Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Хотя вода и молекулы озона [65]в атмосфере поглощают свет из красной области видимого спектра, так что остается главным образом синий цвет, не они ответственны за голубой цвет неба. В атмосфере слишком мало воды, чтобы поглощение красного света молекулами воды могло играть существенную роль, а озоновый слой слишком тонок, чтобы поглощение его молекулами озона было существенно.

На горизонте небо белое, поскольку свет от далеких молекул, прежде чем достигнуть наблюдателя, испытывает многократное рассеяние. Более близкие молекулы, как и более далекие, посылают в направлении к наблюдателю голубой свет. Но путь, который проходит свет от более далеких молекул, длиннее, а значит, он дополнительно рассеивается, и его голубая компонента ослабевает. В конечном счете в свете, идущем от далеких молекул, доминирующим становится красный цвет. Он смешивается с доминирующим голубым светом от ближних молекул, что и обеспечивает белый цвет неба на горизонте.

Ночью небо тоже голубое, но свет слишком тусклый, чтобы глаз человека мог его воспринять. Однако голубой цвет виден на фотографиях с большой экспозицией.

При заходе солнца глаз воспринимает световые лучи, прошедшие более длинный путь через земную атмосферу, чем прямые солнечные лучи, когда солнце в зените. На этом пути б о льшая часть синего света рассеивается молекулами воздуха, и до наблюдателя в основном доходит красный и желтый свет. Пик интенсивности приходится на длину волны порядка 595 нм, что воспринимается как оранжевый цвет. Однако чаще всего цвет неба при закате ближе к красному, поскольку мельчайшие частицы в атмосфере усиливают рассеяние света всех цветов, кроме красного.

Иногда во время заката можно видеть, что небо четко делится на области разных цветов. Такое бывает, если лучи света проходят через слой с температурной инверсией, где температура воздуха повышается с увеличением высоты. Свет, проходящий на закате через такой слой, преломляется, и глаз его не воспринимает. Если до наблюдателя по-прежнему доходит свет от слоев ниже и выше слоя с температурной инверсией и поскольку этот слой выпал из его поля зрения, цвет нижнего слоя не переходит плавно в цвет верхнего слоя.

Предположим, вы смотрите на уходящую вдаль цепь темных гор. Почему где-то посередине гряды горы становятся голубыми, чуть дальше они кажутся еще голубее, а на горизонте это уже почти белые горы? Почему иногда снежная равнина, ярко освещенная солнцем, где-то вдали кажется желтой? Почему очень далекие облака бывают красными? Можно предположить, что красными облака бывают только на закате, когда часть неба окрашена в красный цвет. Но нет, иногда красные облака встречаются и когда солнце стоит высоко.

ОТВЕТ •Темные горы посередине уходящей вдаль гряды кажутся голубыми, поскольку, как объяснялось в предыдущей задаче, воздух между горой и наблюдателем рассеивает в его направлении больше света из синей, нежели из красной области видимого спектра. Поэтому кажется, что темная гора окутана синей дымкой. Если гора расположена дальше, между наблюдателем и горой больше воздуха, где происходит преобладающее рассеяние синего света. А вблизи горизонта гора кажется белой потому же, почему небо на горизонте кажется белым (см. ответ к предыдущей задаче).

Цвет отдаленной, ярко освещенной снежной равнины не совпадает с цветом горы на том же расстоянии, потому что, глядя на снежную равнину, наблюдатель видит отраженный от снега яркий белый свет, которого нет, если он смотрит на гору. По пути к наблюдателю отраженный от снега белый свет рассеивается на флуктуациях плотности воздуха (то есть на неоднородностях атмосферы), интенсивность входящего в его состав синего света падает, и до наблюдателя доходит свет, в котором доминируют красный и желтый цвета. Однако освещенные солнцем молекулы воздуха, находящиеся между наблюдателем и снежной равниной, тоже посылают в направлении наблюдателя рассеянный свет, но в нем доминирует синий цвет. Комбинация голубого рассеянного солнечного света и желто-красного, идущего от снежной равнины, дает белый цвет с желтым оттенком.

Как и далекая снежная равнина, отдаленные тучи тоже могут рассеивать яркий белый свет в направлении наблюдателя, и можно подумать, что и тучи будут выглядеть желтоватыми. Однако очень далекие тучи могут иметь заметный красноватый оттенок. Разница в цвете объясняется тем, что наблюдатель видит тучи на гораздо большем расстоянии, чем снежное поле. Большее расстояние означает, что свет от туч больше рассеивается на молекулах воздуха, что и обеспечивает его красноватый оттенок.

Справедлива ли поговорка: «Небо красно к вечеру — моряку бояться нечего; небо красно поутру — моряку не по нутру»?

ОТВЕТ •Поговорка в какой-то мере справедлива: обычно шторм наступает с запада, продвигаясь вперед как шквальный фронт . Если на западе небо красное на закате, следовательно, на западе нет грозовых туч, не позволяющих солнечному свету обогнуть искривленную земную поверхность (рефракция). С большой вероятностью это означает, что в ближайшие дни погода будет хорошей. Однако если небо на западе красное утром, тогда от туч свободно небо на востоке, и вскоре с запада может прийти шторм.

Почему после извержения вулканов по всему миру наблюдаются очень яркие закаты? Вероятно, именно они вдохновили художника Эдварда Мунка на создание цикла картин, среди которых знаменитое полотно «Крик», на котором изображен кричащий от ужаса человек на фоне кроваво-красного неба. Такие необычные закаты Мунк мог видеть у себя дома, в Норвегии, после извержения вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году. В результате этого извержения вулканический пепел попал в верхние слои атмосферы и оставался там в течение нескольких лет. Когда пепел достиг высоких северных широт Норвегии, Мунк, по-видимому, видел эти завораживающие, вызывающие ужас закаты.

ОТВЕТ •При извержении вулкана пепел и другие выброшенные вверх частицы формируют на высоте около 20 км плотное облако, в состав которого входит диоксид серы. На этой высоте при реакции диоксида серы с озоном выделяются сульфаты, частицы которых остаются в воздухе во взвешенном состоянии. Облако из пепла и сульфатного аэрозоля распространяется вокруг Земли. Теперь цвет неба на закате определяется комбинацией солнечного света, рассеянного этим слоем, и света, рассеянного молекулами воздуха под и над ним. Свет, прошедший к наблюдателю из-под облака, в основном красный. Он проходит через плотные слои атмосферы и, многократно рассеиваясь на большом числе молекул воздуха, теряет почти всю свою синюю составляющую. Свет, доходящий до наблюдателя из вулканического облака, тоже проходит через нижние слои атмосферы, но из-за поглощения озоном теряется часть его красной составляющей. Свет, идущий из области над облаком, проходит через более разреженную атмосферу и на своем пути теряет только небольшую часть синего солнечного света. После извержения разнообразие цветов на небе во время заката завораживает. Разные участки неба окрашены по-разному, и картина меняется каждый день. Вулканический пепел и взвешенные частицы остаются в воздухе месяцами, поэтому и фантастические закаты можно наблюдать очень долго. Если на западе далекие тучи за линией горизонта частично блокируют свет под образовавшимся вулканическим слоем, в горизонтальной плоскости цвета меняются, и возможен закат, при котором расцветка неба справа и слева от солнца будет отличаться очень сильно.