Розділ іі. Оптичні явища пов’язані з розсіюванням світла в атмосфері

2.1. Колір Сонця і неба

Земля оточена нескінченною красою синього неба. Ми багато разів запитуємо себе: "Чому небо синє?". А відповідь на це запитання дуже проста. Колір неба це розсіяне сонячне світло. Центрами розсіювання служать самі молекули повітря - кожна окремо. Звичайно, дуже слабким розсіюванням, але достатнім, щоб шар товщиною в багато кілометрів мав синій колір.

У разі поширення світла в каламутному середовищі відбувається дифракції світла на оптичних неоднорідностях. Внаслідок дифракції світло поширюється в напрямках відмінних від напрямку поширення падаючої хвилі, тобто розсіюється.

Інтенсивність розсіяного світла значною мірою залежить від співвідношення між розміром оптичних неоднорідностейdі довжиною хвилі X.Якщо d<X(d=0,l A,), то розсіювання називають релеївським. Закони релеївського розсіювання світла встановив експериментально Дж. Тіндаль у 1869 p., а теоретично їх обґрунтував Дж. Гелей у 1899 р.

Інтенсивність розсіяного світла І обернено пропорційна четвертому степеню довжини хвилі; тобто:

I - закон Релея

Це означає, що фіолетові та сині промені розсіюються оптичними неоднорідностями (краплинами води, пилу, сажі і т.д.) більше, ніж червоні. Тому в разі розсіяння білого світла, розсіяне світло має блакитний відтінок, а світло, яке проходить через оптичне середовище,збагачене довгохвильовим випромінюванням. Інтенсивність розсіяного світла залежить від кута розсіювання:

І₀= І₁ (l + cos²θ)

Де θ- кут розсіяння; І₁ - інтенсивність розсіяного світла під кутом

Із формули випливає, що інтенсивність світла, яке пройшло розсіювальне середовище в напрямі поширення падаючої хвилі, у два рази більша, ніж у перпендикулярному напрямку. Крива розподілу інтенсивності розсіяного світла в площині розсіяння залежно від кута розсіяння називається індикатрисою розсіяння (Рис. 1). У разі обертання такої кривої відносно осей симетрії (АА або ВВ) отримують просторову діаграму інтенсивності розсіяного світла.

Згадаємо також закон розсіювання Релея для частинок менших чим 0,1 довжини хвилі світла:

Де S - розсіювання в одиниці об'єму; N - число частинок в 1 см³; n - показник заломлення.

Колір синього неба змінюється щоденно в залежності від кількості пилу і водяних крапель у повітрі, а також від їх розмірів.

Малі частинки розсіюють переважно фіолетовий і синій кольори, і майже однаково у всіх напрямках. Більші частинки розсіюють всі кольори однаково сильно (біле світло) і переважно під малими кутами.

Теорія розподілу кольору і світла по небу дуже важка. Справа в тому, що повітря освітлюється не тільки Сонцем, але і блакитним небом; крім того, це явище наявністю в атмосфері пилу і водяних крапель, дію яких врахувати не можливо. Найбільш темна точка небосхилу завжди лежить на вертикальному колі, яке проходить через Сонце на відстані від нього близько 95%, коли Сонце низько, і близько 65%, коли воно високо. Через цю точку проходить "лінія темноти", яка ділить небо на дві частини: яскраву область, яка прилягає до Сонця, і другу яскраву область - протилежну Сонцю. Ми можемо розглядати розподіл світла по небу, як результат трьох явищ:

1. Поблизу Сонця яскравість швидко зростає і стає навіть засліплюючою, колір все більше наближається до білого.

2. На відстані 90° від Сонця небо повинно бути більш темним і синім.

3. Є третій ефект: інтенсивність світла зростає від зеніту і до горизонту в той же час колір стає білішим.

Перший ефект: сама можливість такого вирівнювання яскравості говорить про те, що поблизу Сонця яскравість повинна бути в 20 разів більша, ніж на відстані 45° від Сонця. Таке сильне розсіювання підмалими кутами до напрямку падаючого світла слідує приписати плаваючим у повітрі великим частинкам - пилинкам і краплинам. Колір поблизу Сонця менш синій, а скоріше білий або навіть жовтуватий.

Другий ефект: це наслідок самого закону розсіювання. Під кутом 90° розсіювання приблизно у два рази слабше, ніж в протисонячній точці, більше того, великі частинки майже не розсіюють світло під такими великими кутами. Слідує, те що ми бачимо, - це лише відокремлений розсіюванням на самих молекулах повітря чистий синій колір.[14]

Третій ефект: він виникає, головним чином, внаслідок великої товщини шару повітря між нашим оком і горизонтом. Хоча кожна частина повітря розсіює переважно фіолетові і сині промені, саме вони послаблюються сильніше всього на своєму довгому шляху від розсіючої частинки до нашого ока. Якщо шар повітря досить товстий, то ці два ефекти гасять один одного. Чим ближче Сонце знаходиться до лінії горизонту, тим більший шлях в атмосфері проходять сонячні промені, перед тим як попадуть в око спостерігача. А якщо промені проходять досить велику відстань, то спочатку розсіюються в атмосфері фіолетовий, синій, блакитний зелений і т.д. кольори, залишається тільки червоний колір. В результаті захід і схід Сонця ми спостерігаємо в червоному кольорі, так як всі інші кольори були розсіяні в атмосфері.