Казалось бы, в школе каждый прилежный и не очень прилежный ученик знает, на какие цвета раскладывается спектр, что из себя представляет каждый из цветов. Однако как бы прилежно не учился ребенок, ему никогда не ответят на главные вопросы, беспокоящие его непоседливый ум с самого раннего детства: почему небо голубое и почему закат красный?
Если немного окунуться в физику, то можно найти, что самым плохим рассеиванием обладает красный спектр. Именно поэтому для того, чтобы огни какого-либо объекта были видны издалека, их делают красного цвета. И все-таки, почему закат красный, а не синий или не зеленый?
Попробуем рассуждать логически. Когда солнце находится прямо у горизонта, его лучам приходится преодолеть намного больший слой атмосферы, нежели когда солнце располагается в зените. Благодаря своей малой рассеиваемости красный цвет практически беспрепятственно проходит этот слой атмосферы, а все остальные цвета спектра настолько сильно рассеиваются, проходя через толщу воздушного пространства Земли, что их фактически совсем не видно. Вот оказывается почему закат красный!
Из этого можно сделать вывод, что закат будет тем краснее, чем больший слой атмосфера находится между солнцем и нашим глазом. Также для того, чтобы закат был более красным, или даже багровым, необходимо просто запылись и загрязнить воздух, тогда другие цвета, кроме красного, будут еще больше рассеиваться.
В ясный солнечный день небо над нами выглядит ярко-синим. Вечером закат окрашивает небосвод в красные, розовые и оранжевые цвета. Почему небо имеет голубой цвет? Что делает закат красным?
Для ответа на эти вопросы нужно знать, что такое свет и из чего состоит атмосфера Земли.
Атмосфера - это смесь газов и других частиц, окружающих землю. В основном атмосфера состоит из газообразных азота (78%) и кислорода (21%). Газ аргон и вода (в виде пара, капель и ледяных кристаллов) следующие по распространённости в атмосфере, их концентрация не превышает соответственно 0,93 % и 0,001%. В атмосфере Земли в небольших количествах содержатся и другие газы, а так же мельчайшие частицы пыли, сажи, пепла, пыльцы и соли, попадающей в атмосферу из океанов.
Состав атмосферы изменяется в небольших пределах в зависимости от места, от погоды и т.д. Концентрация воды в атмосфере увеличивается во время ливневых штормов, а так же вблизи океана. Вулканы способны выбросить огромное количество пепла высоко в атмосферу. Техногенные загрязнения могут так же добавить к обычному составу атмосферы различные газы или пыль и сажу.
Плотность атмосферы на низкой высоте у поверхности Земли является наибольшей, с увеличением высоты она плавно уменьшается. Между атмосферой и космосом отсутствует какая-либо ярко выраженная граница.
Свет является разновидностью энергии, перенос которой осуществляется с помощью волн. Кроме света, с помощью волн осуществляется перенос других видов энергий, например, звуковая волна является колебаниями воздуха. Световая волна является колебаниями электрических и магнитных полей, этот диапазон называется электромагнитным спектром.
Электромагнитные волны распространяются через безвоздушное пространство со скоростью 299,792 км/с. Скорость распространения этих волн называется скоростью света.
Энергия излучения зависит от длины волны и её частоты. Длина волны - это расстояние между двумя ближайшими вершинами (или впадинами) волны. Частота волны - это число колебаний волны за секунду. Чем длиннее волна, тем ниже её частота, и тем меньше энергии она несёт.
Видимый свет является частью электромагнитного спектра, который может быть виден нашими глазами. Свет, испускаемый Солнцем или лампой накаливания может иметь белый цвет, но на самом деле он является смесью различных цветов. Можно увидеть различные цвета видимого спектра света, разложив его на составляющие с помощью призмы. Этот спектр так же можно наблюдать на небе в виде радуги, возникающей из-за преломления света Солнца в капельках воды, действующих как одна гигантская призма.
Цвета спектра смешиваются, непрерывно переходят один в другой. На одном конце спектр имеет красный или оранжевый цвета. Эти цвета плавно переходят в жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый цвета. Цвета имеют различные длины волн, разные частоты и различаются по энергиям.
Свет распространяется через пространство по прямой до тех пор, пока на его пути нет препятствий. При входе световой волны в атмосферу свет продолжает распространяться прямолинейно до тех пор, пока на его пути не окажется пыль или молекулы газа. В этом случае то, что произойдёт со светом будет зависеть от его длины волны и размера частиц, оказавшихся на его пути.
Частицы пыли и капли воды имеют размеры гораздо больше, чем длина волны видимого света. Свет отражается в различных направлениях при столкновениях с этими крупными частицами. Различные цвета видимого света одинаково отражаются этими частицами. Отражённый свет кажется белым, так как он всё ещё содержит те же самые цвета, которые были в нём до отражения.
Молекулы газов имеют меньшие размеры, чем длина волны видимого света. Если световая волна сталкивается с ними, то результат столкновения может быть различным. Когда свет сталкивается с молекулой какого-либо газа, то часть его поглощается. Чуть позже молекула начинает излучать свет в различных направлениях. Цвет излучающегося света является тем же самым цветом, который был поглощён. Но цвета различных длин волн поглощаются по-разному. Любые цвета могут поглощаться, но более высокие частоты (голубой цвет) поглощаются гораздо сильнее, чем низкие частоты (красный цвет). Этот процесс называется рассеянием Рэлея, оно названо так в честь британского физика Джона Рэлея, открывшего это явление рассеяния в 1870-х годах.
Небо имеет голубой цвет из-за рассеяния Рэлея. По мере продвижения света через атмосферу большая часть длинных волн оптического спектра проходит без изменений. Только незначительная часть красного, оранжевого и жёлтого цветов взаимодействует с воздухом.
Однако многие более короткие волны света поглощаются молекулами газов. После поглощения голубой цвет излучается во всех направлениях. Он рассеивается повсюду на небе. В каком бы направлении не посмотреть, часть из этого рассеянного синего света достигает наблюдателя. Так как синий свет виден повсюду над головой, то и небо выглядит голубым.
Если посмотреть в сторону горизонта, то небо будет иметь более бледный оттенок. Это является результатом того, что свет проходит большее расстояние в атмосфере до наблюдателя. Рассеянный свет снова рассеивается атмосферой, и меньше голубого цвета достигает глаз наблюдателя. Поэтому цвет неба у горизонта кажется бледнее или даже кажется совсем белым.
С Земли Солнце кажется жёлтым. Если бы мы находились в космосе или на Луне, то Солнце казалось бы нам белым. В космосе нет атмосферы, которая рассеивает солнечный свет. На Земле часть коротких волн солнечного света (голубой и фиолетовый цвета) поглощаются рассеянием. Оставшаяся часть спектра выглядят жёлтым цветом.
Кроме того, в космосе небо выглядит тёмным или чёрным вместо голубого. Это результат отсутствия атмосферы, следовательно свет никак не рассеивается.
Когда Солнце клонится к закату, то солнечному свету приходится проходить большее расстояние в атмосфере, что бы достичь наблюдателя, соответственно больше солнечного света отражается и рассеивается атмосферой. Так как меньше прямого света достигает наблюдателя, то Солнце кажется менее ярким. Цвет Солнца так же кажется другим, он имеет диапазон цветов от оранжевого до красного. Это происходит из-за того, что рассеивается ещё больше коротковолновых цветов, голубого и зелёного. Остаются только длинноволновые составляющие оптического спектра, которые и достигают глаз наблюдателя.
Небо вокруг заходящего солнца может быть окрашено в разные цвета. Наиболее красивым небо бывает тогда, когда воздух содержит множество маленьких частиц пыли или воды. Эти частицы отражают свет во всех направлениях. В этом случае происходит рассеяние более коротких световых волн. Наблюдатель видит световые лучи более длинных волн, и поэтому небо кажется красным, розовым или оранжевым.
Атмосфера - это смесь газов и других веществ, которые окружают Землю, в виде тонкой, в основном прозрачной оболочки. Атмосфера удерживается на месте благодаря притяжению Земли. Основными компонентами атмосферы являются азот (78,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%) и диоксид углерода (0.03%). Так же в атмосфере содержатся в небольших количествах вода (в разных местах её концентрация колеблется от 0% до 4%), твёрдые частицы, газы неон, гелий, метан, водород, криптон, озон и ксенон. Наука, которая изучает атмосферу, называется метеорологией.
Жизнь на Земле была бы невозможна без наличия атмосферы, которая поставляет кислород, необходимый нам для дыхания. Кроме того, атмосфера выполняет и другую важную функцию - она выравнивает температуру по всей планете. Если бы атмосферы не было, то в одних местах планеты могла бы быть испепеляющая жара, а в других местах сильнейший холод, диапазон температур мог бы колебаться от -170°C ночью до +120°C днём. Так же атмосфера защищает нас от вредного излучения Солнца и космоса, поглощая и рассеивая его.
От всего количества энергии Солнца, достигающей Земли, примерно 30% отражается облаками и земной поверхностью обратно в космос. Атмосфера поглощает примерно 19% излучения Солнца, и только 51% поглощается поверхностью Земли.
Воздух имеет вес, хотя мы и не сознаём этого, и не ощущаем давления воздушного столба. На уровне моря это давление имеет величину одну атмосферу, или 760 мм ртутного столба (1013 миллибар или 101,3 кПа). С увеличением высоты атмосферное давление быстро снижается. Давление падает в 10 раз при увеличении высоты на каждые 16 км. Это означает, что при давлении 1 атмосфера на уровне моря, на высоте 16 км давление будет равно 0,1 атм, а на высоте 32 км - 0,01 атм.
Плотность атмосферы в самых низших её слоях составляет 1,2 кг/м 3 . В каждом кубическом сантиметре воздуха содержится примерно 2,7*10 19 молекул. На уровне земли каждая молекула движется со скоростью около 1600 км/час, при этом частота столкновения с другими молекулами составляет 5 миллиардов раз в секунду.
Плотность воздуха также быстро падает с ростом высоты. На высоте 3 км плотность воздуха уменьшается на 30%. Люди, живущие вблизи уровня моря при поднятии на такую высоту испытывают временные проблемы с дыханием. Наибольшая высота, на которой постоянно проживают люди, составляет 4 км.
Атмосфера состоит из разных слоёв, разделение на эти слои происходит по их температуре, молекулярному составу и электрическим свойствам. Эти слои не имеют ярко выраженных границ, они сезонно изменяются, и кроме того их параметры меняются на разных широтах.
Высота верхней границы тропосферы зависит от сезонов и широты. Она простирается от земной поверхности до высоты примерно 16 км у экватора, и до высоты 9 км на Северном и Южном полюсах.
Стратосфера - простирается примерно от высоты 11 км до 50 км.
Мезосфера - простирается до высот примерно 100 км.
Термосфера - простирается до высот примерно 400 км.
Экзосфера - простирается на сотни километров за Термосферу, постепенно переходя в космическое пространство.
Видимый свет является разновидностью энергии, способной перемещаться через пространство. Свет от Солнца или лампы накаливания кажется белым, хотя в действительности он является смесью всех цветов. Основные цвета, из которых сложен белый цвет это красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета непрерывно переходят один в другой, поэтому кроме основных цветов имеется ещё огромное количество всевозможных оттенков. Все эти цвета и оттенки можно наблюдать на небе в виде радуги, возникающей в области повышенной влажности.
Воздух, заполняющий всё небо, является смесью мельчайших молекул газа и небольших твёрдых частиц, таких как пыль.
По мере того, как солнечный свет проходит сквозь воздух, он натыкается на молекулы и пыль. Когда свет сталкивается с молекулами газа, то может произойти отражение света в различных направлениях. Некоторые цвета, например, красный и оранжевый, напрямую достигают наблюдателя, непосредственно проходя через воздух. Но большая часть синего света переотражается от молекул воздуха во всех направлениях. Таким образом происходит рассеивание синего света по всему небу и оно кажется голубым.
Когда мы смотрим вверх, то некоторая часть этого голубого свет достигает наших глаза ото всех концов неба. Так как повсюду над головой нам виден синий цвет, то небо выглядит голубым.
В космическом пространстве отсутствует воздух. Так как там нет препятствий, от которых свет мог бы отражаться, то свет распространяется напрямую. Лучи света не рассеиваются, и "небо" выглядит тёмным и чёрным.
Для проведения этого эксперимента понадобится:
Как проводить эксперимент:
Что происходит: вода и зеркало действуют как призма, разлагая свет на цветовые составляющие спектра. Это происходит потому, что лучи света, проходя из одной среды (воздуха) в другую (воду) изменяют свою скорость и направление. Это явление называется рефракцией. Различные цвета преломляются по-разному, фиолетовые лучи сильнее тормозятся и сильнее изменяют своё направление. Красные лучи замедляются и меняют своё направление в меньшей степени. Свет разделяется на составляющие цвета, и мы можем видеть спектр.
Материалы, необходимые для проведения эксперимента:
Проведение эксперимента:
Что в этом эксперименте происходит: мелкие частицы молока, взвешенные в воде, рассеивают свет, идущий от фонарика точно так же, как частицы и молекулы в воздухе рассеивают солнечный свет. Когда стакан освещается сверху, то вода кажется голубоватой из-за того, что голубой цвет рассеивается во все стороны. Когда вы смотрите через воду непосредственно на свет, то свет фонаря кажется красным, так как часть синих лучей была удалена из-за рассеяния света.
Вам понадобится:
Как проводить эксперимент:
Объяснение увиденного явления: цвета, которыми раскрашены секторы на диске, являются основными составляющими цветами белого света. Когда диск вращается достаточно быстро, то кажется, что цвета сливаются, и диск выглядит белым. Попробуйте поэкспериментировать с другими комбинациями цветов.
> > Почему Солнце красное
Почему Солнце становится красным на закате : схема движения звезды по небу Земли, особенности атмосферы планеты и преломления света, красный конец спектра.
Почему солнце красное ? Удивительный вопрос. Ведь мы могли заметить, что часто на закате Солнце становится красного цвета, окрашивая небо в кровавые оттенки. Как так происходит и почему именно красный цвет? Самый простой ответ заключается в том, что свет преломляется частицами в атмосфере и все, что мы видим - это красный конец спектра. Чтобы лучше понять, вы должны иметь базовое представление того, как свет ведет себя в воздухе, состав атмосферы, цвет света, длины волн, и Рэлеевское рассеяние.
Атмосфера - это один из основных факторов в определении цвета окрашивания заката. В основном земная атмосфера состоит из газов с добавлением других молекул. Это сказывается на том, что можно увидеть в каждом направлении, поскольку атмосфера полностью окружает Землю. Наиболее распространенными газами считаются азот (78%) и кислород (21%). Один процент, который остался, состоит из следовых газов, как аргон и водяной пар, большего количества мелких твердых элементов таких, как пыль, сажа и пепел, пыльцы, и соли с океанов. В атмосфере может находиться больше воды после дождя, или около океана. Вулканы могут выкидывать много частиц пыли высоко в атмосферу. Загрязнение может прибавить разнообразные газы, пыль, сажу.
Затем, вы должны смотреть на световые волны и цвет света. Свет - это энергия, что путешествует в волнах. Свет - это волна из вибрирующих электрических и магнитных полей, которая считается частичкой электромагнитного диапазона. Электромагнитные волны перемещаются сквозь пространство со скоростью света (299,792 км/сек). Энергия испускания зависит от длины волн и частоты.
Протяженность волны - это промежуток между вершинами волн. Частота - это число волн, которые проходят каждую секунду. Чем дольше длина волны света, тем ниже частота, и меньше энергии она содержит. Видимый свет - это часть электромагнитного диапазона, который мы видим. Свет от лампочки либо может выглядеть белым, однако, это комбинация многих цветов. Радуга - это естественный эффект призмы. Тона спектра комбинируются друг с другом, обладают различной длиной волн, частот и энергии. Фиолетовый цвет имеет наиболее короткую длину волны, означающую, что у нее самая значительная частота и энергия. Красный цвет обладает самыми длинными волнами и самой низкой частотой и энергией.
Для того чтобы соединить это все вместе, мы должны смотреть на действие света в воздухе нашей планеты. То, что происходит со светом, зависит от длины волны света и величины частиц. Частицы пыли и водные капельки намного большего размера, чем длина волны видимого света, поэтому она отскакивает в разных направлениях. Свет, который отражается, кажется белым, потому что он по-прежнему содержит все те же цвета, но молекулы газа меньше, чем длина волны видимого света. Когда свет натыкается на них, то он действует по-разному. После того как в свет попадает молекула газа, часть его может быть поглощена. Позже, молекула излучает свет в разном направлении. Цвет, который излучен, является тем же самым, что был поглощен. Различные цвета света влияют по-разному. Все цвета могут быть поглощены, но более высокие частоты (голубые) поглощены чаще, чем более низкие частоты (красные). Этот процесс называется рассеянием Рэлея.
Итак, ответ на вопрос "Почему Солнце красное?" следующий: на закате свет должен путешествовать дальше через атмосферу, прежде чем он доберется к вам, поэтому он больше всего отражается и рассеивается, и Солнце появляется из затемнения. Цвет Солнца меняется от оранжевого к красному, потому, что имеется больше волн синего и зеленого теперь рассеяны и только длинные волны (оранжевые и красные) остаются замеченными.
Несмотря на научный прогресс и свободный доступ ко множеству источников информации, редкий человек может правильно ответить на вопрос, почему небо голубое.
Белый свет - а именно его излучает Солнце - состоят из семи частей цветового спектра: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Известная еще со школы считалочка - «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан» - как раз и определяет цвета этого спектра по начальным буквам каждого из слов. Каждому цвету соответствует своя длина световой волны: самая большая у красного и самая короткая у фиолетового цвета.
Привычное для нас небо (атмосфера) состоит из твердых микрочастиц, мельчайших капель воды и молекул газа. На протяжении долгого времени существовало несколько ошибочных предположений, пытающихся объяснить, почему небо голубое:
Эти гипотезы поддерживали многие известные ученые, однако исследования английского физика Джона Рэлея показали, что не твердые частицы являются основной причиной рассеивания света. Именно молекулы газов, находящихся в атмосфере, разделяют свет на цветовые составляющие. Белый солнечный луч, столкнувшись в небе с газовой частицей, разлетается (рассеивается) в разные стороны.
При столкновении с молекулой газа, каждый из семи цветовых компонентов белого света рассеивается. При этом свет с более длинными волнами (красная составляющая спектра, в которую также входит оранжевый и желтый) рассеивается хуже, чем свет с короткими волнами (синяя составляющая спектра). Из-за этого после рассеивания, в воздухе остается в восемь раз больше цветов синего спектра, чем красного.
Хотя и самая короткая длина волны у фиолетового цвета, небо всё равно кажется голубым из-за смешения фиолетовых и зелёных волн. Кроме этого, нашими глазами лучше воспринимается голубой цвет, чем фиолетовый, при одинаковой яркости обоих. Именно эти факты и определяют цветовую гамму неба: атмосфера буквально наполнена лучами сине-голубого цвета.
Однако, небо голубое не всегда. Закономерно возникает вопрос: если мы видим в течение всего дня синее небо, почему закат красный? Выше мы выяснили, что красный цвет меньше всего рассеивается молекулами газа. Во время заката Солнце приближается к горизонту и солнечный луч направлен к поверхности Земли не вертикально, как днем, а под углом.
Поэтому путь, который он проходит через атмосферу, намного больше того, что он проходит днем, когда Солнце стоит высоко. Из-за этого сине-голубой спектр поглощается в толстом слое атмосферы, не доходя до Земли. А более длинные световые волны красно-жёлтого спектра доходят до поверхности Земли, окрашивая небо и облака в характерные для заката красный и жёлтый цвета.
Затронем и тему облаков. Почему на голубом небе белые облака? Для начала вспомним, как они образуются. Влажный воздух, содержащий невидимый пар, нагреваясь у поверхности земли, поднимается и расширяется в силу того, что вверху давление воздуха меньше. Расширяясь, воздух охлаждается. При достижении определенной температуры водяной пар конденсируется вокруг атмосферной пыли и других взвешенных твердых частиц, и в результате образуются крохотные капли воды, слияние которых формирует облако.
Несмотря на свой сравнительно малый размер, частицы воды намного больше молекул газа. И если, встречая молекулы воздуха, солнечные лучи рассеиваются, то при встрече с каплями воды свет отражается от них. При этом изначально белый солнечный луч своего цвета не меняет и одновременно «окрашивает» в белый цвет молекулы облаков.
