В данной статье обращение отправится о том, как солнечный луч попадает через воздух, какие конкретно превращения он испытывает по пути, встречая молекулы воздуха, капли и кристаллы осадков и облаков. Мы не будем тут сказать о тепле, приносимом нам солнечными лучами, ему была посвящена прошлая статья данной книги. Нас интересуют на данный момент только видимые лучи Солнца, лишь те превращения солнечного света, каковые заметны отечественному глазу.
ДНЕВНАЯ ОСВЕЩЕННОСТЬ
Все знают, что дневной свет идет от Солнца, но не все представ-ют себе четко, по какой причине днем не редкость светло кроме того и тогда, в то время, когда Солнце скрыто за плотными, густыми тучами. Утром «светает» кроме того тогда, в то время, когда Солнце восходит за чёрными тучами либо скрыто от нас высокими горами, днем свет попадает во все окна отечественных помещений, в том числе и в те, каковые обращены на север. Разумеется, что дневная освещенность происходит от лучей Солнца — или от тех, каковые падают прямо от него, или от тех, каковые рассеиваются тучами либо небом. От знания законов освещенности зависит многое в нашей жизни: и архитектура домов, в которых мы желаем иметь яркие помещения, и планировка городов, и мастерство фотографа, и отечественная свойство видеть окружающие предметы, и другое.
Дневной свет, идущий от Солнца, играется еще одну роль, о которой не каждый имеет представление. В случае, если воздух не в полной мере чиста, в случае, если в ней плавает легкий туман, то капельки тумана также освещаются Солнцем. Чем бросче это освещение, тем более ярко белым будет казаться сам туман и тем тяжелее будет через него замечать далекие предметы, в особенности если они и сами не хорошо освещены Солнцем. Данный пример говорит о том, что видимость далеких предметов зависит не только от их собственных размеров либо остроты отечественного зрения, но и от освещенности того воздуха, что находится между ними и замечающим их человеком. Такие два на первый взгляд разных явления, как освещённость и видимость, в действительности тесно зависят друг от друга.
Пробежав всего за 8 мин. те 150 000 000 километров, каковые отделяют нас от Солнца, луч света попадает в воздух Почвы. Сперва он попадает в верхние, самые разреженные ее алой. Тут молекулы частицы — и немногочисленные атомы газов воздуха вольно движутся. Расстояние между ними столь громадно, что они очень редко сталкиваются. Эту часть воздуха солнечный луч проходит практически свободно. Углубляясь в ее толщу, он встречает все более плотный воздушное пространство, в этот самый момент на его пути все чаще видятся молекулы кислорода, азота и других газов. Эти встречи уже не проходят для него бесследно.
Представим себе, что на совсем спокойной поверхности озера плавает древесный кораблик. Где-то поблизости бросают в воду камень; от места его падения расходятся по воде «круги» — волны. В то время, когда волна достигнет куска дерева, она приведет его в перемещение; сейчас качающийся вверх и вниз кораблик сам делается источником новых волн — колебаний, каковые расходятся от него во все стороны, накладываясь на первые волны (рис. 1).
То же самое происходит и тогда, в то время, когда световой луч встречает па собственном пути частицу вещества — молекулу газа, капельку тумана либо пылинку. Тут происходит явление рассеяния света, о котором вы уже просматривали в прошлой главе.
Световой луч представляет собой электромагнитную волну, которая сходна с волной, отправляемой радиостанцией: и та и вторая распространяются с огромной скоростью — 300 000 километров в секунду. Отличие между ними в длине волны. Тогда как радиоволны имеют длину от нескольких тысяч метров до нескольких метров (а современные радиопередатчики время от времени трудятся на волнах длиной и в пара сантиметров), видимые световые волны имеют длину от 0,0004 (фиолетовые лучи) до 0,00075 миллиметра (красные лучи).
В то время, когда световой луч падает на молекулу воздуха либо частицу пыли, то эта частица, подобно кусочку дерева в приведенном нами примере, приходит в колебание и сама начинает испускать во все стороны свет.
Вам, само собой разумеется, приходилось замечать, как в чёрную помещение через щелку закрытых ставней либо неплотно затянутые шторы попадает луч света. Растянувшись от окна и падая на частицы пыли в воздухе, луч света представляется отечественному взгляду широкой полосой пляшущих пылинок. Они ярко светят, как будто бы мелкие звездочки. Любая пылинка рассеивает упавший на нее свет во все стороны, и мы ее видим, как броскую точку, с какой бы стороны на нее ни взглянули.
Рассеяние будет происходить по-различному, в случае, если свет рассеивает молекула, другими словами малая частица, либо, к примеру, значительно более большая капелька воды в облаке либо тумане.
Молекулы газов азота — и воздуха кислорода — малы по своим размерам: их диаметр около 0,0000003 миллиметра. Эта молекула, следовательно, мала если сравнивать с длиной световой волны — ее диаметр в 1000 раз меньше длины самой маленькой волны, доходящей до нас от Солнца. Исходя из этого световая волна колеблет ее так, как волна на озере колеблет кораблик, о котором мы говорили выше.
Около 80 лет назад британский физик Рэлей вычислил теоретически, как обязана рассеивать свет такая малая частица. Он продемонстрировал, что она обязана отправлять во все стороны лучи такой же длины волны, другими словами того же цвета, какие конкретно на нее падают; это свойство рассеянного света разумеется. Более весьма интересно второе свойство рассеянного света. В случае, если на частицу падает однообразное количество, к примеру, красных и светло синий лучей, то она рассеивает значительно больше (приблизительно в 8 раз) светло синий лучей, чем красных. Мы знаем, что белый солнечный луч — это смесь лучей всех цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, светло синий и фиолетового. Из них, по закону Рэлея, любой последующий более подвержен рассеянию, чем прошлый. В следствии воздушное пространство, освещенный белым солнечным лучом, будет казаться голубоватым, в случае, если его разглядывать сбоку. В свете, что разбрасывают в различные стороны молекулы воздуха, мало красных лучей и довольно много голубых и светло синий.
Так разъясняется светло синий цвет неба. В случае, если мы наблюдаем на небесный свод вдалеке от Солнца, то молекулы воздуха, каковые мы должны были бы заметить в данной стороне, освещены как бы сбоку: мы видим рассеянный свет — светло синий цвет. В то время, когда Солнце заходит, голубая окраска неба исчезает. О том, как растолковать светло синий цвет неба, ученые довольно много столетий спорили между собой.
В шестнадцатом веке известный живописец Леонардо да Винчи писал: «Яркое перед чёрным думается голубым, и тем прекраснее, чем больше отличие между ярким и чёрным», и думал, что цвет неба — итог свойства отечественного зрения, придающего освещенному воздуху на фоне чёрного мирового пространства светло синий оттенок.
Многие ученые считали, что воздушное пространство сам по себе имеет светло синий цвет — подобно, к примеру, раствору светло синий краски. Это начало казаться еще более правдоподобным, в то время, когда стало известно, что жидкий кислород, сгущенный при температуре около минус 190 градусов, имеет светло синий цвет, а жидкий озон — ярко-светло синий. Но если бы это объяснение годилось, то все звезды, и Солнце а также, казались бы нам голубоватыми, и тем светло синий, чем ближе они спускались бы к горизонту. На самом же деле перед заходом Солнце думается оранжевым либо кроме того красноватым.
Было довольно много и других объяснений голубого цвета неба, но мы о них не будем говорить. Мы знаем уже подлинную обстоятельство — рассеяние света. Но рассеяние это далеко не всегда проходит одинаково.
В случае, если мы поднимемся на высокую гору, то легко увидим, что небо в зените, над головой, будет казаться более глубоким и синим. При высотных подъемах на стратостатах и самолётах аэронавты постоянно отмечали, что небо с высоты 15—20 километров думается фиолетово-синим. При подъеме стратостата «Осоавиахим-1» в первой половине 30-ых годов XX века сохранились записи наблюдателей о цвете неба: на высоте 21 600 метров они подчернули, что небо было черно-светло синий либо серое.
На таковой громадной высоте над головами наблюдателей была столь малая масса воздуха, что он имел возможность рассеивать лишь весьма не сильный свет, голубая окраска практически уступила место темноте.
светло синий свет, рассеиваемый воздухом, легко видеть, кроме того не смотря па небо. взглянуть на далекие горы, и вы увидите, что они видны как бы через голубоватую дымку. И эта дымка тем бросче, чем горы дальше. Живописцы именуют это явление воздушной возможностью и с радостью пользуются ею в тех случаях, в то время, когда им необходимо продемонстрировать на картине даль.
Горы, изображенные на заднем замысле пейзажа и окутанные голубоватой дымкой, кажутся нам далекими. Дабы продемонстрировать, что одна цепь холмов находится значительно дальше, чем вторая, живописцы покрывают первую из них более плотной вуалью голубоватого тумана: это именно то, что Леонардо да Винчи назвал «ярким перед чёрным».
Совсем по-иному обстоит дело, в то время, когда разглядываешь далекий яркий предмет, к примеру снежные горы. Белый луч света, идущий от далеких сверкающих вершин, на своем пути в воздухе также испытывает рассеяние. В случае, если в стороны рассеиваются посильнее голубые и фиолетовые лучи, то, разумеется, в прямом луче остается больше желтых и оранжевых, исходя из этого снежные горы с далека кажутся желтоватыми.
Воздушная дымка думается, так, голубоватой в боковом рассеянном свете и желтоватой — в прямом, проходящем. Такая дымка в метеорологии время от времени именуется опалесцирующим помутнением — от слова опал (драгоценный камень изменчивой радужной окраски). Но эти цвета появляются лишь тогда, в то время, когда свет рассеивается молекулами воздуха, но не каплями воды и не частицами тумана и пыли. Вот по какой причине голубая дымка видна лишь при весьма чистом воздухе. Дальше мы поведаем о том, как более большие частицы пыли либо капельки, из которых состоит туман, рассеивают практически одинаково лучи всех цветов и рассеянный свет оказывается таким же белым, как и падающий; исходя из этого и туман и пыльная мгла нам кажутся беловатыми.
В случае, если в туманный вечер вы поглядите на уходящий вдаль последовательность уличных фонарей, то свет более далеких фонарей покажется вам оранжевым, а самых далеких— красным; зеленые же и голубые лучи теряются по пути из-за рассеяния света.
Полтораста лет тому назад исследователь и швейцарский метеоролог гор Соссюр выстроил прибор для определения насыщенности голубого цвета неба. Он назвал данный прибор цианометром от греческого слова «цианос» — «светло синий». Соссюр устроил шкалу из 51 бумажной полосы, окрашенной в разные оттенки — от белого до иссиня-тёмного.
В первую очередь Соссюр выяснил цвет неба из равнины; так, к примеру, в Женеве в 12 часов дня небо в зените было практически 23-го оттенка. В августе 1787 года Соссюр поднялся на высочайшую вершину Альп — Монблан. Он желал, как он выразился, «унести с собой из этого образчик неба Монблана». Посредством шкалы цианометра ученый определил, что небо на вершине Монблана — на высоте 4810 метров — было 39-го оттенка, самого чёрного, какой он лишь видел в горах Швейцарии.
Самым занимательным в наблюдениях Соссюра было, но, не это. Соссюру удалось сравнить посредством цианометра цвет неба в зените и у горизонта. Так, 15 июля 1788 года, замечая за небом вблизи Монблана, с перевала Коль дю Жеан, он отыскал, что у горизонта небо было 11-го оттенка, на высоте 10 градусов над горизонтом—20-го оттенка, на высоте 40 градусов и до самого зенита — 37-го оттенка. Так, прибор подтвердил наблюдения, сделанные много раз и невооруженным глазом, что небо у горизонта постоянно имеет беловатый оттенок, а в зените — самый темно-светло синий.
Позднее Соссюр продемонстрировал, что в равнине, в Женеве, небо у горизонта было 4-го оттенка, другими словами еще более белым, чем при наблюдении с Коль дю Жеан.
Отчего же в зените рассеянный свет неба светло синий, а у горизонта практически белый? Разумеется, рассеивающие частицы, каковые мы замечаем у зенита и у горизонта, неодинаковы.
Как должны рассеивать свет относительно большие частицы пыли либо капельки воды? Какую роль будут наряду с этим играться капли тумана, каковые мы можем измерить под микроскопом и радиус которых равен 0,005 — 0,01 миллиметра? Эти капли, разумеется, во довольно много тысяч раза больше молекул газов.
Теорию для того чтобы рассеяния света в первый раз детально создал академик В. В. Шулейкин. Он поставил перед собой задачу — растолковать светло синий цвет моря и его разнообразные оттенки — от густосинего цвета Черного моря до серо-зеленоватой окраски арктических морей. Шулейкин, так, решал пара иную задачу, чем та, которая интересовала нас до сих пор. Он изучал рассеяние света пузырьками воздуха, включенными в морскую воду. Но формулы, полученные Шулейкиным, пригодны и для расчета рассеяния света капельками воды, находящимися в воздухе.
В первую очередь оказалось, что такие относительно большие частицы рассеивают свет неодинаково вперед и назад; на рис. 2 вы заметите диаграмму, отображающую это явление. Она носит название индикатрисы рассеяния. Предположим, что на частицу А падает луч Солнца. Тогда возможно изобразить громадную либо меньшую яркость света, отправляемого частицей в том либо втором направлении, стрелкой большей либо меньшей длины. Так получается диаграмма. Она выстроена для капли радиусом около 0,008 миллиметра и говорит о том, что на протяжении направления падающего луча капля рассеивает в 17 раза больше света, чем в обратном направлении.
Наблюдатель стоит на открытом месте, и лучи Солнца падают справа, как показывают тёмные стрелки. Около в воздухе плавают капли АI, АII, AIII (около каждой нарисована индикатриса), тогда капелька АІІ, видимая вблизи Солнца, будет казаться наблюдателю весьма яркой (на него направлен долгий луч индикатрисы). Если он и не заметит каждую каплю в отдельности, то заметит около Солнца яркий ореол из света, рассеянного множеством таких капель. Иначе говоря вблизи Солнца атмосферная дымка будет самая светлой и яркой. Напротив, капли АІ и АІІІ, видимые вдалеке от Солнца, отправят глазу мало света и воздушное пространство в этом месте неба будет казаться более чёрным.