Мама, папа, почему небо голубое?
Введение
Почему небо голубое? Это квинтэссенция детского вопроса, который постоянно ставит родителей в тупик. Но если бы Ваш ребенок спросил об этом, смогли бы Вы ответить? В этой статье мы перейдем непосредственно к основным моментам, которые помогут Вам стать экспертом в области цвета неба.
- Что делает небо голубым?
- У Земли есть атмосфера
- Почему небо из космоса голубое?
- Почему красный и зеленый свет не рассеивается в небе?
- Всегда ли небо голубое? Почему закаты выглядят красными или оранжевыми
- Почему более короткие синие волны рассеиваются сильнее, чем красные и зеленые (глубокое погружение)?
Рисунок 1 Почему небо голубое?
Что делает небо голубым?
Ответ кроется в том, как синий свет рассеивается в атмосфере. Другими словами, голубым небо днем делает тот факт, что синие волны солнечного света рассеиваются атмосферой более эффективно, чем волны других цветов, в результате чего небо кажется голубым во всех направлениях.
Чтобы понять длинный ответ, Вы должны знать несколько вещей. Во-первых, солнечный свет содержит все цвета радуги (красный, синий, зеленый и т.д.) Вы также должны знать, что по большей части свет распространяется по прямым линиям.
Рисунок 2 Мы видим только тот свет, который непосредственно попадает в наши глаза.
Поскольку Солнце — это сфера, его свет распространяется во всех направлениях. Но мы видим только тот свет, который попадает непосредственно в наши глаза. Мы не видим весь остальной свет, который расходится в разные стороны. И есть еще одна вещь, которую Вы должны знать, и о которой мы расскажем далее.
У Земли есть атмосфера
Атмосфера Земли содержит такие частицы, как кислород и азот. Фотоны синего света, идущие от солнца, ударяются об эти частицы и рассеиваются во всех направлениях.
Рисунок 3 Синий свет ударяется о частицы в атмосфере и рассеивается.
Часть рассеянного голубого света достигает наших глаз, и именно из-за этого небо кажется голубым. На самом деле, это миллиарды и миллиарды фотонов синего света рассеиваются в небе, что делает все небо синим.
Рисунок 4 Миллиарды миллиардов рассеянного голубого света заставляют небо казаться голубым.
Без атмосферы небо казалось бы темным в любое время суток.
Если у Вас нет атмосферы, то не будет рассеивания света, и небо будет казаться темным, даже если Солнце находится над головой. Вы видели фотографии высадки на Луну — небо всегда темное, потому что в небе нет атмосферы и рассеивания света.
Рисунок 5 Отсутствие атмосферы означает отсутствие рассеивания и темное небо.
Почему небо из космоса голубое?
Из космоса астронавты не видят окружающего их голубого неба. Это происходит потому, что они находятся за пределами плотной части земной атмосферы, где нет достаточного количества молекул воздуха, чтобы рассеивать солнечный свет во всех направлениях. Без этого рассеивания небо кажется черным, даже когда Солнце светит ярко.
Однако это не означает, что Земля сама по себе не голубая. При наблюдении из космоса планета все еще кажется голубой из-за сочетания отражения океана и рассеивания солнечного света в атмосфере Земли, особенно вдоль изогнутого края планеты.
Это различие подчеркивает важную концепцию: голубое небо требует, чтобы наблюдатель находился внутри атмосферы, в то время как голубую Землю можно увидеть издалека, поскольку солнечный свет взаимодействует с планетой в целом.
Почему красный и зеленый свет не рассеивается в небе?
Основное различие между синим фотоном и зеленым/красным светом заключается в длине их волн. Синие волны короче, чем зеленые или красные, поэтому они быстрее рассеиваются при столкновении с атмосферными частицами.
Рис. 6 Длина волны укорачивается при переходе от красного к зеленому и синему.
Красные и зеленые фотоны действительно рассеиваются, но в меньшей степени, чем синие. Большинство красно-зеленых фотонов от солнца движутся по прямой линии от солнца и никогда не достигают наших глаз.
Всегда ли небо голубое? Почему закаты выглядят красными или оранжевыми
Это также связано с атмосферой, но немного сложнее. Атмосфера имеет одинаковую толщину вокруг Земли. Однако Ваше местоположение относительно Солнца изменяет толщину атмосферы, через которую проходит свет. Чтобы понять это, Вам нужно взглянуть на ситуацию визуально.
Рисунок 7 Горизонт красного цвета, потому что на закате свету приходится проходить через большее количество атмосферы.
Свет от солнца в полдень пересекает атмосферу с определенной толщиной. Однако солнце на рассвете находится ниже в небе и должно пересечь большую толщину атмосферы из-за угла, под которым Вы находитесь к солнцу относительно солнца и атмосферы.
Рис. 8 Свет проходит через большее количество атмосферы на закате, чем в полдень.
Такое расстояние дает синим фотонам больше времени, чтобы рассеяться от нас, потому что углы увеличиваются по мере увеличения расстояния. Таким образом, в основном, светится красный и зеленый свет. Когда зеленый и красный сочетаются, получается оранжевое свечение заката. Помните, что красный и зеленый свет не так сильно рассеиваются.
Рис. 9 Большая часть синего света рассеивается, не успев дойти до нас, оставляя нас с оранжевым свечением красного/зеленого света.
Почему более короткие синие волны рассеиваются сильнее, чем красные и зеленые (глубокое погружение)?
Мы называем это явление рассеяния эффектом Рэлея, названным в честь лорда Рэлея, также известного как Джон Уильям Стратт, который писал об этом в 19 веке. Он объяснил взаимосвязь между рассеянием и длиной волны света с помощью формулы, представленной на Рис. 10. По сути, лямда (λ) — это длина волны, а сигма (σ) может считаться количеством рассеивания.
Рисунок 10 — Уравнение Рэлея, объясняющее обратную пропорцию рассеяния к длине волны.
По мере того, как уменьшается Ваша Ламда (λ) или длина волны, значение сигмы (σ) увеличивается. Поэтому более короткая длина волны (λ), например, синяя, будет иметь больший эффект сигмы или рассеяния, и меньший — для зеленой, и еще меньший — для красной. Это можно увидеть на спектре Рисунок 11.
Рисунок 11 — Этот спектр неба в полдень показывает, что синий цвет рассеивает больше, чем зеленый, который рассеивает больше, чем красный (за исключением дальнего красного), следуя уравнению обратной пропорции, приведенному в рисунке 10.
Эффект Рэлея объясняет поведение, но не причину. Причина количества рассеивания относительно длины волны фотона заключается в квантовых взаимодействиях между светом и частицами.
Это было объяснено гораздо позже в работе «Квантовая теория атомного рэлеевского рассеяния», разработанной А.П. Виноградовым, В.Ю. Шишковым, И.В. Дорониным, Е.С. Андриановым, А.А. Пуховым и А.А. Лисянским (2020). Шишковым, И.В. Дорониным, Е.С. Андриановым, А.А. Пуховым и А.А. Лисянским (2020). В этой публикации подробно рассматриваются субатомные частицы, состояния электронов и запутанность частиц, что выходит за рамки данной статьи (пожалуйста, смотрите окончание титров публикаций).
Рисунок 12 — Спектр в сумерках — больше красного и зеленого света над горизонтом.
Получите свою БЕСПЛАТНУЮ копию UPRtek Руководство по освещению!
Здесь собраны самые необходимые сведения об истории освещения, науке, производстве, безопасности и спектрометрах - идеально подходит как для новичков, так и для профессионалов в области освещения. Просто введите свой e-mail, чтобы мгновенно скачать.
Резюме
Причина, по которой небо голубое, не так уж и сложна. Солнечный свет содержит все цвета радуги. Синие цвета рассеиваются в небе во всех направлениях, потому что они попадают на частицы в атмосфере (например, кислород, азот). Часть этого рассеянного голубого цвета достигает наших глаз и заставляет небо казаться голубым. Другие цвета (красный, зеленый и т.д.) не так хорошо рассеиваются, потому что имеют большую длину волны.
Вот почему небо голубое.
Мамы и папы тоже могут быть учеными!
Узнайте больше — Что такое свет и откуда он берется(здесь)?
Рисунок 13 — Мамы и папы тоже могут быть учеными!
MK350S Premium:Видеть спектр за голубым небом
Все спектры в этой статье были получены с помощью спектрометра UPRtek MK350S Premium. Хотя такие понятия, как рассеивание света и поведение, зависящее от длины волны, могут звучать абстрактно, такие инструменты, как MK350S Premium, делают их измеримыми и наглядными.
Снимая полный видимый спектр солнечного света в различных условиях, MK350S Premium позволяет пользователям наблюдать, как голубые волны доминируют в ясном дневном небе, как меняется спектральное распределение вблизи горизонта на восходе или закате, и как меняется состав света в зависимости от атмосферных условий. Эти измерения в реальном мире превращают понятия из учебника в наблюдаемые данные.
Разработанный для образовательных, исследовательских и полевых приложений, MK350S Premium обеспечивает спектральный анализ лабораторного уровня в портативном формате, позволяя преподавателям, студентам и любознательным людям изучать науку о свете не только в теории. Интуитивно понятное управление и точное разрешение по длине волны позволяют любому человеку перейти от простого вопроса, почему небо голубое, к реальному измерению физики, лежащей в его основе.
Таким образом, MK350S Premium преодолевает разрыв между научными объяснениями и практическими открытиями, доказывая, что каждый может стать ученым, имея подходящие инструменты.
Читать дальше: Спектрометр UPRtek MK350S Premium.
Другие статьи по теме UPRtek.
- Какой цвет лампы для выращивания лучше всего подходит? Почему лампы для выращивания фиолетовые?
- Как влияет красный свет на растения?
- В чем разница между лампами для выращивания и солнечным светом? Могут ли они заменить солнце?
Ссылки:
- XXXIV. О передаче света через атмосферу, содержащую мелкие частицы во взвешенном состоянии, и о происхождении голубого цвета неба | Уильям Джон Струт, он же лорд Рэйли |1899 | https://zenodo.org/records/1431249
- Квантовая теория атомного рэлеевского рассеяния | А.П. Виноградов, В.Ю. Шишков, И.В. Доронин, Е.С. Андрианов, А.А. Пухов и А.А. Лисянский | Октябрь 2020 г. |https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-2-2501id=446591.
Горячий продукт
серия справочников
Руководство по мерцанию
Все, что вам нужно знать о мерцании, коварном и потенциально серьезном световом артефакте, влияющем на визуальную безопасность в общественных местах, таких как больницы, офисы, библиотеки и т. д.
О сайте UPRtek
United Power Research and Technology
UPRtek (дата основания 2010 г.) является производителем портативных, высокоточных приборов для измерения освещенности; портативные спектрометры, PAR-метры, спектрорадиометры, решения для калибровки света.
UPRtek Штаб-квартира, отдел исследований и разработок и производство находятся на Тайване, а всемирное представительство осуществляется через наших сертифицированных глобальных реселлеров.
Последние статьи
Категория
0 Комментариев