Небо голубое, трава зеленая, солнце желтое. Именно так нарисует любой ребенок, взявший в руки мелки или фломастеры, поскольку точно знает, что какого цвета. Но откуда он это знает, не имея никакого представления о хлоропластах, флуктуациях плотности атмосферы и жизненном цикле звезд главной последовательности?
Наши глаза воспринимают электромагнитное излучение с длиной волны примерно от 380 до 760 нанометров и частотой 400–790 терагерц — так называемый видимый свет. Конечно, само излучение не зависит от нашей способности его видеть: будь у нас вместо глаз какие-нибудь другие органы чувств или приборы, мы просто воспринимали бы цвета как-то иначе. Но мы видим их именно так — а потому давайте попробуем разобраться с самыми что ни на есть «детскими» вопросами.
ПОЧЕМУ НЕБО СИНЕЕ?
Снизу вверх
Версии великих ученых
Компоненты воздуха
Теория рассеяния света
Колебания частиц в воздухе
Объяснение |
Над этим вопросом ломали головы умнейшие представители человечества, но правильный ответ был получен лишь тогда, когда наука достигла должного уровня. Леонардо да Винчи писал, вдохновленный наблюдениями за дымом из камина: «Светлое поверх темного становится синим, тем больше, чем светлее будет светлое и темнее темное». С ним соглашался Гёте, который был не только поэтом, но и естествоиспытателем. Правда, разгадки этого явления они так и не нашли. Исаак Ньютон после открытия интерференции света в тонких пленках (наложения друг на друга световых волн, приводящих к появлению разных цветов — из-за этого пленка бензина на воде кажется разноцветной) пытался с ее помощью объяснить цвет неба. Он допускал, что капли воды в атмосфере имеют форму пузырей с тонкими стенками, вроде мыльных. Позднее выяснилось, что капли принимают форму шара, а не полого пузыря, и эта гипотеза оказалась несостоятельной.
Пьер Бугер, Леонард Эйлер, Эдм Мариотт и другие ученые XVII–XVIII веков полагали, что синий оттенок неба определяется цветом основных компонентов воздуха. Это объяснение было ближе к истине и получило некоторое подтверждение в XIX веке, когда выяснили, что жидкий кислород — голубого цвета, а жидкий озон — синего. Геолог, ботаник и изобретатель Орас Бенедикт де Соссюр (1740–1799) предложил объяснение, от которого до правильного оставалось совсем чуть-чуть. Он заявил, что, будь воздух совершенно чист, небо было бы черным, но содержащиеся в атмосфере примеси отражают преимущественно голубой и синий цвета.
Джон Рэлей В XIX веке ученые много экспериментировали с рассеиванием света в жидкостях и газах — в частности, Доминик Араго, Жак Бабине, Дэвид Брюстер и ряд других физиков и астрономов. Все они старались в лабораторных условиях воспроизвести изменение цвета световых лучей при прохождении через газы и жидкости, а результаты опытов подвигали их искать истоки синего цвета неба в рассеянии солнечного света в атмосфере. Наконец, во второй половине XIX века английский ученый Джон Рэлей создал теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере. Он писал, что рассеяние света происходит не из-за примесей, содержащихся в воздухе, а благодаря молекулам самого воздуха. Результаты работ Рэлея были опубликованы в 1899 году в сочинении «О свете от неба, его поляризации и цвете». Один из выводов Рэлея гласил, что яркость рассеянного света меняется в зависимости от длины волны света, падающего на рассеивающую частицу.
За заслуги в исследованиях оптических свойств атмосферы ученый получил уважительное прозвище «Рэлей Атмосферный».
Однако это все еще не объясняет, почему небо голубое. В начале XX века советский физик Леонид Мандельштам доказал, что для рассеяния света в сплошной среде важно нарушение ее оптической однородности. В однородной среде волны, рассеянные отдельными частицами по направлениям, не совпадающим с направлением первичной волны, взаимно гасятся. Оптическими неоднородностями, мешающими такому «погашению», служат флуктуации (колебания) плотности газов и прочие «помехи», возникающие из-за теплового движения частиц.
Рассеянием света, вызванным этими флуктуациями, занимался польский физик Мариан Смолуховский, создавший теорию опалесценции — рассеяния света разреженными газами, в которых положение частиц можно считать не зависящим друг от друга. Благодаря этому свет рассеивается случайным образом с интенсивностью, пропорциональной плотности газа. В оптически плотных средах становится существенным многократное рассеяние. В атмосфере рассеяние солнечного света из-за флуктуаций происходит так же, как и рассеяние света отдельными ее частицами. Таким образом, голубой цвет неба объясняется тем, что высокочастотная — голубая — составляющая солнечного спектра рассеивается много сильнее, нежели низкочастотная — красная. Выводы Смолуховского поддержал сам Альберт Эйнштейн. |
ПОЧЕМУ СОЛНЦЕ ЖЕЛТОЕ?
ПОЧЕМУ ТРАВА ЗЕЛЕНАЯ?
Источник: журнал “Discovery”
ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ
Оставить комментарий от имени гостя