Рэлеевское рассеяние, флуктуации и цвет неба.
Излучение Солнца представляет собой электромагнитное излучение широкого спектра - от радиоволн до рентгеновских.
Максимум интенсивности этого излучения приходится на видимую часть спектра, на желто-зеленый его участок.
Солнечный свет является белым и представляет собой сочетание света различных длин волн, то есть различных видов света, каждый из которых окрашен в один чистый цвет.
Как же происходит так, что белый солнечный свет, проходя через атмосферу Земли, превращается в голубой цвет неба днем и приобретает желто-красные или даже розовые оттенки на закате и восходе?
Причина такой окраски неба кроется в самой атмосфере. Солнечный свет рассеивается в атмосфере Земли и в результате приобретает преимущественно голубой цвет.
Рассеяние света - это дифракция света на мелких (сравнимых с длиной световой волны) неоднородностях среды. То есть для явления рассеяния света существенны нарушение однородности среды и размер образующихся неоднородностей. Нарушения однородности среды могут иметь различную природу: оптическая неоднородность в мутных средах. Примером могут служить дым(твердые частицы в газе) и туман(капельки жидкости, например воды, в воздухе), взвеси или суспензии(совокупность твердых частичек, плавающих в жидкости), эмульсии(взвесь капель жидкости в другой жидкости, их не растворяющей), твердые тела вроде перламутра или молочных стекол; оптическая неоднородность в идеально чистых средах, обусловленная тепловым движением частиц и вызывающая флуктуации (случайные изменения) плотности, флуктуации концентрации в растворах. Физическая причина возникновения неоднородности такого тапа была указана М. Смолуховским в 1908 г.
Английский физик Джон Тиндаль первым наблюдал в лабораторных условиях рассеяние света на частицах, малых по сравнению с длиной волны видимого света (1869г.). Он высказал предположение, что голубой цвет неба объясняется рассеянием солнечного света на пылинках, взвешенных в атмосфере Земли. Закономерности, открытые Тиндалем и другими исследователями теоретически объяснил английский математик и физик лорд Рэлей. Он произвел расчет интенсивности света, рассеянного на сферических частицах, размеры которых малы по сравнению с длиной волны падающего света, и нашел, что для первоначального падающего света зависимость интенсивности рассеянного света зависит от:
1. интенсивности падающего света;
2. угла наблюдения (угла между направлением распространения падающего света и направлением наблюдения);
3. концентрации частиц среды;
4. размера частиц;
5. расстояния от рассеивающего объема до точки наблюдения (обратно пропорционально);
6. соотношения диэлектрических проницаемостей среды и неоднородностей среды;
7. длины волны падающего света в четвертой степени (обратно пропорционально).
Эта зависимость I~1/λˆ4 получила название закона Рэлея. Согласно этому закону интенсивность рассеянного света будет большей для более коротких волн, то есть волн фиолетово-синей части спектра. Однако воспринимаемый нам цвет неба является все же сине-голубым, а не фиолетовым. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, как видно из приведенного выше графика зависимости интенсивности солнечного излучения от длины волны, интенсивность излучения Солнца в фиолетовом спектре меньше, чем в синем. Во-вторых, человеческий глаз более чувствителен к синему цвету, чем к фиолетовому.
Физическое объяснение зависимости I~1/λˆ4 состоит в том, что рассеянный свет является вторичным излучением электронов атомных оболочек, возбуждаемым падающим светом. Интенсивность этого излучения тем больше, чем больше частота падающего света, то есть, чем короче его длина волны.
В 1899 г. Рэлей показал, что рассеяние солнечного света и разделение его на цветовые компоненты - дело молекул атмосферных газов и что "даже в отсутствие посторонних частиц в воздухе небо все равно было бы голубым". Таким образом, голубой цвет неба в значительной степени обусловлен неоднородностями атмосферы, вызванными флуктуациями ее плотности вследствие статистического теплового движения частиц.
В общем случае, рассеяние света определяется обеими причинами: оптической неоднородностью мутных сред и флуктуациями плотности в чистых средах.
Итак, голубой цвет неба днем объясняется рассеянием света на неоднородностях среды, вызванных флуктуациями плотности среды и наличием инородных частиц.
Желто-красный цвет неба на закате и восходе объясняется большим расстоянием от рассеивающего объема до точки наблюдения и большим количеством частиц примесей в атмосфере.
Более насыщенный, чем днем, цвет неба в сумерках в зените связан со свойством озонового слоя поглощать излучение красной части спектра. При прохождении света под малым углом к озоновому слою вследствие более сильного, чем в дневное время (когда путь, проходимый светом меньше) поглощения излучения большей длины волны, рэлеевское рассеяние испытывает «более синий» свет. Поэтому сумеречное небо в зените имеет более насыщенный синий цвет.
1. Г.С. Ландсберг «Оптика», Москва, «Наука», 1976 г.
2. М. Миннарт «Свет и цвет в природе», Москва, «Наука», 1969 г.
3. Джирл Уолкер «Окраска неба дает пищу для изучения рассеяния света», В МИРЕ НАУКИ,(Scientific American), №3 март 1989/
4. Д. Клышко «Рассеяние света».