Näib, et koolis teab iga hoolas ja mitte nii usin õpilane, mis värvideks spekter jaguneb, mis iga värv on. Ent ükskõik kui usinalt laps õpib, ei saa ta kunagi vastust peamistele küsimustele, mis on tema rahutut meelt juba varasest lapsepõlvest saati vaevanud: miks on taevas sinine ja miks on päikeseloojang punane?
Kui sukeldute veidi füüsikasse, avastate, et punasel spektril on kõige halvem hajumine. Seetõttu tehaksegi need punaseks, et objekti tuled oleks kaugelt nähtavad. Ja veel, miks on päikeseloojang punane, mitte sinine või roheline?
Proovime loogiliselt mõelda. Kui päike on otse silmapiiril, peavad selle kiired ületama palju suurema atmosfäärikihi kui siis, kui päike on oma seniidis. Punane värv läbib vähese hajuvuse tõttu seda atmosfäärikihti peaaegu takistamatult ning kõik teised spektrivärvid hajuvad Maa õhuruumi paksust läbides nii tugevalt, et tegelikult pole neid üldse näha. Sellepärast on päikeseloojang punane!
Sellest võime järeldada, et päikeseloojang on seda punasem, mida suurem on atmosfäärikiht päikese ja meie silma vahel. Samuti selleks, et päikeseloojang oleks rohkem punane või isegi karmiinpunane, tuleb lihtsalt tolmada ja õhku saastada, siis muud värvid peale punase hajuvad veelgi rohkem.
Selge päikesepaistelisel päeval paistab taevas meie kohal helesinine. Õhtul värvib päikeseloojang taeva punaseks, roosaks ja oranžiks. Miks on taevas sinine? Mis teeb päikeseloojangu punaseks?
Nendele küsimustele vastamiseks peate teadma, mis on valgus ja millest koosneb Maa atmosfäär.
Atmosfäär on gaaside ja muude Maad ümbritsevate osakeste segu. Atmosfäär koosneb peamiselt lämmastiku (78%) ja hapniku (21%) gaasidest. Argoongaas ja vesi (auru, tilkade ja jääkristallide kujul) on atmosfääris levinumalt järgmised, nende kontsentratsioon ei ületa vastavalt 0,93% ja 0,001%. Maa atmosfäär sisaldab väikeses koguses ka teisi gaase, aga ka pisikesi tolmu-, tahma-, tuha-, õietolmu- ja soolaosakesi, mis ookeanidest atmosfääri satuvad.
Atmosfääri koostis varieerub väikestes piirides sõltuvalt asukohast, ilmast jne. Vee kontsentratsioon atmosfääris suureneb tormide ajal, samuti ookeani lähedal. Vulkaanid on võimelised paiskama atmosfääri tohutul hulgal tuhka. Inimtekkeline saaste võib lisada ka erinevaid gaase või tolmu ja tahma atmosfääri normaalsesse koostisesse.
Atmosfääri tihedus madalatel kõrgustel Maapinna lähedal on suurim, kõrguse kasvades see järk-järgult väheneb. Atmosfääri ja ruumi vahel pole selgelt määratletud piiri.
Valgus on teatud tüüpi energia, mida transpordivad lained. Lained kannavad lisaks valgusele ka teist tüüpi energiat, näiteks helilaine on õhu vibratsioon. Valguslaine on elektri- ja magnetväljade võnkumine, seda vahemikku nimetatakse elektromagnetiliseks spektriks.
Elektromagnetlained levivad läbi õhuvaba ruumi kiirusega 299,792 km/s. Kiirust, millega need lained levivad, nimetatakse valguse kiiruseks.
Kiirgusenergia sõltub lainepikkusest ja selle sagedusest. Lainepikkus on kaugus laine kahe lähima tipu (või sügavuse) vahel. Laine sagedus on laine võnkumiste arv sekundis. Mida pikem on laine, seda madalam on selle sagedus ja seda vähem energiat see kannab.
Nähtav valgus on elektromagnetilise spektri osa, mida meie silmad näevad. Päikese või hõõglambi kiirgav valgus võib tunduda valge, kuid tegelikult on see erinevate värvide segu. Nähtava valguse spektri erinevaid värve näete, kui jagate selle prisma abil komponentideks. Seda spektrit võib taevas jälgida ka vikerkaare kujul, mis tuleneb Päikesest lähtuva valguse murdumisel veepiiskades, toimides ühe hiiglasliku prismana.
Spektri värvid segunevad ja muutuvad pidevalt üksteiseks. Spektri ühes otsas on punased või oranžid värvid. Need värvid lähevad sujuvalt üle kollaseks, roheliseks, siniseks, indigoks ja violetseks. Värvidel on erinevad lainepikkused, erinevad sagedused ja erinevad energiad.
Valgus liigub läbi ruumi sirgjooneliselt seni, kuni selle teel ei ole takistusi. Kui valguslaine siseneb atmosfääri, liigub valgus edasi sirgjooneliselt, kuni tolm või gaasimolekulid satuvad selle teele. Sel juhul sõltub valgusega toimuv selle lainepikkusest ja selle teele sattunud osakeste suurusest.
Tolmuosakesed ja veepiisad on palju suuremad kui nähtava valguse lainepikkus. Valgus peegeldub erinevates suundades, kui see neid suuri osakesi tabab. Need osakesed peegelduvad võrdselt erinevat värvi nähtava valgusega. Peegeldunud valgus näib valge, kuna see sisaldab endiselt samu värve, mis olid olemas enne selle peegeldumist.
Gaasi molekulid on väiksemad kui nähtava valguse lainepikkus. Kui valguslaine nendega kokku põrkub, võib kokkupõrke tulemus olla erinev. Kui valgus põrkub mis tahes gaasi molekuliga, neeldub osa sellest. Veidi hiljem hakkab molekul eri suundades valgust kiirgama. Kiirgava valguse värvus on sama värvi, mis neelduti. Kuid erineva lainepikkusega värvid neelduvad erinevalt. Kõik värvid võivad neelduda, kuid kõrgemad sagedused (sinine) neelduvad palju tugevamalt kui madalamad (punane). Seda protsessi nimetatakse Rayleighi hajumiseks, mis sai nime Briti füüsiku John Rayleighi järgi, kes avastas selle hajumise nähtuse 1870. aastatel.
Taevas on Rayleighi hajumise tõttu sinine. Kui valgus liigub läbi atmosfääri, läbib enamik optilise spektri pikki lainepikkusi muutumatul kujul. Ainult väike osa punasest, oranžist ja kollasest värvist suhtleb õhuga.
Kuid gaasimolekulid neelavad palju lühemaid valguse lainepikkusi. Pärast imendumist eraldub sinine värv igas suunas. See on kõikjal taevas laiali. Ükskõik millises suunas sa vaatad, osa sellest hajutatud sinisest valgusest jõuab vaatlejani. Kuna sinine valgus on nähtav kõikjal pea kohal, tundub taevas sinine.
Kui vaatate horisondi poole, on taevas kahvatum toon. See on tingitud sellest, et valgus liigub vaatlejani jõudmiseks läbi atmosfääri suurema vahemaa. Hajutatud valgust hajutab atmosfäär uuesti ja sinist valgust jõuab vaatleja silmadesse vähem. Seetõttu näib taeva värv horisondi lähedal kahvatum või isegi täiesti valge.
Maalt paistab Päike kollane. Kui oleksime kosmoses või Kuul, näiks Päike meile valgena. Kosmoses ei ole atmosfääri, mis hajutaks päikesevalgust. Maal neeldub osa päikesevalguse lühikestest lainepikkustest (sinine ja violetne) hajumise teel. Ülejäänud spekter on kollane.
Samuti tundub kosmoses taevas sinise asemel tume või must. See on atmosfääri puudumise tagajärg, mistõttu valgus ei haju kuidagi.
Kui Päike loojub, peab päikesevalgus vaatlejani jõudmiseks läbima atmosfääris suurema vahemaa, nii et atmosfäär peegeldub ja hajutab rohkem päikesevalgust. Kuna vaatlejani jõuab vähem otsest valgust, tundub Päike vähem hele. Päikese värvus näib samuti erinev, ulatudes oranžist punaseni. See juhtub seetõttu, et veelgi rohkem lühikese lainepikkusega värve, sinist ja rohelist, on hajutatud. Alles jäävad vaid optilise spektri pikalainelised komponendid, mis jõuavad vaatleja silmadeni.
Taevas loojuva päikese ümber võib olla erinevat värvi. Taevas on kõige ilusam siis, kui õhk sisaldab palju väikeseid tolmu- või veeosakesi. Need osakesed peegeldavad valgust igas suunas. Sel juhul hajuvad lühemad valguslained. Vaatleja näeb pikema lainepikkusega valguskiiri, mistõttu paistab taevas punase, roosa või oranžina.
Atmosfäär on gaaside ja muude ainete segu, mis ümbritsevad Maad õhukese, enamasti läbipaistva kesta kujul. Atmosfääri hoiab paigal Maa gravitatsioon. Atmosfääri põhikomponendid on lämmastik (78,09%), hapnik (20,95%), argoon (0,93%) ja süsinikdioksiid (0,03%). Atmosfäär sisaldab ka vähesel määral vett (erinevates kohtades jääb selle kontsentratsioon vahemikku 0–4%), tahkeid osakesi, gaase neooni, heeliumi, metaani, vesinikku, krüptooni, osooni ja ksenooni. Teadust, mis uurib atmosfääri, nimetatakse meteoroloogiaks.
Elu Maal poleks võimalik ilma atmosfäärita, mis varustab meile hingamiseks vajalikku hapnikku. Lisaks täidab atmosfäär veel üht olulist funktsiooni – see ühtlustab temperatuuri kogu planeedil. Kui atmosfäär poleks, siis mõnel pool planeedil võis valitseda särisev kuumus, teisal aga ekstreemne külm, temperatuurivahemik öösel -170°C kuni päeval +120°C. Atmosfäär kaitseb meid ka Päikese ja kosmose kahjuliku kiirguse eest, neelates ja hajutades seda.
Umbes 30% Maale jõudvast päikeseenergiast peegeldub pilvedelt ja maapinnalt tagasi kosmosesse. Atmosfäär neelab umbes 19% päikesekiirgusest ja ainult 51% Maapinnast.
Õhul on kaal, kuigi me pole sellest teadlikud ega tunneta õhusamba survet. Merepinnal on see rõhk üks atmosfäär ehk 760 mmHg (1013 millibaari ehk 101,3 kPa). Kõrguse kasvades langeb atmosfäärirõhk kiiresti. Rõhk langeb 10 korda iga 16 km kõrguse tõusuga. See tähendab, et rõhul 1 atmosfäär merepinnal 16 km kõrgusel on rõhk 0,1 atm ja 32 km kõrgusel 0,01 atm.
Atmosfääri tihedus selle madalaimates kihtides on 1,2 kg/m3. Iga kuupsentimeetris õhk sisaldab ligikaudu 2,7 * 10 19 molekuli. Maapinnal liigub iga molekul umbes 1600 km/h, põrkudes teiste molekulidega kokku 5 miljardit korda sekundis.
Õhutihedus väheneb kiiresti ka kõrguse kasvades. 3 km kõrgusel väheneb õhutihedus 30%. Merepinna lähedal elavatel inimestel on sellisele kõrgusele tõstmisel ajutised hingamisprobleemid. Kõrgeim kõrgus, kus inimesed püsivalt elavad, on 4 km.
Atmosfäär koosneb erinevatest kihtidest, nendeks kihtideks jagunemine toimub vastavalt nende temperatuurile, molekulaarkoostisele ja elektrilistele omadustele. Nendel kihtidel ei ole selgelt määratletud piire, need muutuvad hooajaliselt ja lisaks muutuvad ka nende parameetrid erinevatel laiuskraadidel.
Ülemise piiri kõrgus troposfäär oleneb aastaajast ja laiuskraadist. See ulatub maapinnast ekvaatoril ligikaudu 16 km kõrgusele ning põhja- ja lõunapoolusel 9 km kõrgusele.
Stratosfäär- ulatub umbes 11 km kuni 50 km kõrgusele.
Mesosfäär- ulatub umbes 100 km kõrgusele.
Termosfäär- ulatub umbes 400 km kõrgusele.
Eksosfäär- ulatub sadu kilomeetreid termosfäärist kaugemale, liikudes järk-järgult avakosmosesse.
Nähtav valgus on teatud tüüpi energia, mis võib liikuda läbi ruumi. Päikesevalgus või hõõglamp tundub valge, kuigi tegelikult on see kõigi värvide segu. Valge põhivärvid on punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja violetne. Need värvid muutuvad pidevalt üksteiseks, nii et lisaks põhivärvidele on ka tohutul hulgal erinevaid toone. Kõiki neid värve ja toone saab taevas jälgida vikerkaare kujul, mis ilmub kõrge õhuniiskusega alale.
Kogu taevast täitev õhk on segu pisikestest gaasimolekulidest ja väikestest tahketest osakestest nagu tolm.
Kui päikesevalgus läbib õhku, puutub see kokku molekulide ja tolmuga. Kui valgus põrkub gaasimolekulidega, võib valgus peegelduda erinevates suundades. Mõned värvid, näiteks punane ja oranž, jõuavad vaatlejani otse, liikudes otse läbi õhu. Kuid enamik sinist valgust peegeldub õhumolekulidest igas suunas. See hajutab sinist valgust kogu taevas ja muudab selle siniseks.
Kui vaatame üles, jõuab osa sellest sinisest valgusest meie silmadeni kõikjalt taevast. Kuna me näeme sinist kõikjal oma pea kohal, tundub taevas sinine.
Kosmoses pole õhku. Kuna puuduvad takistused, millelt valgus võiks peegelduda, liigub valgus otse. Valguskiired ei ole hajutatud ja "taevas" tundub tume ja must.
Selle katse läbiviimiseks vajate:
Kuidas katset läbi viia:
Mis juhtub: vesi ja peegel toimivad nagu prisma, jagades valguse spektri värvikomponentideks. See juhtub seetõttu, et valguskiired, liikudes ühest keskkonnast (õhk) teise (vesi), muudavad oma kiirust ja suunda. Seda nähtust nimetatakse murdumiseks. Erinevad värvid murduvad erinevalt, violetsed kiired on rohkem pärsitud ja muudavad oma suunda tugevamini. Punased kiired aeglustuvad ja muudavad suunda vähem. Valgus jaguneb selle komponentvärvideks ja me näeme spektrit.
Katse jaoks vajalikud materjalid:
Eksperimendi läbiviimine:
Selles katses juhtub see, et väikesed vees hõljuvad piimaosakesed hajutavad taskulambist tulevat valgust samamoodi, nagu õhus olevad osakesed ja molekulid hajutavad päikesevalgust. Kui klaas on ülevalt valgustatud, tundub vesi sinakas, kuna sinine värv on igas suunas laiali. Kui vaadata otse läbi vee valgust, paistab laterna valgus punane, kuna osa siniseid kiiri on valguse hajumise tõttu eemaldatud.
Sa vajad:
Kuidas katset läbi viia:
Nähtava nähtuse seletus: värvid, millega ketta sektorid on värvitud, on valge valguse värvide põhikomponendid. Kui ketas pöörleb piisavalt kiiresti, näivad värvid ühinevat ja ketas näib valge. Proovige katsetada teiste värvikombinatsioonidega.
>> Miks on päike punane
Miks muutub päike päikeseloojangul punaseks?: diagramm tähe liikumisest üle Maa taeva, planeedi atmosfääri tunnused ja valguse murdumine, spektri punane ots.
Miks on päike punane? Hämmastav küsimus. Võisime ju märgata, et sageli päikeseloojangul muutub Päike punaseks, värvides taeva veriste varjunditega. Kuidas see juhtub ja miks see on punane? Lihtsaim vastus on, et valgust murduvad atmosfääris olevad osakesed ja me näeme ainult spektri punast otsa. Paremaks mõistmiseks peaksid teil olema põhiteadmised valguse käitumisest õhus, atmosfääri koostisest, valguse värvist, lainepikkustest ja Rayleighi hajumisest.
Atmosfäär on üks peamisi tegureid päikeseloojangu värvi määramisel. Maa atmosfäär koosneb peamiselt gaasidest, millele on lisatud muid molekule. See mõjutab seda, mida võib näha igas suunas, kuna atmosfäär ümbritseb täielikult Maad. Levinumad gaasid on lämmastik (78%) ja hapnik (21%). Ülejäänud üks protsent koosneb gaasijääkidest, nagu argoon ja veeaur, peenematest tahketest elementidest, nagu tolm, tahm ja tuhk, õietolm ja ookeanide soolad. Pärast vihma või ookeani lähedal võib atmosfääris olla rohkem vett. Vulkaanid võivad paisata atmosfääri suurel hulgal tolmuosakesi. Saaste võib hõlmata mitmesuguseid gaase, tolmu ja tahma.
Seejärel peate vaatama valguslaineid ja valguse värvi. Valgus on energia, mis liigub lainetena. Valgus on vibreerivate elektri- ja magnetväljade laine, mida peetakse elektromagnetilise ulatuse osakeseks. Elektromagnetlained liiguvad läbi ruumi valguse kiirusega (299,792 km/sek). Emissioonienergia sõltub lainepikkusest ja sagedusest.
Laine pikkus on lainete tippude vaheline kaugus. Sagedus on lainete arv, mis liiguvad igas sekundis. Mida pikem on valguse lainepikkus, seda madalam on sagedus ja seda vähem energiat see sisaldab. Nähtav valgus on osa elektromagnetilisest vahemikust, mida me näeme. Lambipirni valgus võib tunduda valge, kuid see on paljude värvide kombinatsioon. Vikerkaar on loomulik prismaefekt. Spektri toonid on omavahel kombineeritud, neil on erinevad lainepikkused, sagedused ja energiad. Violetsel on kõige lühem lainepikkus, mis tähendab, et sellel on kõige olulisem sagedus ja energia. Punasel on pikim lainepikkus ning madalaim sagedus ja energia.
Et seda kõike kokku panna, peame vaatama valguse tegevust meie planeedi õhus. Valgusega toimuv sõltub valguse lainepikkusest ja osakeste suurusest. Tolmuosakesed ja veepiisad on palju suuremad kui nähtava valguse lainepikkus, seega põrkuvad eri suundades. Peegelduv valgus näib olevat valge, kuna see sisaldab endiselt samu värve, kuid gaasimolekulid on väiksemad kui nähtava valguse lainepikkus. Kui valgus neid tabab, toimib see teisiti. Kui gaasimolekul valgust tabab, võib osa sellest neelduda. Hiljem kiirgab molekul valgust erinevates suundades. Värv, mis eraldub, on sama, mis imendus. Erinevat värvi valgusel on erinev mõju. Kõik värvid võivad neelduda, kuid kõrgemad sagedused (sinine) neelduvad sagedamini kui madalamad (punane). Seda protsessi nimetatakse Rayleighi hajutamiseks.
Niisiis, vastus küsimusele "Miks on päike punane?" järgmine: Päikeseloojangul peab valgus enne teieni jõudmist läbi atmosfääri edasi liikuma, nii et see peegeldub ja hajub kõige rohkem ning Päike ilmub pimedusest. Päikese värvus muutub oranžist punaseks, kuna siniseid ja rohelisi laineid on nüüd rohkem hajutatud ning nähtavaks jäävad vaid pikemad lained (oranž ja punane).
Vaatamata teaduse arengule ja vabale juurdepääsule paljudele teabeallikatele on harva, kui inimene suudab õigesti vastata küsimusele, miks taevas on sinine.
Valge valgus – mida Päike kiirgab – koosneb seitsmest värvispektri osast: punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja violetne. Koolist tuntud väike riim - "Iga jahimees tahab teada, kus faasan istub" - määrab täpselt selle spektri värvid iga sõna algustähtede järgi. Igal värvil on oma valguse lainepikkus: punane on pikim ja violetne kõige lühem.
Meile tuttav taevas (atmosfäär) koosneb tahketest mikroosakestest, tillukestest veepiiskadest ja gaasimolekulidest. Pikka aega on olnud mitmeid ekslikke oletusi, mis on püüdnud selgitada, miks taevas on sinine:
Neid hüpoteese toetasid paljud kuulsad teadlased, kuid inglise füüsiku John Rayleighi uuringud näitasid, et tahked osakesed ei ole valguse hajumise peamine põhjus. Just atmosfääri gaaside molekulid eraldavad valguse värvikomponentideks. Valge päikesekiir, põrkudes taevas gaasiosakesega, hajub (hajub) eri suundades.
Kui see põrkab kokku gaasimolekuliga, hajuvad kõik valge valguse seitsmest värvikomponendist. Samal ajal hajub pikemate lainetega valgus (spektri punane komponent, mis hõlmab ka oranži ja kollast) halvemini kui lühikeste lainetega valgus (spektri sinine komponent). Seetõttu jääb pärast hajumist õhku kaheksa korda rohkem sinise spektri värve kui punaseid.
Kuigi violetse lainepikkusega on kõige lühem, näib taevas violetse ja roheliste lainete segu tõttu siiski sinine. Lisaks tajuvad meie silmad sinist värvi paremini kui violetset, arvestades mõlema sama heledust. Just need faktid määravad taeva värviskeemi: atmosfäär on sõna otseses mõttes täidetud sini-sinise värvi kiirtega.
Taevas pole aga alati sinine. Loomulikult tekib küsimus: kui me näeme terve päeva sinist taevast, siis miks on päikeseloojang punane? Eespool saime teada, et punast värvi hajutavad gaasimolekulid kõige vähem. Päikeseloojangu ajal läheneb Päike horisondile ja päikesekiir on suunatud Maa pinna poole mitte vertikaalselt, nagu päeval, vaid nurga all.
Seetõttu on tee, mille ta läbib atmosfääri, palju pikem kui päeval, mil Päike on kõrgel. Seetõttu neeldub sini-sinine spekter paksus atmosfäärikihis, mitte aga Maani. Ja Maa pinnale jõuavad punase-kollase spektri pikemad valguslained, mis värvivad taeva ja pilved päikeseloojangule iseloomulikus punases ja kollases värvitoonis.
Puudutame pilvede teemat. Miks on sinises taevas valged pilved? Kõigepealt meenutagem, kuidas need moodustatakse. Nähtamatut auru sisaldav niiske õhk, mis on kuumutatud maapinnal, tõuseb ja paisub, kuna ülaosas on õhurõhk väiksem. Kui õhk paisub, see jahtub. Kui veeaur saavutab teatud temperatuuri, kondenseerub see atmosfääritolmu ja muude hõljuvate ainete ümber, mille tulemusena tekivad väikesed veepiisad, mis ühinevad pilveks.
Vaatamata oma suhteliselt väikesele suurusele on veeosakesed palju suuremad kui gaasimolekulid. Ja kui õhumolekulidega kohtudes hajuvad päikesekiired, siis veepiiskadega kohtudes peegeldub valgus neilt. Sel juhul ei muuda algselt valge päikesekiir oma värvi ja samal ajal “värvib” pilvede molekulid valgeks.
