Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Рис. 6.2 / Задача 6.2.Отраженный от воды свет может привести к образованию радуги, центр которой расположен выше центра радуги первого порядка. Показаны только концы дополнительной радуги.

Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, входящие в состав солнечного света, тоже могут образовывать радуги. Хотя они невидимы для глаза и не являются разноцветными в обычном понимании этого слова, их можно обнаружить с помощью специальной аппаратуры.

Почему, если распылять вокруг себя воду под прямыми лучами солнца, могут появиться две частично перекрывающиеся радуги? Почему, если ночью во время моросящего дождя направить вверх под углом луч прожектора, на нем можно увидеть две яркие светящиеся полосы (рис. 6.3)?

Рис. 6.3 / Задача 6.3.Разноцветные полосы на луче прожектора в дождливую ночь.

Иногда некое подобие радуги можно наблюдать прямо на дороге, причем на сухой. Редко, но все же раздаются заявления о том, что радугу видели на грязи и в других неожиданных местах. Возможно ли это?

Если в темной комнате направить луч света на свисающую каплю воды, на ней можно увидеть радужные пятна. Проявив осторожность и внимательность, можно заметить цветные пятна, соответствующие радугам до десятого порядка (то есть должно произойти до десяти внутренних отражений).

ОТВЕТ •Когда капли воды находятся недалеко от наблюдателя, глаза видят их под разными углами. Поэтому наблюдатель видит две, только частично перекрывающиеся, радуги. Когда капли далеко, угол зрения обоих глаз практически одинаков, и радуги перекрываются полностью.

Свет от прожектора преломляется и разлагается на цвета радуги падающими сверху каплями дождя. Наблюдатель видит радужные лучи, исходящие от капель, расположенных под нужным углом зрения. Полоса, расположенная дальше от прожектора, соответствует обычной радуге первого порядка на небе (той, которая ниже), а другая полоса — обычной радуге второго порядка. Когда луч прожектора поворачивается, местоположение капель, посылающих в направлении наблюдателя разноцветные лучи, смещается по лучу вверх и вниз. А это значит, что движутся и радужные полосы. Они кажутся довольно блеклыми, главным образом из-за того, что наши глаза плохо различают цвета в темноте.

Радуга на сухой дороге появляется благодаря рассеянию света маленькими стеклянными шариками, которые добавляют в краску для дорожной разметки. Они отражают свет фар обратно в направлении водителя (действуют как катафот) и освещают дорожную разметку ночью. Если такие шарики при разрушении разметки высвобождаются и раскатываются по дороге, они разлагают прямой солнечный свет точно так же, как капельки воды. Бывают и другие странные радуги, появление которых объяснить труднее, но и они, вероятнее всего, появляются благодаря капелькам воды, осколкам стекла и другим подобным предметам, разлагающим прямой солнечный свет в цвета видимого спектра.

Почему днем небо яркое? Очевидно, атмосфера каким-то образом рассеивает свет в направлении наблюдателя. Однако если атмосфера прозрачна, почему солнечные лучи отклоняются, проходя через нее?

Для ответа на этот вопрос часто используют термин рэлеевское рассеяние . Действительно, рэлеевское рассеяние — одна из моделей, описывающих рассеяние света молекулами воздуха. Но Альберт Эйнштейн заметил, что, если бы рэлеевское рассеяние давало исчерпывающий ответ на этот вопрос, небо днем было бы темным. Повторим его рассуждение. Для простоты предположим, что весь солнечный свет имеет только одну длину волны, и рассмотрим одну молекулу воздуха, рассеивающую свет по направлению к наблюдателю. К наблюдателю поступает и рассеянный свет от других молекул, находящихся на линии, соединяющей его с первой молекулой. Всегда можно подобрать такую молекулу, что посланная ею световая волна достигнет наблюдателя строго в противофазе с волной, исходящей от первой молекулы. Эти две волны взаимно гасят друг друга, не давая вклада в свет, который видит наблюдатель (рис. 6.4). Поскольку в среднем для каждой молекулы можно найти такую «молекулу-партнера», гасящую свет в направлении наблюдателя, свет к нему приходить не будет. Небо будет темным, исключая направление прямо на солнце. Ведь так?

Рис. 6.4 / Задача 6.4.При рассеянии на молекулах, находящихся на расстоянии, равном половине длины волны, световые волны гасят друг друга.

ОТВЕТ •Действительно, рассеяние света на молекулах происходит согласно модели Рэлея, и, казалось бы, приведенная выше аргументация обоснованна. Но, как отметил Эйнштейн, небо светлое из-за того, что плотность атмосферы неоднородна. Более того, молекулы непрерывно двигаются и на короткое время образуют скопления. Следовательно, в каждый данный момент времени невозможно найти для каждой молекулы «молекулу-партнера», которая гасила бы рассеянный свет от первой молекулы. Итак, небо над нами яркое благодаря пространственным и временн ы м флуктуациям плотности концентрации молекул, то есть плотности атмосферы.

Почему днем небо голубое? Голубизна неба связана с самими молекулами воздуха или с присутствием в воздухе воды или мельчайших взвешенных частиц? Почему небо не фиолетовое?

Почему вблизи горизонта небо бледнее, чем над головой? Почему все небо не окрашено в один и тот же цвет? В лунную ночь небо голубое? (Хотя ночью слишком темно, чтобы человеческий глаз мог различать цвета, небо все же бывает окрашено.)

Почему на закате небо красное? Не должны ли красный и желтый быть последними цветами перед закатом, придавая небу оранжевый оттенок (смесь красного и желтого)? Почему на красном участке неба иногда появляется отчетливая контрастная линия?

ОТВЕТЧаще всего днем небо голубое, поскольку флуктуации плотности атмосферы сильнее рассеивают свет из синей части солнечного спектра, чем из красной. Поэтому, если смотреть на небо в сторону от солнца, глаза воспринимают свет наибольшей интенсивности, а это голубой. Он, конечно, не чисто голубой, поскольку глаза воспринимают и слабый свет другого цвета, который тоже рассеивается. Хотя фиолетовый свет рассеивается молекулами воздуха еще сильнее, чем синий, небо не выглядит фиолетовым. Это связано с тем, что в солнечном спектре интенсивность фиолетового цвета меньше и, кроме того, чувствительность глаз к фиолетовому свету меньше, чем к синему. Заметим, что мы часто называем «фиолетовым» цвет на самом конце видимой части спектра; именно в этом смысле мы употребили здесь слово «фиолетовый». Такое словоупотребление не вполне точно: правильнее называть фиолетовым смесь синего и красного, точнее — синий с небольшой примесью красного. Красный с небольшой примесью синего — это малиновый, а вообще смеси синего и красного — это «пурпурные цвета». Рассеяние света на молекулах обычно называют рэлеевским рассеянием , по имени лорда Рэлея, предложившего такую модель в конце XIX века. Вначале Рэлей был уверен, что чистый газ (без взвешенных частиц и пыли) прозрачен, и поэтому считал, что голубой цвет неба обусловлен рассеянием света на мельчайших частицах, а не на молекулах.