Мамы и папы: Почему небо голубое?
Слушайте и следуйте
Вступление.
Почему небо голубое? Это квинтэссенция детского вопроса, который постоянно ставит родителей в тупик. Но если бы Ваш ребенок задал его, смогли бы Вы ответить? В этой статье мы перейдем непосредственно к основным моментам, чтобы сделать Вас экспертом по цвету неба.
Рисунок 1 Почему небо голубое?
Синий свет рассеивается в атмосфере.
Короткий ответ на вопрос, почему небо голубое, заключается в том, что голубой свет от солнечных лучей рассеивается в атмосфере сильнее, чем другие цвета, поэтому небо наполняется голубым светом.
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 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 легче 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.
Почему на закате (или восходе) небо красное чуть выше горизонта?
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.
Резюме
Причина, по которой небо голубое, не так уж сложна. Солнечный свет содержит все цвета радуги. Синие цвета рассеиваются в небе во всех направлениях, потому что они ударяются о частицы в атмосфере (например, кислород, азот). Часть этого рассеянного синего цвета попадает в наши глаза и заставляет небо казаться синим. Другие цвета (красный, зеленый и т.д.) рассеиваются не так хорошо, потому что у них более длинные 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!
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.
MK350S Premium
Все спектры в этой статье были получены с помощью спектрометра UPRtek MK350S Premium. Любой может стать ученым с помощью приборов лабораторного класса, практичных, информативных и образовательных.
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 УПОТЭКе
United Power Research and Technology
Компания UPRtek (основана в 2010 г.) является производителем портативных, высокоточных приборов для измерения освещенности; портативные спектрометры, PAR-метры, спектрорадиометры, решения для калибровки света. Штаб-квартира UPRtek, исследования и разработки, а также производство находятся на Тайване, а представительство по всему миру обеспечивается нашими сертифицированными Глобальные реселлеры.
Объявления
Что такое спектрометр, спектрофотометр, спектрорадиометр?
В сфере спектральных приборов выделяют три устройства: спектрометр, спектрофотометр и спектрорадиометр.
Однако эти термины настолько часто используются, что мы понимаем, почему это может сбивать с толку. Поэтому мы посчитали себя обязанными разъяснить их различия в одной короткой статье. Различайте эти термины как профессионал!
Категория
