого солнечного спектра, т.е. голубые, синие и фиолетовые лучи, а так как интенсивность фиолетовой части спектра невелика сравнительно с голубой и синей частями, то небо и представляется голубым или синим.

Значительная яркость небесного свода объясняется тем, что земная атмосфера имеет значительную толщу и свет рассеивается громадным числом молекул.

На больших высотах, например, при наблюдениях с космических кораблей, над головой наблюдателя остаются разряженные слои атмосферы с меньшим числом молекул, рассеивающих свет, а следовательно, и яркость небесного свода уменьшается. Небо кажется темнее, его цвет с увеличением высоты меняется. Небо кажется темнее, его цвет с увеличением высоты меняется от тёмно-синего до тёмно-фиолетового. Очевидно, что на ещё больших высотах и за пределами атмосферы небо представляется наблюдателю чёрным.

Если воздух содержит большое количество относительно крупных частиц , то эти частицы рассеивают и более длинные световые волны. В этом случае небо приобретает белесоватый цвет. Крупные водяные капли, или водяные кристаллики, из которых состоят облака, приблизительно одинаково рассеивают все спектральные цвета, и облачное небо имеет поэтому бледно-серый цвет.

Это подтверждают проведённые наблюдения, в ходе которых отмечались метеорологические условия и соответствующий цвет неба над городом Новокузнецком.

Характерные оттенки в цвете неба 28-29 ноября обусловлены присутствием промышленных выбросов, которые концентрируются в воздухе с понижением температуры и отсутствием ветра.

На цвет неба влияет также характер и цвет земной поверхности , а также плотность атмосферы.

Экспоненциальный закон убывания плотности атмосферы с высотой.

Барометрическая формула описывает убывание плотности атмосферы с высотой в общих чертах; она не учитывает ветра, конвекционных потоков, изменений температуры. Кроме того, высота не должна быть слишком большой , чтобы можно было пренебрегать зависимостью ускорения g от высоты.

Барометрическую формулу связывают с именем австрийского физика Людвига Больцмана . Но первые указания на экспоненциальный характер убывания плотности воздуха с высотой содержались фактически в исследованиях Ньютона по рефракции света в атмосфере и были использованы при составлении уточнённой таблицы рефракции.

Графики, приведённые показывают, как в процессе исследования астрономической рефракции уточнялись представления об общем характере изменения показателя преломления атмосферы с высотой.

Случай

• соответствует теории Кеплера
• первоначальной ньтоновской теории рефракции
• уточнённой ньютоновской и современной теории рефракции света в атмосфере

Рефракция света в атмосфере

Атмосфера представляет собой оптически неоднородную среду, поэтому траектория светового луча в атмосфере всегда в какой-то степени криволинейна. Искривление световых лучей при прохождении через атмосферу называют рефракцией света в атмосфере.

Различают астрономическую и земную рефракцию. В первом случае рассматривается искривление световых лучей, приходящих к земному наблюдателю от небесных тел . Во втором случае рассматривается искривление световых лучей, приходящих к наблюдателю от земных объектов. В обоих случаях вследствие искривления световых лучей наблюдатель может видеть объект не в том направлении, которое соответствует действительности; объект может казаться искажённым. Возможно наблюдение объекта даже тогда, когда тот фактически находится за линией горизонта. Таким образом, рефракция света в земной атмосфере может приводить к своеобразным обманам зрения.

Допустим, что атмосфера состоит из набора оптически однородных горизонтальных слоёв одинаковой толщины; показатель преломления скачком меняется от одного слоя к другому, постепенно увеличиваясь в направлении от верхних слоёв к нижним. Такая чисто умозрительная ситуация показана.

В действительности плотность атмосферы, а следовательно, и её показатель преломления изменяются с высотой не скачками, а непрерывно. Поэтому траектория светового луча представляет собой не ломаную, а кривую линию.

Предположим, что изображённый на рисунке луч проходит к наблюдателю от некоторого небесного объекта. Если бы не было рефракции света в атмосфере, то этот объект был бы виден наблюдателю под углом ά . Вследствие рефракции наблюдатель видит объект не под углом ά, а под углом φ. Поскольку φ ά, то объект кажется находящимся выше над горизонтом, чем это есть на самом деле. Иначе говоря, наблюдаемое зенитное расстояние объекта меньше действительного зенитного расстояния. Разность Ώ = ά – φ называют углом рефракции.

Согласно современным данным максимальный угол рефракции составляет 35' .

Когда наблюдатель следит за закатом Солнца и видит, как нижний край светила коснулся линии горизонта, в действительности в данный момент этот край уже находится на 35' ниже линии горизонта. Интересно, что верхний край солнечного диска приподнимается рефракцией слабее – только на 29' . Поэтому заходящее Солнце кажется немного сплюснутым по вертикали.

Удивительное в солнечных закатах

Рассматривая рефракцию света, необходимо учитывать наряду с систематическим изменением плотности воздуха с высотой также и ряд дополнительных факторов, многие из которых имеют достаточно случайный характер. Речь идёт о влиянии на показатель преломления воздуха конвекционных потоков и ветра, температуры воздуха в разных точках атмосферы над разными участками земной поверхности.

Особенности состояния атмосферы и прежде всего особенности прогревания атмосферы в нижних её слоях над различными участками земной поверхности приводят к своеобразию наблюдаемых закатов Солнца.

Слепая полоса. Иногда Солнце кажется заходящим не за линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом . Такое явление наблюдается в отсутствие какой-либо облачности на горизонте. Если в это время подняться на вершину холма , то можно наблюдать ещё более странную картину: теперь Солнце заходит за линию горизонта, но при этом солнечный диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой», положение которой по отношению к линии горизонта сохраняется неизменным . Эти необычные солнечные закаты можно увидеть, по словам очевидцев, в разных географических областях, например, в п. Большой камень Приморского края и г. Сочи Краснодарского края.

Такая картина наблюдается, если воздух около самой Земли оказывается холодным, а выше располагается слой относительно тёплого воздуха. В этом случае показатель преломления воздуха изменяется с высотой примерно так, как это показано на графике ; переход от нижнего холодного слоя воздуха к лежащему над ним тёплому может приводить к довольно резкому спаду показателя преломления . Для простоты примем, что этот спад совершается скачком и что поэтому между холодным и тёплым слоями существует чётко выраженная поверхность раздела, находящаяся на некоторой высоте h1 над поверхностью Земли . На рисунке через nx обозначен показатель преломления воздуха в холодном слое, а через nт – в тёплом слое вблизи границы с холодным.

Показатель преломления воздуха очень мало отличается от единицы, поэтому для большей наглядности по вертикальной оси на этом рисунке отложены значения не самого показателя преломления, а его превышения над единицей, т.е. разность n-1.

Картина изменения показателя преломления, представленная на рис.4б), использована при построении хода лучей на рисунке 5, где изображены часть поверхности земного шара и примыкающий к ней слой холодного воздуха толщиной hο.

Если постепенно увеличивать φ, начиная от нуля, при этом угол α2 также будет увеличиваться. Предположим, что при некотором значении φ = φ´ угол α2 становится равным предельному углу αο , отвечающему полному внутреннему отражению на границе холодного и тёплого слоёв; в этом случае sin α1 = 1. Углу αο соответствует на рисунке 5 луч ВА; он образует с горизонталью угол β = 90˚ - φ´. К наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, угловая высота которых над горизонтом меньше, чем угловая высота точки В, т.е. меньше угла β. Тем самым получает объяснение слепая полоса.

Зелёный луч. Зелёным лучом называют очень эффектную вспышку зелёного света, наблюдаемую иногда при заходе и восходе Солнца. Продолжительность вспышки составляет всего 1-2сек. Явление состоит в следующем: если Солнце заходит при ясном небе, то при достаточной прозрачности воздуха иногда можно наблюдать, как последняя видимая точка Солнца быстро меняет свой цвет от бледно-жёлтого или оранжево-красного до ярко-зелёного. При восходе Солнца можно наблюдать то же явление, но с обратным порядком чередования цветов.

Возникновение зелёного луча можно объяснить, если принять во внимание изменение показателя преломления с частотой света.

Обычно показатель преломления растёт с увеличением частоты. Лучи с более высокой частотой преломления сильнее. Значит, сине-зелёные лучи претерпевают более сильную рефракцию по сравнению с красными лучами .

Допустим, что рефракция света в атмосфере есть, а рассеивания света нет. В этом случае верхний и нижний края солнечного диска вблизи линии горизонта должны были бы быть окрашенными в цвета радуги. Пусть в спектре солнечного света имеются всего два цвета – зелёный и красный; «белый» солнечный диск можно рассматривать в данном случае в виде наложенных друг на друга зелёного и красного дисков. Рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зелёный диск в большей степени, чем красный. Поэтому наблюдатель должен был бы видеть заходящее Солнце таким, каким оно показано на рис. 6а) . Верхний край солнечного диска был бы зелёным, а нижний красным; в центральной же части диска наблюдалось бы смешение цветов, т.е. наблюдался бы белый цвет.

В действительности же нельзя не учитывать рассеяние света в атмосфере. Оно приводит к тому, что из светового пучка, идущего от Солнца, выбывают более эффективно лучи с более высокой частотой. Так что зелёной каёмки сверху диска не будет видно, а весь диск будет выглядеть не белым, а красноватым. Если, однако, почти весь солнечный диск ушёл за горизонт, остался лишь самый верхний его краешек, и при этом стоит ясная и тихая погода, воздух чист , то в этом случае наблюдатель может увидеть ярко-зелёный край Солнца вместе с россыпью ярких зелёных лучей