Почему небо голубое? ответ для детей и взрослых

Почему небо голубое, а не фиолетовое? Почему закат красный?

Чистое безоблачное дневное небо голубое, потому что молекулы в воздухе рассеивают синий свет от солнца больше, чем красный. 

Когда мы смотрим в сторону солнца на закате, мы видим красный и оранжевый цвета, потому что синий свет рассеивается вдали от линии обзора.

Белый свет солнца – это смесь всех цветов радуги. Это продемонстрировал Исаак Ньютон, который использовал призму для разделения разных цветов и формирования спектра. 

Цвета света различаются по разным длинам волн. Видимая часть спектра варьируется от красного света с длиной волны около 720 нм до фиолетового с длиной волны около 380 нм, с оранжевым, желтым, зеленым, синим и индиго между. 

Если маленький ребенок когда-нибудь спросит вас почему небо голубое, лучше, если вы посмотрите ему прямо в глаза и скажете: «Оно голубое из-за квантовых эффектов в рэлеевском рассеянии вместе с недостатком приемников фиолетового цвета в нашей сетчатке».

Три различных типа цветовых рецепторов в сетчатке человеческого глаза наиболее сильно реагируют на красные, зеленые и синие длины волн, давая нам наше цветовое зрение.

Как объяснить детям

Солнечный свет состоит из 7 цветов, соединенных вместе: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. (Рассматриваете картинки со спектром, вспоминаете радугу.)

Каждый лучик проходит через толстый слой воздуха высоко над нами, как бы через решето. Все цвета в этот момент разбрызгиваются и именно голубой становится виден больше всех, потому что он самый стойкий. Воздух выглядит прозрачным, но на самом деле имеет голубоватый оттенок.

До солнышка очень далеко. Когда мы смотрим на небо вверх, мы видим очень толстый слой воздуха, настолько толстый, что мы видим, что он голубой. 

Можно взять прозрачный целлофан, сложить его много раз и рассмотреть, как он изменил цвет и прозрачность. А потом провести аналогию.

Окружающий нас воздух состоит из крошечных и постоянно движущихся частичек (газов, пылинок и соринок, паров воды). Таких маленьких, что увидеть их можно только с помощью специальных приспособлений – микроскопов. А солнечный свет соединяет в себе 7 цветов.

Луч, проходящий через воздух, сталкивается с крохотными частицами и составляющие его оттенки разъединяются. А так как сине-голубой преобладает в цветовой гамме, его мы и видим. Тут надо показать ребенку спектр.

Видео для детей

Эффект Тиндалла

Первые шаги к правильному объяснению цвета неба были сделаны Джоном Тиндаллом в 1859 году.

Он обнаружил, что когда свет проходит через прозрачную жидкость, удерживающую мелкие частицы во взвешенном состоянии, короткие волны синего цвета рассеиваются сильнее, чем красные. 

Это можно продемонстрировать, проливая луч белого света через резервуар с водой с добавленным небольшим количеством молока или мыла.

Со стороны луч может быть виден синим светом, который он рассеивает; но свет, видимый непосредственно с конца, краснеет после того, как он прошел через резервуар. 

Можно также показать, что рассеянный свет поляризован с помощью фильтра поляризованного света, так же, как небо выглядит более глубоким синим через солнечные очки поляроида.

Это наиболее правильно называется эффектом Тиндаля, но физикам он более известен как рэлеевское рассеяние – после лорда Рэлея, который более детально изучил его несколько лет спустя. 

Он показал, что количество рассеянного света обратно пропорционально четвертой степени длины волны для достаточно мелких частиц. 

Отсюда следует, что синий свет рассеивается больше, чем красный, с коэффициентом (700/400) 4 ~ = 10.

Пыль или Молекулы?

Тиндалл и Рэйли думали, что синий цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара в атмосфере. Даже сегодня люди иногда неправильно говорят, что это так. 

Позже ученые поняли, что если бы это было правдой, то было бы больше вариаций цвета неба в зависимости от влажности или тумана, чем это наблюдалось на самом деле, поэтому они правильно предположили, что молекул кислорода и азота в воздухе достаточно для объяснения рассеяния. 

Случай был окончательно урегулирован Эйнштейном в 1911 году, который рассчитал подробную формулу рассеяния света от молекул; и это было найдено в соответствии с экспериментом. 

Он даже смог использовать расчет в качестве дополнительной проверки числа Авогадро по сравнению с наблюдением.

Почему не фиолетовый?

Если короткие волны рассеяны наиболее сильно, возникает вопрос: почему небо не выглядит фиолетовым – цвет с самой короткой видимой длиной волны? 

Спектр излучения света от солнца не является постоянным на всех длинах волн, и дополнительно поглощается высокой атмосферой, поэтому в свете меньше фиолетового. 

Наши глаза также менее чувствительны к фиолетовому. 

Это часть ответа, все же радуга показывает, что за пределами синего цвета остается значительное количество видимого света, окрашенного в индиго и фиолетовый цвет. 

Остальная часть ответа на эту загадку заключается в том, как работает наше видение. У нас есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек, в нашей сетчатке. 

Их называют красными, синими и зелеными, потому что они наиболее сильно реагируют на свет на этих длинах волн. Поскольку они стимулируются в разных пропорциях.

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. Синие колбочки стимулируются цветами около голубых длин волн, которые очень сильно рассеиваются. 

Если бы в спектре не было индиго и фиолетового, небо казалось бы голубым с легким зеленым оттенком. Но наиболее сильно рассеянные волны индиго и фиолетового цвета слегка стимулируют красные конусы, а также синий, поэтому эти цвета кажутся синими с добавленным красным оттенком. 

Общий эффект состоит в том, что красный и зеленый колбочки примерно одинаково стимулируются светом с неба, в то время как синий стимулируется сильнее. 

Эта комбинация объясняет бледно-голубой цвет. Это не может быть совпадением, что наше видение приспособлено, чтобы видеть небо как чистый оттенок. 

Мы развились, чтобы соответствовать нашей окружающей среде; и способность отделять естественные цвета наиболее четко, вероятно, является преимуществом выживания.

Закаты

Когда воздух будет чистым, закат будет казаться желтым, потому что солнечный свет прошел через большие расстояния, а часть синего света рассеивалась. 

Если воздух загрязнен мелкими частицами, естественными или иными, закат будет более красным. Закаты над морем также могут быть оранжевыми из-за частиц соли в воздухе, которые являются эффективными рассеивателями Тиндалла. 

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 при этом более вероятно, что синий свет будет рассеиваться в два или более раз на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.

Голубая дымка и голубая луна

Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длины волны света, которые одинаково рассеивают все длины волн (рассеяния Ми). 

Но иногда в воздухе могут быть другие частицы, которые намного меньше. 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 рассеивают синий свет. 

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 рассеян. Это очень редкое явление, встречающееся буквально однажды на голубой луне.

Опалесценция

Эффект Тиндалла отвечает за некоторые другие голубые цвета в природе: такие как голубые глаза, опалесценция некоторых драгоценных камней и цвет крыла голубой сойки. 

Цвета могут варьироваться в зависимости от размера рассеивающих частиц. Когда жидкость близка к критической температуре и давлению, крошечные флуктуации плотности вызывают синее окрашивание, известное как критическая опалесценция. 

Люди также копировали эти природные эффекты, делая декоративные стекла, пропитанные частицами, чтобы придать стеклу синий блеск. 

Но не вся синяя окраска в природе вызвана рассеянием. Свет под морем синий, потому что вода поглощает длинную волну света на расстояниях более 20 метров. 

Если смотреть с пляжа, море тоже голубое, потому что, конечно, оно отражает небо.

Почему небо Марса красное?

На снимках, полученных с кораблей Викингов на Марсе в 1977 году и с Pathfinder в 1997 году, видно красное небо, видимое с марсианской поверхности. 

Это произошло из-за красной, богатой железом пыли, возникающей во время пыльных бурь, происходящих время от времени на Марсе. Цвет неба Марса будет меняться в зависимости от погодных условий. 

Он должен быть синим, когда не было недавних штормов, но он будет темнее дневного неба Земли из-за более тонкой атмосферы Марса.



Ссылка на основную публикацию