Теория голубого неба

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Теория голубого неба

План:

1. Простое объяснение

2. Различные гипотезы: почему небо голубое? (гипотезы Гете, Ньютона, ученых XVIII в., теория Рэлея)

3. Почему небо голубое?

4. Небо голубое, потому что сделано из чистейшего горного хрусталя! (теория древних греков)

Вывод

1. Простое объяснение

Что такое небо?

Небо это бесконечность. Для любого народа, небо символ чистоты, ведь считается, что там живет сам Бог. Люди, обращаясь к небу, просят дождя, или наоборот солнца. То есть, небо не просто воздух, небо это символ чистоты и непорочности.

Небо - это всего лишь воздух, тот обычный воздух, которым мы ежесекундно дышим, тот которые нельзя увидеть и потрогать, потому что он прозрачный и невесомый. Но дышим-то мы прозрачным воздухом, почему же он над головой приобретает такой голубой цвет? Воздух содержит в себе несколько элементов, азот, кислород, углекислый газ, пары воды, различные пылинки, которые постоянно находятся в движении.

С точки зрения физики

На практике, как говорят физики, небо это просто воздух, окрашенный солнечными лучами. Если говорить проще, то солнце светит на Землю, но солнечные лучи для этого должны пройти через огромный слой воздуха, который буквально окутывает Землю. А так, как солнечный луч имеет множество цветов, а точнее семь цветов радуги. Для тех, кто не знает, стоит напомнить, что семь цветов радуги это красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Причем, все эти цвета имеет каждый луч и он, проходя через этот слой воздуха, то он разбрызгивает во все стороны различные цвета радуги, но вот сильнее всего происходит раскидывание голубого цвета, за счет которого небо и приобретает голубую окраску. Если охарактеризовать коротко, то голубое небо - это брызги, которые дает луч, окрашенный в этот цвет.

А на Луне

Там нет атмосферы и следовательно, небо на Луне не голубое, а черное. Космонавты, которые выходят на орбиту видят черное-черное небо, на котором сверкают планеты и звезды. Конечно же, небо на Луне выглядит очень красиво, но всё-таки не хотелось бы видеть над головой постоянно черное небо.

Небо меняет цвет

Небо не всегда бывает голубого цвета, оно имеет свойство менять цвет. Все, наверное, замечали, что иногда оно беловатое, иногда иссиня-черное… Почему так? Например, ночью, когда солнце не посылает свои лучи, мы видим небо не голубым, атмосфера кажется нам прозрачной. И сквозь прозрачный воздух, человек может увидеть планеты и звезды. А днем, голубой цвет снова надежно спрячет от посторонних глаз таинственный космос.

2. Различные гипотезы Почему небо голубое? (гипотезы Гете, Ньютона, ученых XVIII в., Рэлея)

Каких только гипотез не выдвигалось в разное время для объяснения цвета неба. Наблюдая, как дым на фоне темного камина приобретает синеватый цвет, Леонардо да Винчи писал: „...светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной, чем превосходными будут светлое и темное". Примерно такой же точки зрения придерживался Гёте, который был не только всемирно известным поэтом, но и крупнейшим ученым естествоиспытателем своего времени. Однако такое объяснение цвета неба оказалось несостоятельным, поскольку, как стало очевидно позднее, смешение черного и белого может дать только серые тона, а не цветные. Синий цвет дыма из камина обусловливается совершенно другим процессом.

После открытия интерференции, в частности в тонких пленках, Ньютон пытался применить интерференцию к объяснению цвета неба. Для этого ему пришлось допустить, что капли воды имеют форму тонкостенных пузырей, наподобие мыльных. Но так как капельки воды, содержащиеся в атмосфере, в действительности представляют собой сферы, то и эта гипотеза вскоре „лопнула", как мыльный пузырь.

Ученые XVIII в. Мариотт, Бугер, Эйлер думали, что голубой цвет неба объясняется собственным цветом составных частей воздуха. Такое объяснение даже получило некоторое подтверждение позднее, уже в XIX в., когда установили, что жидкий кислород имеет голубой цвет, а жидкий озон -- синий. Ближе всех к правильному объяснению цвета неба подошел О.Б. Соссюр. Он считал, что если бы воздух был абсолютно чистым, то небо было бы черным, но воздух содержит примеси, которые отражают преимущественно голубой цвет (в частности -- водяной пар и капельки воды). Ко второй половине XIX в. накопился богатый экспериментальным материал по рассеянию света в жидкостях и газах, в частности была обнаружена одна из характеристик рассеянного света, поступающего от небосвода,-- его поляризация. Первым ее открыл и исследовал Араго. Это было в 1809 г. Позднее исследованиями поляризации небесного свода занимались Бабине, Брюстер и другие ученые. Вопрос о цвете неба настолько приковывал внимание ученых, что проводимые эксперименты по рассеянию света в жидкостях и газах, имевшие гораздо более широкое значение, проводились под углом зрения „лабораторное воспроизведение голубого цвета неба". Об этом говорят и названия работ: „Моделирование голубого цвета неба" Брюкке или „О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще" Тиндаля. Успехи этих экспериментов направили мысли ученых по правильному пути -- искать причину голубого цвета неба в рассеянии солнечных лучей в атмосфере.

Первым, кто создал стройную, строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей. Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на самих молекулах воздуха. Первая работа Рэлея ПО рассеянию света была опубликована в 1871 г. В окончательном виде его теория рассеяния, основанная на электромагнитной природе света, установленной к тому времени, была изложена в работе „О свете от неба, его поляризации и цвете", вышедшей в свет в 1899 г. За работы в области рассеяния света Рэлея (его полное имя Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей III) часто называют Рэлеем Рассеивающим, в отличие от его сына, лорда Рэлея IV. Рэлея IV за большой вклад в развитие физики атмосферы называют Рэлеем Атмосферным. Для объяснения цвета неба приведем только один из выводов теории Рэлея, к другим мы еще будем обращаться несколько раз при объяснении различных оптических явлений. Этот вывод гласит: яркость, или интенсивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу. Таким образом, молекулярное рассеяние чрезвычайно чувствительно к малейшему изменению длины волны света. Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 мкм) примерно в два раза меньше длины волны красных (0,8 мкм). Поэтому фиолетовые лучи будут рассеиваться в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающих лучей их в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все цветные рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым.

Прямой солнечный свет (т. е. свет, исходящий непосредственно от солнечного диска), теряя за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи, приобретает слабый желтоватый оттенок, который усиливается при опускании Солнца к горизонту. Теперь лучам приходится проходить в атмосфере все больший и больший путь. На длинном пути потери коротковолновых, т. е. фиолетовых, синих, голубых, лучей становятся все более заметными, и в прямом свете Солнца или Луны до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи -- красные, оранжевые, желтые. Поэтому цвет Солнца и Луны становится сначала желтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба это два следствия одного и того же процесса рассеяния. В прямом свете, после того как он проходит сквозь толщу атмосферы, остаются преимущественно длинноволновые лучи (красное Солнце), в рассеянный свет попадают коротковолновые лучи (голубое небо). Так теория Рэлея очень наглядно и убедительно объяснила загадку голубого неба и красного Солнца.

небо тепловой молекулярный рассеяние

3. Почему небо голубое?

В средние века считалось, что голубой цвет образуется от смешения чёрного и белого оттенков, но затем выяснилось, что таким путём можно получить только серый цвет. После изобретения спектрального анализа и обнаружения явления интерференции света в тонких плёнках Исаак Ньютон высказал предположение, что голубой цвет неба образуется на поверхности капелек воды, летающих в воздухе.

В 18 веке, после открытия в химии многих отдельных газов, учёные полагали, что голубой цвет присущ самим составляющим атмосферного воздуха. Впоследствии даже оказалось, что жидкий кислород действительно имеет голубой оттенок, а жидкий озон ? даже синий цвет, но это относится только к соответствующим жидкостям, а не газам. Сами же газы, входящие в состав воздуха, являются полностью бесцветными.

Первым Араго в 1809 г. открыл и исследовал такую важнейшую характеристику рассеянного света неба, как его поляризация. В дальнейшем, на протяжении всего 19 века были проведены многочисленные опыты по рассеянию света в различных жидкостях, растворах и газах для того, чтобы в лаборатории смоделировать и воспроизвести голубой цвет неба. Как было установлено, голубой цвет образуется главным образом именно за счёт механизмов рассеяния света, но не на многочисленных примесях и аэрозолях, присутствующих в воздухе, а непосредственно на газовых молекулах. После своей первой работы в 1871 г. лорд Рэлей почти 30 лет создавал строгую математическую теорию атмосферного рассеяния на основе электромагнитной природы света, и только в 1899 г. вышел его обобщающий труд «О свете от неба, его поляризации и цвете».

Правильное разрешение проблемы цвета неба состоит в том, что в случае рассеивающих частиц малого размера (< л/10) коэффициент рассеянного света у обратно пропорционален 4 степени длины волны света:

у = СF(N)/л4,

где С = const, F(N) ? определённая функция числа частиц N в единице объёма.

Это означает, что один и тот же объём воздуха будет существенно сильнее рассеивать коротковолновую часть света, чем длинноволновую.

Здесь ун ? коэффициент рассеяния, условно нормированный для фиолетового света (90%).

Из данной таблицы ясно видно, что если падающий от Солнца свет первоначально имел одинаковые интенсивности всех цветов спектра (такой свет мы бы воспринимали как чисто белый), то после прохождения даже совершенно чистой атмосферы значительная часть голубых и синих лучей будет рассеяна и окрасит небосвод в соответствующий цвет, а само Солнце (в проходящем свете) станет при этом жёлтым.

Если мы в дневное время станем подниматься вверх и уменьшать тем самым толщину атмосферы над своей головой, то механизм рассеяния света будет слабеть, и Солнце будет восстанавливать свой первоначальный белый цвет и свою первоначальную яркость. Этот эффект «отбеливания» Солнца и Луны хорошо наблюдается при наборе высоты 7-10 км во время типичного полёта на самолёте. Небосвод при этом также заметно изменяет свой вид: вверху он потемнеет и станет гораздо более синим, а внизу, у земли, напротив, будет ярким и голубовато-белёсым.

Вид синего неба типичен и высоко в горах. В свою очередь космонавты, летая полностью за пределами атмосферы, любуются одновременно ярко-белым и жгучим (в присутствии ультрафиолета) Солнцем, звёздами на абсолютно чёрном небе, и ярко-голубой планетой Земля внизу.

Вечером, глядя с поверхности Земли, толщина атмосферного слоя, через который проходят лучи Солнца на его заходе, значительно увеличивается, и Солнце около горизонта из жёлтого становится сначала оранжевым, а затем и всё более и более красным. Толщина рассеивающего слоя у нас над головой при этом, естественно, не изменяется, но за счёт ослабления общего светового потока небосвод, также как при подъёме вверх, темнеет и становится синим, а затем на восточной, теневой стороне горизонта фиолетовым и чёрным.

Описанное рассеяние света для частиц, с размерами < л/10, с тех пор называется рэлеевским или молекулярным. В процессе дальнейших физических исследований уже в 20 веке оказалось, что действительными «рассеивателями» являются даже не сами молекулы газов, а их мелкие случайные сгущения (флуктуации) за счёт теплового (броуновского) и турбулентного движения воздуха. Теория флуктуационного рассеяния света в атмосфере, которую создали М. Смолуховский и А. Эйнштейн, полностью соответствует и прежним выводам теории Рэлея.

Существенные изменения, однако, начинаются в том случае, когда происходит поступление в атмосферу частиц с большими размерами. Это могут быть как твёрдые аэрозольные частицы (песчинки, пыль, дым, сажа, кристаллики льда), так и жидкие (капельки воды). При увеличении размера рассеивающих частиц больше, чем л/10, рассеяние уже не может считаться чисто рэлеевским. Обобщённую теорию аэрозольного рассеяния света для частиц произвольного размера создал Г. Ми в 1908 г. В зависимости от соотношения размера частицы б и длины волны падающего света л, коэффициент рассеяния в теории Ми сначала повторяет закон Рэлея, затем заметно замедляет свой рост, при л = б начинает уменьшаться, и после некоторых вариаций выходит для больших б на некоторое постоянное значение. Соответственно, при наличии в воздухе частиц большого размера (относительно л) рассеяние света уже не зависит от длины волны и называется поэтому нейтральным.

Такими большими частицами являются чаще всего капельки воды, поэтому облака днём имеют нейтральный, т. е. белый цвет. Небо у горизонта по этой же причине выглядит более белёсым, чем в зените. Аэрозольное рассеяние света ответственно за многие необычные цветовые эффекты в небе. Например, во время пыльных бурь в пустынях Солнце может приобретать … зелёный оттенок. А иногда, после сильных вулканически извержений или лесных пожаров, на восходе наблюдается Солнце или Луна … голубого цвета!

4. Небо голубое потому, что сделано из чистейшего горного хрусталя! (теория древних греков)

Валяясь в траве в жаркий полдень, можно до бесконечности вглядываться в бездонную голубизну неба, словно в колодец и, жуя травинку, строить на этот счет различные предположения. А вот древний грек ответил бы на такой вопрос сразу и без запинки: «Небо голубое потому, что сделано из чистейшего горного хрусталя!».Причём хрусталь многослойный, отчего и голубой. Положите перед собой кусок обычного стекла. Он прозрачный. Но если сложить целую стопкутаких стёкол и попробовать посмотреть сквозь них, окажется, что перед нами не то, что находится позади всей конструкции, а какая-то неопределенная голубоватая мгла.

Так и тут -- небо -- это несколько хрустальных сфер, с изумительной аккуратностью вставленных одна в другую. А в середине -- Земля, с морями, городами, храмами, горными вершинами, лесными дорогами, харчевнями и крепостями. На одной сфере закреплены звёзды, их бесконечно много и иногда случается, что та или иная из них отрывается от хрустальной поверхности и падает вниз, что само по себе -- некоторый непорядок. Другая сфера занята одним огромным ярко пылающим Солнцем. Третья -- Луной. Остальные несут на себе по одной из планет.

Все сферы медленно вращаются каждая со своей скоростью и в своем направлении без скрипа и скрежета, а в центре всей системы важно и непоколебимо висит в мировой пустоте наша гордая и ни на что не похожая планета. Воистину, величественное зрелище! Такова была теория древних греков, но почему же они так считали? Небо нельзя было потрогать, на него можно было только смотреть. Смотреть и размышлять. И строить различные догадки. В наше время такие догадки назывались бы «научной теорией», но в эпоху древних греков они так и назывались -- догадками. И вот после долгих наблюдений и еще более долгих размышлений древние греки решили, что это простое и красивое объяснение такому странному явлению, как голубой цвет неба. Ответ считался правильным в течение, по крайней мере, следующих полутора тысяч лет.

Но сегодня мы уже знаем, что никаких хрустальных сфер не существует, Солнце, Луна и звезды вовсе не приклеены к чему-то, а находятся в безграничном пространстве - космосе.

Современные ученые нашли ответ и доказали почему же небо такого лазурного цвета. Весь секрет оказался в нашей атмосфере. Сам по себе воздух бесцветный, но когда в него проникают солнечные лучи, то свет в нем распадается на основные семь цветов спектра. Как мы знаем, из этих цветов состоит и радуга - красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Так как голубого цвета получается больше, то поэтому и кажется что небо сине-голубое. Особенно понятно это становится, если сравнить день и ночь. Ночью нет солнечных лучей, в это время солнце освещает противоположную сторону Земли. Из-за отсутствия лучей, мы видим атмосферу такой какая она есть - прозрачной. Сквозь прозрачный воздух мы можем увидеть черный космос, другие планеты, звезды и галактики. Когда же снова настает день и выходит солнце, мы снова видим лазурное небо! Получается, что днем космос как бы закрывается от нас голубой шторкой, скрывая свои тайны и загадки.

Вывод

Все, конечно, обращали внимание, что цвет неба изменяется ото дня ко дню. Иногда оно насыщенно-голубое, а иногда белесое. В околозенитных частях небо самое голубое, а у горизонта всегда более белесое. Эти особенности изменения цвета неба теория Рэлея не могла объяснить. Ответ на эти вопросы получили позднее, когда было исследовано рассеяние света на более крупных частицах, имеющихся в атмосфере,-- аэрозолях и создана теория аэрозольного рассеяния.

Наша планета окружена слоем воздуха, образующим атмосферу. Воздух атмосферы содержит кислород, азот, углекислый газ, а также пары воды и микроскопические пылинки, находящиеся в постоянном движении.

Солнечный свет проникает сквозь атмосферу. Газы, которыми насыщен воздух, разлагают белый свет на его составные части - спектр: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Получается, что среди этих цветов полоса голубого и синего цвета преобладает, поэтому-то небо и кажется голубым. На Луне атмосферы нет, и небо выглядит черным. Когда космический корабль выходит на орбиту за пределы атмосферы, космонавты видят в черном бархатном небе сверкающие звезды и планеты, отражающие их свет.

Размещено на Allbest.ru