Зеленый луч

Зеленый луч, сфотографированный в 1992 г. в Финляндии. Автор фотографии Pekka Parviainen (Polar Image)

Зеленый луч – редкое оптическое явление, которое представляет собой вспышку зелёного света в момент исчезновения солнечного диска под горизонтом или появления его из-за горизонта. Для наблюдения зелёного луча необходимы три условия: открытый горизонт (в степи или на море в отсутствие волнения), чистый воздух и свободная от облаков сторона горизонта, где происходит заход или восход Солнца. Обычная продолжительность зелёного луча всего несколько секунд. Причина этого явления – рефракция (преломление) солнечных лучей в атмосфере, сопровождающаяся их дисперсией, то есть разложением в спектр.

Рефракция света в атмосфере – оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов, а иногда и в кажущемся изменении их формы. Некоторые проявления рефракции, например, сплюснутая форма дисков Солнца и Луны у горизонта, мерцание звёзд, дрожание далёких земных предметов в жаркий день, были замечены уже в древности. Причина этого в том, что атмосфера является средой оптически неоднородной, лучи света распространяются в ней не прямолинейно, а по некоторой кривой линии. Поэтому наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения. При этом сила рефракции зависит от длины волны луча: чем короче длина волны луча, тем сильнее он будет приподниматься за счет рефракции. Вследствие различия рефракции для лучей с разной длиной волны, особенно большой вблизи горизонта, у диска восходящего или заходящего Солнца может наблюдаться цветная кайма (сверху сине-зелёная, снизу красная). Этим и объясняется явление зелёного луча.

Красная и оранжевая части диска Солнца заходят за горизонт раньше зелёной и голубой. Дисперсия солнечных лучей в наиболее явном виде проявляется в самый последний момент захода Солнца, когда над горизонтом остается небольшой верхний сегмент, а затем только самая верхушка солнечного диска. Когда Солнце погружается под горизонт, последним лучом мы должны были бы увидеть фиолетовый. Однако самые коротковолновые лучи – фиолетовые, синие, голубые – настолько сильно рассеиваются, что не доходят до земной поверхности. Кроме того, к лучам этой части спектра меньше чувствительны глаза человека. Поэтому в последний момент захода происходит быстрая смена цветов от красного через оранжевый и жёлтый к зелёному и последний луч заходящего Солнца оказывается яркого изумрудного цвета. Это явление и получило название зелёного луча.

При восходе Солнца имеет место обратная смена цветов. Первый луч восходящего Солнца – зелёный – сменяется жёлтым, оранжевым и, наконец, из-за горизонта показывается красный край восходящего светила.

4.2. Поглощение света

При прохождении электромагнитных волн через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов в атомах и молекулах. В идеальной однородной среде периодически колеблющиеся диполи излучают когерентные вторичные электромагнитные волны той же частоты и при этом полностью отдают поглощенную долю энергии. Соответствующий расчет дает, что в результате интерференции вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны, и изменяют ее фазовую скорость. Поэтому в случае идеальной однородной среды поглощения света и перераспределения света по направлениям, то есть рассеяния света, не происходит.

В реальном веществе не вся энергия колеблющихся электронов испускается обратно в виде электромагнитной волны, а часть ее переходит в другие формы энергии и, главным образом, – в тепловую. Возбужденные атомы и молекулы взаимодействуют и сталкиваются друг с другом. При этих столкновениях энергия колебаний электронов внутри атомов может переходить в энергию внешних хаотических движений атомов в целом. В металлах электромагнитная волна приводит в колебательное движение свободные электроны, которые затем при столкновениях отдают накопленный избыток энергии ионам кристаллической решетки и тем самым нагревают ее. В некоторых случаях энергия, поглощенная молекулой, может сконцентрироваться на определенной химической связи и полностью затратиться на ее разрыв. Это так называемые фотохимические реакции, то есть реакции, происходящие за счет энергии световой волны.

П оэтому интенсивность света при прохождении через обычное вещество уменьшается – свет поглощается в веществе. Поглощение света можно описать с энергетической точки зрения.

Рассмотрим широкий пучок параллельных лучей, распространяющихся в поглощающей среде (рис. 4.8). Обозначим начальную интенсивность лучистого потока в плоскости  через . Пройдя в среде путь z, лучистый пучок в результате поглощения света ослабляется, и его интенсивность  становится меньше .

Выделим в среде участок толщиной . Интенсивность света, прошедшего путь , равная , будет меньше , то есть . Величина  представляет собой уменьшение интенсивности падающего излучения вследствие поглощения на участке . Эта величина  пропорциональна толщине участка  и интенсивности падающего на этот участок света , то есть , где  – коэффициент поглощения, который зависит как от природы вещества (его химического состава, агрегатного состояния, концентрации, температуры), так и от длины волны света, взаимодействующего с веществом. Функцию, определяющую зависимость коэффициента поглощения от длины волны, называют спектром поглощения.

Выражение для интенсивности света, прошедшего через среду определенной толщины z, носит название закона Бугера:

,

где  – интенсивность света при ,  – основание натурального логарифма.

Рис. 4.9

Для всех веществ поглощение имеет избирательный характер. Для жидких и твердых веществ зависимость  имеет вид, подобный изображенному на рис. 4.9. В этом случае сильное поглощение наблюдается в широком интервале длин волн. Наличие таких полос поглощения лежит в основе действия светофильтров – пластин, содержащих добавки солей или органических красителей. Фильтр прозрачен для тех длин волн, которые он не поглощает.

Металлы практически непрозрачны для света. Это связано с наличием в них свободных электронов, которые под действием электрического поля световой волны приходят в движение. Согласно закону Джоуля–Ленца возникающие при этом в металле быстропеременные токи сопровождаются выделением тепла. В результате энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла.

Рис. 4.10

В случае газов или паров при невысоком давлении  лишь для очень узких спектральных интервалов  (рис. 4.10). В этом случае атомы практически не взаимодействуют друг с другом, и максимумы соответствуют резонансным частотам колебаний электронов внутри атомов. Внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия, то есть показатель преломления убывает с уменьшением длины волны.

В случае многоатомных молекул возможно также поглощение на частотах, соответствующих колебаниям атомов внутри молекул. Но так как массы атомов в десятки тысяч раз больше массы электронов, то эти частоты соответствуют инфракрасной области спектра. Поэтому многие вещества, прозрачные для видимого света, обладают поглощением в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Так, обычное стекло поглощает ультрафиолетовые лучи и инфракрасные лучи с большими частотами. Прозрачными для ультрафиолетовых лучей являются кварцевые стекла.

Рис. 4.11

Избирательным поглощением стекла или полиэтиленовой пленки обусловлен так называемый парниковый эффект: инфракрасное излучение, испускаемое нагретой землей, поглощается стеклом или пленкой и, следовательно, задерживается внутри парника.

Биологические ткани и некоторые органические молекулы сильно поглощают ультрафиолетовое излучение, губительное для них. Живую природу на Земле от ультрафиолетового излучения защищает слой озона в верхних слоях атмосферы, интенсивно поглощающий ультрафиолетовое излучение. Вот почему человечество так обеспокоено появлением озоновой дыры в районе Южного полюса.

Рис. 4.12

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны объясняется окрашенностью поглощающих тел. Так, лепестки розы (рис. 4.11) при освещении ее солнечным светом слабо поглощают красные лучи и сильно поглощают лучи, соответствующие другим длинам солнечного спектра, поэтому роза красная. Лепестки белой орхидеи (рис. 4.12) отражают все длины волн солнечного спектра. А листья у обоих цветков зеленые, это значит, что из всего диапазона волн они отражают в основном волны зелёной части спектра, а остальные поглощают.