Чому небо буває різного кольору

Колір неба при різних станах погоди буває різним, змінюючись від білястого до інтенсивно синього. Теорія, яка пояснює колір неба була розроблена Релєєм.

За цією теорією колір неба пояснюється тим, що промені сонця, багаторазово відбиваючись від молекул повітря і найдрібніших частинок пилу, розсіюються в атмосфері. Світлові хвилі різної довжини розсіюються молекулами неоднаково: молекули повітря розсіюють переважно короткохвильові частини видимого сонячного спектра, тобто блакитні, сині і фіолетові промені, а так як інтенсивність фіолетовою частини спектра невелика порівняно з блакитний та синій частинами, то небо і представляється блакитним або синім.

Значна яскравість небесного зводу пояснюється тим, що земна атмосфера має значну товщу і світло розсіюється величезним числом молекул.

На великих висотах, наприклад, при спостереженнях з космічних кораблів, над головою спостерігача залишаються виряджені шари атмосфери з меншим числом молекул, що розсіюють світло, а отже, і яскравість небесного зводу зменшується. Небо здається темнішою, його колір зі збільшенням висоти змінюється. Небо здається темнішою, його колір зі збільшенням висоти змінюється від темно-синього до темно-фіолетового. Очевидно, що на ще більших висотах і за межами атмосфери небо представляєтьсяспостерігачеві чорним.

Якщо повітря містить велику кількість відносно великих часток. то ці частинки розсіюють і довші світлові хвилі. В цьому випадку небо набуває білястий колір. Великі водяні краплі, або водяні кристалики, з яких складаються хмари, приблизно однаково розсіюють всі спектральні кольори, і хмарне небо має тому блідо-сірий колір.

Це підтверджують проведені спостереження, в ході яких відзначалися метеорологічні умови і відповідний колір неба над містом Нікополь.

На колір неба впливає також характер і колір земної поверхні. а також щільність атмосфери.

Експонентний закон убування щільності атмосфери з висотою.

Барометрична формула описує спадання щільності атмосфери з висотою в загальних рисах; вона не враховує вітру, конвекційних потоків, змін температури. Крім того, висота не повинна бути занадто великою. щоб можна було нехтувати залежністю прискорення g від висоти.

Барометричну формулу пов'язують з ім'ям австрійського фізика Людвіга Больцмана. Але перші вказівки на експонентний характер убування щільності повітря з висотою містилися фактично в дослідженнях Ньютона по рефракції світла в атмосфері і були використані при складанні уточненої таблиці рефракції.

Графіки, наведені показують, як в процесі дослідження астрономічної рефракції уточнювалися уявлення про загальний характер зміни показника заломлення атмосфери з висотою.

• відповідає теорії Кеплера
• первісної ньтоновской теорії рефракції
• уточненою ньютонівської і сучасної теорії рефракції світла в атмосфері

Рефракція світла в атмосфері

Атмосфера являє собою оптично неоднорідне середовище, тому траєкторія світлового променя в атмосфері завжди в якійсь мірі криволинейна. Викривлення світлових променів при проходженні через атмосферу називають рефракцією світла в атмосфері.

Розрізняють астрономічну і земну рефракцію. У першому випадку розглядається викривлення світлових променів, що приходять до земного спостерігача від небесних тіл. У другому випадку розглядається викривлення світлових променів, що приходять до спостерігача від земних об'єктів. В обох випадках внаслідок викривлення світлових променів спостерігач може бачити об'єкт не в тому напрямку, який відповідає дійсності; об'єкт може здаватися спотвореним. Можливо спостереження об'єкта навіть тоді, коли той фактично знаходиться за лінією горизонту. Таким чином, рефракція світла в земній атмосфері може призводити до своєрідних обманів зору.

Припустимо, що атмосфера складається з набору оптично однорідних горизонтальних шарів однакової товщини; показник заломлення стрибком змінюється від одного шару до іншого, поступово збільшуючись в напрямку від верхніх шарів до нижніх. Така чисто умоглядна ситуація показана.

Насправді щільність атмосфери, а отже, і її показник заломлення змінюються з висотою не стрибками, а безперервно. Тому траєкторія світлового променя є не ламану, а криву лінію.

Припустимо, що зображений на малюнку промінь проходить до спостерігача від деякого небесного об'єкта. Якби не було рефракції світла в атмосфері, то цей об'єкт був би видно спостерігачеві під кутом ά. Внаслідок рефракції спостерігач бачить об'єкт не під кутом ά, а під кутом φ. Оскільки φ ά, то об'єкт здається знаходяться вище над горизонтом, ніж це є насправді. Інакше кажучи, спостерігається зенітне відстань об'єкта менше дійсного зенітного відстані. Різниця Ώ = ά - φ називають кутом рефракції.

Згідно з сучасними даними максимальний кут рефракції становить 35 '.

Коли спостерігач стежить за заходом Сонця і бачить, як нижній край світила торкнувся лінії горизонту, в дійсності в даний момент цей край уже знаходиться на 35 'нижче лінії горизонту. Цікаво, що верхній край сонячного диска підводиться рефракцією слабкіше - тільки на 29 '. Тому що заходить Сонце здається трохи сплюсненим по вертикалі.

Дивовижне в сонячний захід

Розглядаючи рефракцію світла, необхідно враховувати поряд з систематичним зміною щільності повітря з висотою також і ряд додаткових факторів, багато з яких мають досить випадковий характер. Мова йде про вплив на показник заломлення повітря конвекційних потоків і вітру, температури повітря в різних точках атмосфери над різними ділянками земної поверхні.

Особливості стану атмосфери і перш за все особливості прогрівання атмосфери в нижніх її шарах над різними ділянками земної поверхні призводять до своєрідності спостережуваних заходів Сонця.

Сліпа смуга. Іноді Сонце здається заходить нема за лінію горизонту, а за певну невидиму лінію, що знаходиться над горизонтом. Таке явище спостерігається під час відсутності будь-якої хмарності на горизонті. Якщо в цей час піднятися на вершину пагорба. то можна спостерігати ще більш дивну картину: тепер Сонце заходить за лінію горизонту, але при цьому сонячний диск виявляється як би перерізаним горизонтальної «сліпий смугою», положення якої щодо лінії горизонту зберігається незмінним. Ці незвичайні сонячні заходи можна побачити, за словами очевидців, в різних географічних областях, наприклад, в п. Великий камінь Приморського краю та м Первомайськ Житомирського краю.

Така картина спостерігається, якщо повітря біля самої Землі виявляється холодним, а вище розташовується шар щодо теплого повітря. В цьому випадку показник заломлення повітря змінюється з висотою приблизно так, як це показано на графіку; перехід від нижнього холодного шару повітря до лежачого над ним теплому може призводити до досить різкого спаду показника заломлення. Для простоти приймемо, що цей спад відбувається стрибком і що через це між холодним і теплим шарами існує чітко виражена поверхню розділу, що знаходиться на деякій висоті h1 над поверхнею Землі. На малюнку через nx позначений показник заломлення повітря в холодному шарі, а через nт - в теплому шарі поблизу кордону з холодним.

Показник заломлення повітря дуже мало відрізняється від одиниці, тому для більшої наочності по вертикальній осі на цьому малюнку відкладені значення не самого показника заломлення, а його перевищення над одиницею, тобто різницю n-1.

Картина зміни показника заломлення, представлена ​​на рис.4б), використана при побудові ходу променів на малюнку 5, де зображені частина поверхні земної кулі і що примикає до неї шар холодного повітря товщиною hο.

Якщо поступово збільшувати φ, починаючи від нуля, при цьому кут α2 також буде збільшуватися. Припустимо, що при деякому значенні φ = φ'кут α2 стає рівним граничному куту αο. відповідальному повному внутрішньому віддзеркаленню на кордоні холодного і теплого шарів; в цьому випадку sin α1 = 1. Покутті αο відповідає на малюнку 5 промінь ВА; він утворює з горизонталлю кут β = 90˚ - φ'. До спостерігачеві не потраплятимуть промені, які увійдуть в холодний шар в точках, кутова висота яких над горизонтом менше, ніж кутова висота точки В, тобто менше кута β. Тим самим отримує пояснення сліпа смуга.

Зелений промінь. Зеленим променем називають дуже ефектний спалах зеленого світла, що спостерігається іноді при заході і сході Сонця. Тривалість спалаху складає всього 1-2сек. Явище полягає в наступному: якщо Сонце заходить при ясному небі, то при достатньої прозорості повітря іноді можна спостерігати, як остання видима точка Сонця швидко змінює свій колір від блідо-жовтого або оранжево-червоного до яскраво-зеленого. При сході Сонця можна спостерігати те саме явище, але зі зворотним порядком чергування квітів.

Виникнення зеленого променя можна пояснити, якщо взяти до уваги зміну показника заломлення з частотою світла.

Зазвичай показник заломлення зростає зі збільшенням частоти. Промені з більш високою частотою заломлення сильніше. Значить, синьо-зелені промені зазнають більш сильну рефракцію в порівнянні з червоними променями.

Припустимо, що рефракція світла в атмосфері є, а розсіювання світла немає. У цьому випадку верхній і нижній краї сонячного диска поблизу лінії горизонту повинні були б бути пофарбованими в кольори веселки. Нехай в спектрі сонячного світла є всього два кольори - зелений і червоний; «Білий» сонячний диск можна розглядати в даному випадку у вигляді накладених один на одного зеленого і червоного дисків. Рефракція світла в атмосфері піднімає над горизонтом зелений диск в більшій мірі, ніж червоний. Тому спостерігач повинен був би бачити призахідне Сонце таким, яким воно показано на рис. 6а). Верхній край сонячного диска був би зеленим, а нижній червоним; в центральній же частині диска спостерігалося б змішання квітів, тобто спостерігався б білий колір.

Насправді ж не можна не враховувати розсіювання світла в атмосфері. Воно призводить до того, що з світлового пучка, що йде від Сонця, вибувають більш ефективно промені з більш високою частотою. Так що зеленої облямівки зверху диска не буде видно, а весь диск буде виглядати не білим, а червоним. Якщо, проте, майже весь сонячний диск пішов за горизонт, залишився лише самий верхній його краєчок, і при цьому стоїть ясна і тиха погода, повітря чисте. то в цьому випадку спостерігач може побачити яскраво-зелений край Сонця разом з розсипом яскравих зелених променів