Известно, что небо голубого цвета – это причина взаимодействия озонового слоя и солнечного света. Но что конкретно происходит с точки зрения физики и почему небо голубое? Теорий на этот счёт существовало несколько. Все они, в конечном итоге, подтверждают, что основная причина – это атмосфера. Но также объясняется и механизм взаимодействия.
Главный факт касается солнечного света. Известно, что солнечный свет имеет белый цвет. Белый цвет – это сумма всех спектров . Он может быть разложен на радугу (или спектры) при прохождении через дисперсионную среду.
Исходя из этого факта, учеными было предложено несколько теорий.
Первая теория объясняла голубой цвет тем самым рассеянием на частицах в атмосфере. Предполагалось, что большое количество механической пыли, частичек пыльцы растений, водяного пара и других мелких включений работают как дисперсионная среда. В результате до нас доходит только спектр голубоватого цвета. Но как тогда объяснить, что цвет неба не меняется зимой или на севере, где таких частичек меньше или их природа отлична? Теория была довольно быстро отвергнута.
Следующая теория предполагала, что световой поток белого цвета проходит через атмосферу, которая состоит из частиц. При прохождении через их поле светового луча частицы возбуждаются. Активированные частицы начинают испускать дополнительные лучи. Это и окрашивает солнечный цвет в голубоватый цвет. Белый свет помимо механического рассеивания и его дисперсии активирует и частицы атмосферы. Явление напоминает люминесценцию. На данный момент это объяснение является .
Последняя теория наиболее простая и она является достаточной для объяснения основной причины явления. Смысл ее очень похож на предыдущие теории. Воздух способен рассеивать свет по спектрам. Именно это является основной причиной голубого свечения. Свет с короткой длиной волны рассеивается интенсивнее, чем с короткой. Т.е. фиолетовый цвет рассеивается сильнее, чем красный. Этот факт объясняет изменение цвета неба на закате. Достаточно изменить угол солнца. Это и происходит при вращении земли, и цвет небосвода меняется на оранжево-розовый на закате. Чем выше солнце над горизонтом, тем более голубой свет мы будем видеть. Причина всему – та самая дисперсия или явление разложения света по спектрам.
Кроме всего этого, нужно понимать, что нельзя исключать все обозначенные выше факторы. Ведь каждый из них дает некоторый вклад в общую картину. Например, несколько лет назад в Москве в результате обильного цветения растений весной образовалось плотное облако пыльцы. Оно окрасило небо в зеленый цвет. Это довольно редкое явление, однако оно показывает, что отвергнутая теория про микрочастицы в воздухе также имеет место быть. Правда, теория эта не является исчерпывающей.
Оказывается очень не многие знают ответ на этот, казалось бы «всегда висящий в воздухе вопрос». Часто об этом спрашивают дети, но взрослые не готовы дать объяснение. Многие считают, что этот вопрос из серии тех, на которые мы вообще ответить не можем, типа «где конец вселенной». Есть люди, которые считают, что это цвет смеси азота и кислорода, когда этих газов много и они подсвечены Солнцем. Есть те, которые связывают цвет неба с преломлением света в слоях атмосферы. Те, которые были в школе отличниками, скажут, что, мол, воздух рассеивает синий цвет интенсивнее, чем все другие цвета спектра по закону Релея, часто не понимая суть этого рассеяния. Кстати, вопрос о цвете неба был решен физиками только в двадцатом веке. Поэтому нам не должно быть особенно стыдно.
И хотя этот вопрос напрямую с температурой не связан, давайте попробуем разобраться. Очень глубоко в физику копать не будем, но основные положения о свете и о воздухе напомним.
Солнечный свет - это смесь излучений всех цветов радуги, т.е. электромагнитных волн с частотами колебаний такими, которые могут воздействовать на сетчатку глаза человека. Фиолетовый цвет соответствует длине волны излучения 380 нм, красный - 720 нм. В сетчатке есть колбочки, отвечающие за восприятие цвета. Колбочки трех типов: синие (ответственные за диапазон высоких частот), зеленые (отвечают за средние частоты) и красные (для низких частот). Диапазоны чувствительности колбочек перекрываются, но максимум приходится на определенный цвет.
Молекулы воздуха в нормальном состоянии не имеют заряда, они нейтральны. Однако они состоят из заряженных частиц - электронов и ядер. Под влиянием электрического поля ядра сдвигаются в одном направлении, электроны - в другом, и получается диполь с собственным электромагнитным полем. Если диполь попадает в переменное электромагнитное поле, то он начинает осциллировать, т.е положительный и отрицательный заряды смещаются взад-вперед и диполь сам начинает излучать электромагнитную волну. В нашем случае электромагнитная волна солнечного света заставляет молекулы воздуха превращаться в излучающие электромагнитные волны диполи. Причем направления изучения диполей могут быть всевозможными. По закону сохранения энергии световая волна теряет интенсивность в первоначальном направлении. Это и есть основной механизм рассеяния света в воздухе. Вернее говорить даже не о рассеянии, а о свечении молекул воздуха под действием света. Мы смотрим через атмосферу и фактически видим свет от солнца и свет, испускаемый молекулами нашей атмосферы. Почему же он не белый, а синий?
Дело в том, что интенсивность излучения диполя пропорциональна четвертой степени частоты излучения. Наиболее интенсивно излучаются диполями волны с максимальной частотой и энергией, соответствующие синему свету. Меньше взаимодействуют с молекулами воздуха волны красного света. Т.е. при прохождении через атмосферу происходит как бы фильтрация белого цвета по спектру. Молекулы воздуха излучают в основном синий цвет, т.е свет, который возбуждает синие и зеленые колбочки сетчатки гораздо сильнее, чем красные колбочки.
Первым сделал шаг к правильному объяснению цвета неба Джон Тиндал в 1865 г. Он открыл, что при прохождении лучей света через среду, в которой во взвешенном состоянии находятся маленькие частички примесей, синий цвет рассеивается интенсивнее, чем красный. В результате мы видим окрашивание прошедшего света в голубой оттенок. Это можно наблюдать если смотреть сбоку на луч света, проходящий через воду, слегка затуманенную молоком. Если смотреть не сбоку, а по направлению луча, то свет приобретает красноватый оттенок, т.к. синяя составляющая рассеялась.
Несколько лет спустя британский ученый лорд Релей изучил этот эффект более детально. Он показал, что интенсивность рассеяния света на частицах очень малых размеров обратно пропорциональна четвертой степени длины волны излучения. Из этого следовало, что синий свет рассеивается в 10 раз интенсивнее красного.
Тиндал и Релей думали, что синева неба объясняется наличием в атмосфере мелких частиц пыли и водяного пара. Позже ученые осознали, что если бы это было действительно так, то мы наблюдали бы значительно больше вариаций цвета неба при изменении влажности, туманности и загрязненности воздуха, чем наблюдаем сейчас. Проблема была решена Эйнштейном, который в 1911 г. вывел формулу, описывающую рассеяние света молекулами. Формула подтверждала все предыдущие эксперименты. Было доказано, что не пыль и пар, а именно молекулы воздуха рассеивают свет, так как (как говорилось выше) электромагнитное поле света инициирует электрические дипольные моменты в молекулах.
Почему же небо не фиолетовое, а голубое? Ведь фиолетовые волны короче синих. Первая причина в том, что спектр солнечного излучения не равномерный. Фиолетового цвета там меньше. Кроме того, фиолетовые лучи рассеиваются еще в самых верхних слоях атмосферы. Вторая причина - чувствительность наших колбочек к фиолетовому цвету ниже, чем к синему. Третья причина в том, что синий цвет раздражает не только синие колбочки в сетчатке, но и чуть-чуть красные и зеленые. Поэтому цвет у неба не бледный, а насыщенный голубой, особенно когда воздух прозрачный.
Рассеянием света на молекулах воздуха объясняется и цвет заката. Пройдя от Солнца по касательной к Земле длинный путь, луч теряет все синие оттенки. До глаза доходят только желтые и красные тона. Около моря закат может быть даже оранжевым, благодаря частичкам соли в воздухе, которые ответственны за рассеяние Тиндала.
Заметьте, что от состава атмосферы, т.е. наличия азота и кислорода, цвет неба практически не зависит. Если у планеты прозрачная атмосфера достаточной толщины и плотности, освещенная светилом, спектр которого белый, как у Солнца, то небо там будет синим.
Как же тогда объяснить, что снимки с космических аппаратов, совершивших посадку на Марс, говорят о том, что небо там розовое и красное? Это потому, что атмосфера Марса очень тонкая и загрязненная пылью. Рассеяние солнечного света происходит не на молекулах, а преимущественно на взвешенных примесях пыли. Многие частички пыли больше, чем длины волн света и состоят из оксида железа, который имеет красный цвет.
Теперь Вы знаете, что ответить на вопрос «почему небо голубое» не очень просто. Мы-то понимаем, а что сказать детям? Наверное, что наша прекрасная атмосфера состоит из воздуха, который светится синим светом когда Солнышко его греет. Потому что синий цвет - самый сильный из всех цветов радуги.
Наверно, каждый хотя бы раз в жизни сталкивался с этим простым вопросом: почему чистое, безоблачное небо голубое или синее? Очевидно, из-за воздуха, которым мы дышим, из-за атмосферы Земли! Вероятно, воздух у нас «синего цвета» или что-то вроде этого. Он только кажется прозрачным, а на больших расстояниях самолеты, горы, корабли как бы находятся в голубоватой дымке… Такие рассуждения не снимают главный вопрос: почему небо голубое? Не раскрашен же воздух синей краской!
Простой и короткий ответ таков: небо голубое потому, что молекулы воздуха рассеивают синий цвет Солнца больше, чем красный .
Так как воздух рассеивает синий цвет, небо кажется голубым, а само Солнце - желтым. Больше того, на закате, когда солнечный свет проходит через бо́льшую толщу атмосферы, мы видим красное Солнце и зарю, окрашенную в желто-красные цвета. Все это возможно только потому, что синий свет рассеивается атмосферой по пути к нам.
Но откуда вообще взялся синий свет? Начнем с того, что белый свет от Солнца - это смесь всех цветов радуги, от фиолетового до красного. Стоп, скажете вы, свет Солнца белый? Да, . Второй момент: мы сейчас говорим о свете , а не о цвете . Если смешать краски разных цветов, то мы, конечно, получим нечто почти черное.
Цвет света - это не цвет какого-либо предмета. Если смешать красный, желтый, оранжевый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый свет примерно в равном количестве, мы получим белый свет. Первым продемонстрировал это Исаак Ньютон, использовав призму для разделения разных цветов и формирования спектра.
Ученые выяснили, что разноцветный свет это всего лишь свет разных длин волн. Видимая часть спектра варьируется от красного света с длиной волны около 720 нм до фиолетового с длиной волны около 380 нм, между которыми расположены оранжевый, желтый, зеленый, голубой и синий цвета. Три различных типа цветовых рецепторов в сетчатке человеческого глаза наиболее сильно реагируют на красные, зеленые и синие длины волн, в сумме давая нам все разнообразие красок.
Да, так что там говорит физика о том, почему небо голубое?
Первые шаги к правильному объяснению цвета неба сделал Джон Тиндаль в 1859 году. Он обнаружил любопытный эффект: если пропустить свет через прозрачную жидкость, в которой взвешены мелкие частички, то голубой свет будет рассеиваться этими частичками сильнее, чем красный свет.
Это можно легко продемонстрировать. Возьмите стакан с водой и размешайте в нем несколько капель молока, немного муки или мыла, так чтобы вода в стакане стала мутной. Затем пропустите через стакан свет фонарика. Вы увидите, что свет внутри стакана стал голубоватым . Вернее, голубоватым стал тот свет, который попал вам в глаза из стакана, то есть был отклонен и рассеян в растворе!
Но самое интересное, что свет на выходе из стакана, потеряв часть своей синей составляющей, будет уже не белым, а желтоватым! Если взять достаточно широкую емкость, то свет, многократно рассеявшись в дороге, окончательно потеряет синюю составляющую и выйдет из емкости уже не желтым, а красным.
Эффект Тиндаля касается рассеяния света в мутных жидкостях. Частички в такой жидкости должны иметь особую структуру поверхности - бороздки, решетки, поры, углы, размер которых сопоставим с длиной световой волны.
Благодаря эффекту Тиндаля существуют красивые голубые рачки сапфириниды. Эти крохотные, будто светящиеся изнутри, животные иногда становятся совершенно невидимыми для наблюдателя (рассеяние света уходит в ультрафиолетовую область)…
Эффект Тиндаля несет ответственность и за голубые глаза у людей!
Да-да, голубые глаза создает вовсе не голубой пигмент - его там попросту нет - но меланин , который рассеивает свет соответствующим образом!
Несколько лет спустя эффект Тиндаля был подробно изучен лордом Рэлеем. С тех пор рассеяние света на очень маленьких частицах стало называться рэлеевским рассеянием . Рэлей показал, что количество рассеянного света обратно пропорционально четвертой степени длины волны для достаточно мелких частиц. Отсюда следует, что синий свет на таких частицах рассеивается больше, чем красный, примерно в 10 раз: (700 нм/400 нм) 4 = 10
Все это прекрасно, но наше небо заполнено воздухом, а не жидкостью, и в небе не плавают кусочки мыла или молока… Что за частицы рассеивают свет в воздухе? Тиндаль и Рэлей полагали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара, которые взвешены в атмосфере в точности как частички молока взвешены в воде.
Это ошибочное мнение, хотя и сегодня некоторые люди говорят, что цвет неба определяется паром и пылью. Если бы это было так, то цвет неба менялся бы гораздо сильнее в зависимости от влажности или тумана, чем он меняется на самом деле. Поэтому ученые предположили (правильно!), что для объяснения рассеяния достаточно молекул кислорода и азота. Это сам воздух, вернее, его молекулы рассеивают свет!
Голубое небо и облака на нем. Воздух рассеивает свет в соответствии с рэлеевским рассеянием, а более крупные частички облаков в соответствии с рассеянием Ми. Фото: Andrei Azanfirei/Flickr.com
Вопрос окончательно решил Альберт Эйнштейн в 1911 году, который рассчитал детальную формулу для рассеяния света в зависимости от молекул и дальнейшие эксперименты блестяще подтвердили его вычисления. Говорят, Эйнштейн даже смог использовать свои расчеты в качестве дополнительной проверки числа Авогадро!
Кстати, если синий свет рассеивается в 10 раз больше, чем красный, то еще более короткие фиолетовые волны должны рассеиваться больше, чем синие! Возникает вопрос: почему небо не выглядит фиолетовым?
Во-первых, спектр излучения света от солнца не является одинаковым на всех длинах волн - максимум энергии в спектре Солнца приходится на зеленый свет. Во-вторых, коротковолновый фиолетовый свет активно поглощается в верхних слоях атмосферы (как и ультрафиолет!), поэтому в до поверхности Земли доходит меньше фиолетового, чем синего.
Наконец, третья причина - наши глаза менее чувствительны к фиолетовому свету, чем к синему .
Кривые чувствительности для трех типов колбочек в человеческом глазу.
У нас есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек, в сетчатке глаз. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они наиболее сильно реагируют на свет именно на этих длинах волн. Но на самом деле, они способны улавливать и свет других длин волн, перекрывая весь спектр.
Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света, но также - менее сильно - на оранжевые и желтые длины волн. Зеленые колбочки реагируют на жёлтые и более сильно рассеянные зелёные и зелено-синие волны. Наконец, синие колбочки стимулируются цветами синих длин волн, которые очень сильно рассеиваются. Если бы в спектре не было синего и фиолетового, небо казалось бы голубым с легким зеленоватым оттенком. Но наиболее сильно рассеивающиеся волны синего и фиолетового цветов слегка стимулируют и красные колбочки, поэтому эти цвета кажутся синими с добавленным красным оттенком. Общий эффект заключается в том, что когда мы смотрим на небо, красные и зеленые колбочки стимулируются примерно одинаково , а синие стимулируются сильнее. Эта комбинация в итоге и образует голубое или синее небо.
Что может быть красивее тихих закатов на берегу моря или в степи? Когда воздух чистый и прозрачный, закат будет желтого цвета, точно как луч фонарика, пересекший стакан с раствором мыла: часть синего света рассеется и общий цвет Солнца сместится к красному концу спектра.
Закаты Солнца могут быть чрезвычайно разнообразными по цветовой гамме в зависимости от состояния атмосферы. Фото: Alex Derr
Другое дело, если воздух загрязнен мелкими частицами - гарью, пылью, смогом. В этом случае закат будет оранжевым и даже красным. Закаты над морем также могут быть оранжевыми из-за частиц соли, взвешенных в воздухе, которые могут создавать эффект Тиндаля. Небо вокруг солнца видно покрасневшим, а также свет, идущий прямо от солнца. Это связано с тем, что весь свет рассеивается относительно хорошо под небольшими углами, но тогда синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды и более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.
Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длин волн света. Такие частицы будут одинаково рассеивать все длины волн (рассеяния Ми).
Но иногда в воздухе могут быть частицы гораздо меньших размеров. Некоторые горные районы славятся своей голубой дымкой. Аэрозоли терпенов из растительности вступают в реакцию с озоном в атмосфере, образуя мелкие частицы диаметром около 200 нм, которые отлично рассеивают синий свет.
Голубая дымка над заливом Котор в Черногории. Фото: Rocher/Flickr.com
Лесной пожар или извержение вулкана могут иногда заполнять атмосферу мелкими частицами диаметром 500–800 нм, что является подходящим размером для рассеивания красного света. Это дает противоположность обычному эффекту Тиндаля и может привести к тому, что Луна приобретет синий оттенок, так как красный свет от Луны рассеян этими частицами. Настоящая голубая Луна - очень редкое явление!
Вот мы добрались и до Марса, небо на котором, судя по снимкам марсоходов и автоматических спускаемых аппаратов, то рыжее, то песочно-желтое, то серовато-голубое… Какое оно на самом деле?
Согласно физике, марсианское небо должно быть голубым. Оно и есть голубое , но только когда атмосфера на Красной планете спокойна. Однако на Марсе, как известно, часто дуют ветра. Несмотря на то что атмосфера планеты крайне разрежена, ветра способны поднимать миллионы тонн песка и пыли устраивать настоящие песчаные бури. Некоторые бури способны скрыть почти всю поверхность Марса!
После таких бурь в воздухе еще долго остаются взвешенными частички богатой железом пыли. Цвет этой пыли красный (это ржавчина), соответственно и небо на Марсе окрашивается в желтовато-оранжевый цвет.
Наконец, заглянем далеко в космос, туда, где сейчас рождаются звезды.
Комплекс туманностей ро Змееносца. Фото: Jim Misti/Steve Mazlin/Robert Gendler
Вот целый комплекс из космических газопылевых облаков, расположенный на границе созвездий Змееносца и Скорпиона. Обратите внимание: часть облаков ярко светится красноватым свечением, другая часть, наоборот, поглощает свет и напоминает черные провалы. Наконец, третья часть имеет голубоватый цвет.
Все три типа облаков состоят в основном из водорода с небольшой примесью пыли и молекул. Почему же они выглядят по-разному? Все дело в их температуре. Нагретые светом погруженных в них звезд, облака начинают сами светиться. Красное свечение - излучение водорода. Очень холодные облака, наоборот, поглощают свет и потому непрозрачны для нас. Наконец, холодные, но расположенные недалеко от ярких звезд облака выглядят голубоватыми. Они отражают свет звезд, рассеивая его так же, как и атмосфера Земли!
Post Views: 4 624
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Играя на улице, я однажды обратил внимание на небо, оно было необыкновенное: бездонное, бесконечное и голубое, голубое! И лишь облака слегка прикрывали этот голубой цвет. Я задумался, а почему небо окрашено в голубой цвет? Тут же вспомнилась песенка лисы Алисы из сказки про Буратино «Какое небо голубое…!» и урок географии, где мы, изучая тему «Погода» описывали состояние неба, и тоже говорили, что оно голубого цвета. Так все - таки, почему небо голубое? Придя домой, я задал этот вопрос маме. Она мне рассказала, что когда люди плачут, они просят у неба помощи. Небо забирает их слезинки, поэтому оно как, озеро, становится голубым. Но рассказ мамы не удовлетворил мой вопрос. Я решил выяснить у своих одноклассников и учителей, знают ли они, почему небо голубое? В анкетировании приняли участие 24 ученика и 17 педагогов. Обработав анкеты, получили следующие результаты:
В школе на уроке географии этот вопрос я задал учителю. Она мне ответила, что цвет неба можно легко объяснить с точки зрения физики. Это явление называется дисперсией. Из википедии я узнал, что дисперсия - это процесс разложения света на спектр. Учитель по географии Лариса Борисовна предложила мне пронаблюдать это явление опытным путем. И мы отправились в кабинет физики. Василий Александрович, преподаватель физики нам охотно согласился в этом помочь. При помощи специального оборудования мне удалось проследить, как в природе происходит процесс дисперсии.
Для того, чтобы найти ответ на вопрос почему небо голубое мы решили провести исследование. Так появилась идея написания проекта. С моим руководителем мы определили тему, цель и задачи исследования, выдвинули гипотезу, определили методы исследования и механизмы реализации нашей идеи.
Гипотеза : свет на Землю посылает Солнце и чаще всего, когда мы смотрим на него, он нам кажется ослепительно белым. Значит и небо должно быть белого цвета? Но на самом деле небо голубое. В ходе исследования найдем объяснения этим противоречиям.
Цель : найти ответ на вопрос, почему небо голубое и выяснить, от чего зависит его цвет.
Задачи: 1. Ознакомиться с теоретическим материалом по теме
2. Экспериментально изучить явление дисперсии света
3. Понаблюдать за цветом неба в разное время суток и при разной погоде
Объект исследования : небо
Предмет: свет и цвет неба
Методы исследования: анализ, эксперимент, наблюдение
Этапы работы:
1. Теоретический
2. Практический
3. Заключительный: выводы по теме исследования
Практическое значение работы : материалы исследования можно использовать на уроках географии и физики в качестве учебного модуля.
2. Основная часть.
2.1. Теоретические аспекты проблемы. Явление голубого неба с точки зрения физики
Почему небо голубое - очень трудно найти ответ на такой простой вопрос. Сначала дадим определение понятию. Небо — пространство над Землёй или поверхностью любого другого астрономического объекта. В целом, небом обычно называют панораму, открывающуюся при взгляде с поверхности Земли (или другого астрономического объекта) в направлении космоса.
Многие ученые ломали себе головы в поисках ответа. Леонардо да Винчи, наблюдая за огнем в камине, писал: «Светлота поверх темноты становится синей». Но сегодня известно, что слияние белого и черного цвета дает серый цвет.
Рис. 1. Гипотеза Леонардо да Винчи
Исаак Ньютон почти объяснил цвет неба, правда, для этого ему пришлось допустить, что капли воды, содержащиеся в атмосфере имеют тонкие стенки наподобие мыльных пузырей. Но оказалось, что эти капли являются сферами, а значит, не имеют толщины стенки. Так мыльный пузырь Ньютона и лопнул!
Рис. 2. Гипотеза Ньютона
Наилучшее решение проблемы около 100 лет назад предложил английский физик лорд Джон Рэлей. Но начнем сначала. Солнце излучает ослепительно белый свет, значит и цвет неба должен быть таким же, но оно все-таки голубое. Что происходит с белым светом в атмосфере? Он, проходя через атмосферу, как через призму, распадается на семь цветов. Вам наверняка известны эти строчки: каждый охотник желает знать, где сидит фазан. В этих предложениях сокрыт глубокий смысл. Они представляют нам основные цвета в спектре видимого света.
Рис. 3. Спектр белого света.
Лучшая природная демонстрация этого спектра, конечно же, радуга.
Рис. 4 Спектр видимого света
Видимый свет - это электромагнитное излучение, волны которого имеют разную длину. Есть и не видимый свет, его наш глаз не воспринимает. Это ультрафиолетовый и инфракрасный. Мы его не видим, потому что его длина либо слишком велика, либо слишком мала. Видеть свет, значит воспринимать его цвет, а вот какой цвет мы будем увидеть, зависит от длины волны. Самые длинные видимые волны - красные, а самые короткие - фиолетовые.
От длины волны зависит еще и способность света к рассеиванию, то есть, к распространению в среде. Красные световые волны рассеиваются хуже всех, а вот синий и фиолетовый цвета обладают высокой способностью к рассеиванию.
Рис. 5. Способность света к рассеиванию
И, наконец, то мы приблизились вплотную к ответу на наш вопрос, а почему же небо голубое? Как уже говорилось выше, белый цвет - это смесь всех возможных цветов. при столкновении с молекулой газа, каждый из семи цветовых компонентов белого света рассеивается. При этом свет с более длинными волнами рассеивается хуже, чем свет с короткими волнами. Из-за этого в воздухе остается в 8 раз больше синего спектра, чем красного. Хотя самая короткая волна у фиолетового цвета, небо все равно кажется голубым из-за смешения фиолетовых и зеленых волн. Кроме того, наши глаза лучше воспринимают 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. В течение дня мы видим небо синим, голубым, серым, вечером - красным (Приложение 1). Почему закат красный? 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 атмосфере, не доходя до Земли, а более длинные световые волны красного спектра доходят до поверхности Земли, окрашивая небо в красные и желтые тона. Изменение цвета небо явно связаны с вращением Земли вокруг своей оси, а значит углом падения света на Землю.
2.2. Практические аспекты. Экспериментальный путь решения проблемы
В кабинете физике я познакомился с прибором спектрограф. Василий Александрович, учитель физики рассказал мне принцип работы данного прибора, после чего я самостоятельно провел опыт, который называется дисперсия. Луч белого света, проходя через призму, преломляется и на экране мы видим радугу (Приложение 2). Этот опыт помог мне понять, как на небе появляется это удивительное творение природы. С помощью спектрографа ученые сегодня могут получать информацию о составе и свойствах различных веществ.
Фото 1. Демонстрация опыта дисперсии в
кабинете физики
Получить радугу мне захотелось и в домашних условиях. Мой учитель географии, Лариса Борисовна рассказала, как можно это сделать. Аналогом спектрографа стали стеклянная емкость с водой, зеркало, фонарик и белый лист бумаги. В емкость с водой помещаем зеркало, сзади емкости ставим белый лист бумаги. Направляем на зеркало свет фонарика, так, чтобы отраженный свет падал на бумагу. На листе бумаги вновь появилась радуга! (Приложение 3). Опыт лучше проводить в затемненной комнате.
Мы уже говорили выше, что белый свет по сути уже содержит в себе все цвета радуги. Убедиться в этом и, собрать все цвета обратно в белый, можно сделав радужный волчок (Приложение 4). Если его сильно раскрутить, цвета будут сливаться и диск приобретет белый цвет.
Не смотря на научное объяснение образования радуги, это явление остается одним из загадочных оптических зрелищ в атмосфере. Смотрите и наслаждайтесь!
3. Заключение
В поисках ответа на так часто задаваемый родителям детский вопрос «Почему небо голубое?» я очень много узнал для себя интересного и поучительного. Противоречия в нашей гипотезе сегодня имеют научное объяснение:
Весь секрет в цвете неба в нашей атмосфере - в воздушной оболочке планеты Земля.
Белый луч солнца, проходя через атмосферу, распадается на лучи семи цветов.
Красные и оранжевые лучи - самые длинные, а голубые - самые короткие.
Голубые лучи меньше других достигают Земли, и небо оказывается благодаря этим лучам пронизано голубым цветом
Небо не всегда окрашено в голубой цвет и это связано с осевым движением Земли.
Опытным путем нам удалось наглядно представить и понять, как происходит дисперсия в природе. На классном часе в школе я рассказал своим одноклассникам, почему небо имеет голубой цвет. Также было интересно узнать, где можно наблюдать явление дисперсии в нашей повседневной жизни. Я нашел несколько практических областей применения этого уникального явления (Приложение 5). В дальнейшем мне хотелось бы и дальше изучать небо. Сколько еще оно таит в себе загадок? Какие явления еще происходят в атмосфере и, какова их природа? Как они влияют на человека и все живое на Земле? Возможно, это и будут темы моих будущих исследований.
Список литературы
1. Википедия - свободная энциклопедия
2. Л.А. Маликова. Электронное пособие по физике «Геометрическая оптика»
3. Перышкин А.В. Физика. 9 класс. Учебник. М.: Дрофа, 2014, с.202-209
4. htt;/www. voprosy-kak-ipochemu.ru
5. Личный фото-архив «Небо над Голышманово»
Приложение 1.
«Небо над Голышманово» (личный фото архив)
Приложение 2.
Дисперсия света при помощи спектрографа
Приложение 3.
Дисперсия света в домашних условиях
«радуга»
Приложение 4.
Радужный волчок
Волчок в состоянии покоя Волчок в процессе вращения
Приложение 5.
Дисперсия в жизни человека
Бриллиант Огни на борту самолета
Фары автомобиля
Светоотражающие знаки
В ясный солнечный день небосвод над нами имеет ярко-синий цвет. Вечером, на закате, небо обретает приятный для глаза глубокий красный цвет с многочисленными оттенками. Так почему же небо днем голубое? Что делает закат красным? Каким образом прозрачный воздух переливается синими и красными оттенками в разное время суток?
Я представлю 2 ответа здесь: первый - более упрощенный для широкого читателя, второй - более научный и точный. Выберите уж сами, какой вам по душе.
Свет от Солнца или лампы выглядит белым, но на самом деле белый цвет-это смесь всех 7 существующих цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового (рис. 1). Небо (атмосфера) наполнено воздухом. Воздух представляет собой смесь з крошечных молекул газа и небольших кусочков твердого материала, такого как, например, пыль. Так как солнечный свет проходит сквозь воздух, он сталкивается с частицами воздуха. Когда луч света попадает на молекулы газа, он может "отскочить" в другом направлении (рассеиваться).
Некоторые составные цвета белого света,такие как красный и оранжевый, проходят от Солнца к нам в глаза прямо, без рассеивания. Но большинство лучей голубого цвета "отскакивает" от частиц воздуха по всем направлениям. Таким образом, все небо оказывается буквально пронизанным голубыми лучами. Когда вы смотрите вверх, часть этого голубого света достигает глаза и вы видитеотовсюду над головой голубой свет! Вот,собственно, почему небо голубое!
Естественно, все упрощено по максимуму, но ниже представлен параграф, где более фундаментально описано свойство нашего с вами любимого неба над головой и причины, которые объясняют, почему все-таки цвет неба именно голубой, а не зеленый!
Давайте рассмотрим более детально природу света и цвета. Цвет, как все знают, - это свойство света, которое могут воспринимать и определять наши глаза и мозг. Свет от солнца - это большое количество белых лучей, которые состоят из всех 7 цветов радуги. Свет обладает свойством дисперсии (рис. 1). Всё освещается Солнцем, но некоторые предметы отражают лучи только одного цвета, например, синего, а другие предметы - только лучи желтого и тд. Таким образом человек определяет цвета. Итак, Солнце светит на Землю своими белыми лучами, но её окутывает атмосфера (толстый слой воздуха), и когда этот белый (состоящий из всех цветов) луч проходит через атмосферу, именно воздух рассеивает (распространяет) все 7 цветных лучей белого солнечного луча, но с большей силой именно его сине-голубые лучи (проще говоря, атмосфера буквально начинает светиться голубым цветом). Другие цвета напрямик попадают от Солнца к нам в глаза (рис 2).
Почему именно голубой цвет поддается наибольшему рассеиванию в атмосфере? Это природное явление, и описывается оно физическим законом Рэлея. Если объяснять проще, то существует формула, которую вывел Рэлей в 1871 году, и которая определяет, как зависит рассеивание света (луча) от цвета этого луча (то есть от такого свойства луча, как его длина волны). И так уж получилось, что наименьшую длину волны и соответственно наибольшее рассеивание имеет именно небесно-голубой цвет.
Почему во время восхода и Заката небо красное? На закате или восходе Солнце находится низко над горизонтом, из-за чего солнечные лучи наклонно падают
ют на Землю. Длина луча, естественно, многократно увеличивается (рис. 3), и поэтому на таком огромном расстоянии почти вся коротковолновая (сине-голубая) часть спектра рассеивается в атмосфере и не доходит до поверхности Земли. Доходит до нас только длинные волны, жёлто-красные. Как раз такой цвет и приобретает небо во время восхода заката. Вот почему небо кроме голубого и синего бывает и желтым и красным!
А сейчас для полного понимания всего вышесказанного несколько слов о том, что из себя представляет атмосфера.
Атмосфера представляет собой смесь молекул газа и других материалов, окружающих Землю. В основном атмосфера состоит из газов азота (78%) и кислорода (21%). Газы и вода (в виде паров, капель и ледяных кристаллов) являются наиболее распространенными составными частями атмосферы. Есть также небольшое количество других газов, а также множество мелких твердых частиц, таких как пыль, сажа, пепел, соль из океанов и тд. Состав атмосферы меняется в зависимости от географического положения, от погоды и многого другого. Где-то может быть больше воды в воздухе после ливня или рядом с океаном, где-то вулканы извергают большое количество частиц пыли высоко в атмосферу.
Атмосфера более плотная в своей нижней части, рядом с Землей. Она с высотой постепенно утончается. Не существует резкого разрыва между атмосферой и пространством. Вот почему мы видим переливы голубого и синего на небе, именно потому, что атмосфера на небе везде разная, имеет различную структуру и свойства.
