Бесплатная техническая библиотека

Солнце красное взойдет. Детская научная лаборатория

Справочник / Детская научная лаборатория

 Комментарии к статье

Окраска неба, цвет Солнца и Луны, многие оптические и акустические явления определяются тем, что электромагнитные и упругие волны разной длины рассеиваются в атмосфере по-разному, подчиняясь закону Рэлея.

Летом мало кто видит восходящее солнце - оно встает слишком рано. Зато закаты предстают перед нами во всей своей красе: огромный шар, меняя свой цвет от ярко-красного до темно-бордового, медленно опускается по синему небу, окрашивая его в желтые, зеленые, розовые тона, и скрывается за горизонтом... Когда-то полагали, что воздух сам по себе имеет синий цвет и поэтому атмосфера поглощает красные лучи. Но тогда Солнце и Луна у горизонта казались бы более голубоватыми, чем в зените: лучи света от них, прежде чем достичь наблюдателя, проходят тем большую толщу воздуха, чем ниже опускается светило. После появления электромагнитной теории света стало ясно, что световые волны в атмосфере должны рассеиваться частицами, взвешенными в воздухе, как волны на воде - камнями и скалами, стоящими на их пути. Предположил и доказал это на опыте в 1868 году английский физик Дж. Тиндаль. Однако спустя три года Дж. У. Рэлей показал, что рассеяние света должно происходить и в идеально чистой атмосфере на ее оптических неоднородности - флуктуациях плотности. Неоднородности эти непрерывно возникают в результате случайного скопления молекул при их тепловом движении и мгновенно рассасываются, чтобы снова образоваться в другом месте.

Свет, проходящий через пустоту или сквозь абсолютно однородную среду, не рассеивается: размеры молекул в тысячи раз меньше длины световой волны, и свет идет, "не замечая" их. Неоднородности среды становятся своего рода призмами, которые рассеивают свет тем сильнее, чем значительнее плотность воздуха в них отличается от среднего значения. И, конечно, чем больше таких неоднородностей. Среда с оптическими неоднородностями размером 0,1-0,2 средней длины световой волны называется мутной.

В мутной среде световые волны разной длины рассеиваются по-разному: коротковолновое излучение, синяя часть спектра - сильнее, длинноволновая, красная - слабее. Зависимость рассеяния от длины волны очень сильна - она обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Значит, синий свет, длина волны которого (0,5 мкм) в 1,4 раза меньше длины волны света красного (0,7 мкм), в мутной среде рассеивается в (1,4)⁴=4 раза сильнее!

Электромагнитная волна, падая на молекулы вещества, взаимодействует с их электронами. Электроны, настолько слабо связанные с атомами, что под действием волны могут заметно смещаться (их называют поэтому "оптическими электронами"), испытывают периодическое ускорение, пропорциональное квадрату частоты, и порождают переменное магнитное поле. В поле возникает вторичная электромагнитная волна, амплитуда которой пропорциональна ускорению электрона, а интенсивность - квадрату амплитуды.

Таким образом, интенсивность излучаемого вторичного света пропорциональна четвертой степени частоты света падающего или - что то же самое - обратно пропорциональна четвертой степени длины его волны. Это вторичное излучение и представляет собою свет, рассеянный в мутной среде, а зависимость его интенсивности от длины волны называется законом Рэлея.

Частицы, размеры которых больше длины световой волны (0,5-0,7 мкм),рассеивают свет по преимуществу в направлении падающего луча, а распределение его интенсивности становится довольно сложным.

Частицы размером порядка 0,1 мкм рассеивают падающий свет одинаково вперед и назад и в поперечном направлении в два раза слабее, чем в продольном.

Эта зависимость называется законом Рэлея. Ею объясняется красный цвет закатного солнца, синий - неба, а также цвет морской воды (на мелководье к синему рассеянному свету примешивается желтый, отраженный от песчаного дна, и вода становится зеленой). По этой же причине предупредительные огни, стоп-сигиалы и прочие знаки опасности делают красными (их видно издалека), а красный фильтр на объективе фотоаппарата помогает при съемке в дымке. На таких снимках небо получается очень темным, почти черным, листва - светлой, а детали далеких предметов выходят довольно ясно. (Заметим попутно, что при помощи красного фильтра фотографы и кинооператоры изображают лунную ночь при съемке в яркий солнечный полдень.)

Синий фильтр, напротив, создает на снимке ощущение таинственного мира, скрытого за туманной завесой. Во время войны подъезды домов освещались синими пампами - их свет, быстро рассеиваясь в атмосфере, не был виден с воздуха.

Очень мелкие частицы рассеивают свет одинаково сильно по ходу падающего луча и против него и в 2 раза слабее - в перпендикулярном направлении. Соответственно изменяется и насыщенность цвета неба. Когда частицы становятся крупнее, зависимость эта оказывается гораздо более сложной. Свет начинает рассеиваться в основном вперед, по направлению падающего света, изменяется и его спектральный состав. Зависимость от длины волны становится не рэпеевской (Lambda4), а квадратичной (Lambda2). Делаясь еще крупнее, частицы начинают рассеивать все длины волн одинаково. Так происходит, когда легкая дымка уплотняется и превращается в молочно-белый туман. По этой причине желто-оранжевые "противотуманные" автомобильные фары на самом деле в тумане не работают: их свет там рассеивается столь же сильно, как и белый. Более того: в сильной дымке он становится красноватым, и его можно спутать с задними огнями удаляющегося автомобиля (бывает, с самыми печальными последствиями). В степях и пустынях белесое небо - тревожный признак. Он говорит, что приближается сильный ветер, ураган, поднимающий в воздух тучи мелкого песка и пыли. И только дождь, "промыв" воздух, может возвратить небосводу синеву. Справедлива и примета: "Луна краснеет - к ветру и плохой погоде". Ветер интенсивно перемешивает слои воздуха разной температуры; количество флуктуации при этом резко возрастает.

Поставив несложный опыт, можно посмотреть, как меняются цвета проходящего и рассеянного света (см. рисунок.). В стеклянную банку наливают слабый раствор гипосульфита. Пучок белого света от диапроектора пропускают сквозь сосуд и фокусируют на бумажном экране, получая световой круг. Затем в банку по каплям добавляют разбавленную соляную кислоту (концентрацию растворов подбирают опытным путем). Через несколько минут из раствора начнет осаждаться продукт реакции - мелкодисперсная сера. Частички серы увеличиваются в размерах, и одновременно световое пятно на экране становится сперва желтым, а затем красным и, наконец, багровым, напоминая закатное солнце. Раствор в сосуде, бывший совершенно прозрачным в начале опыта, приобретает синюю окраску, которая в конце концов становится белесой, как туман. Если подождать, пока частицы серы осядут на дно, раствор снова станет прозрачным, а световое пятно - белым.

Аналогичным образом ведут себя звуковые волны и волны на воде: низкие их частоты рассеиваются тоже гораздо слабее, чем высокие. Звуковые колебания взаимодействуют со средой совсем не так, как электромагнитные - они "раскачивают" не отдельные электроны в молекулах воздуха, а целиком участки повышенной плотности и взвешенные в нем частицы. Особенно сильно рассеивает и поглощает звук туман. Звуки в тумане становятся глухими, низкими, и трудно определить, откуда они идут.

Интересные вещи происходят порой со звуком, отразившимся от далеких предметов - эхом. Дж. Рэлей исследовал случай, когда звук голоса, отраженного от стены соснового леса, повышался на октаву. Совершенно очевидно, что только за счет отражения от неподвижного препятствия частота звуковых колебаний возрасти не может. Но человеческий голос кроме основного тона содержит в себе множество дополнительных обертонов более высокой частоты, которые мы обычно не воспринимаем. Сосны, с их тонкой и редкой хвоей, служат для звука "мутной средой", которая низкие частоты хорошо пропускает, а высокие - отражает. К наблюдателю возвращаются только обертоны его голоса, а кажется, что весь звук внезапно стал выше.

Люди с обостренным творческим восприятием - писатели, поэты, композиторы - прекрасно знают эту особенность атмосферной акустики. В рассказе А. П. Чехова "Доктор" есть примечательная фраза:

"В это время со двора отчетливо донеслись звуки оркестра, игравшего на дачном кругу. Слышны были не только трубы, но даже скрипки и флейты". На открытом воздухе флейту и скрипку издалека можно услышать действительно только в особо благоприятных условиях.

А композиторы, изображая уходящий военный оркестр, не просто уменьшают громкость его звучания, но в первую очередь постепенно убирают все высокие звуки. Музыка звучит все тише, мелодия постепенно исчезает, и остаются только глухие удары большого барабана и затихающие вздохи бас-геликона. Полк ушел... Всходит красное солнце...

Белый свет меняет цвет

Многие оптические явления, которые мы видим ежедневно, происходят из-за того, что свет с разной длиной волны на своем пути рассеивается по-разному.

Солнце вблизи горизонта - на восходе и на закате - всегда имеет красный цвет. Вечернее небо синим или голубым бывает очень редко - только когда воздух в приземном слое совершенно свободен от пыли и влаги. Цвета зари создают, смешиваясь, рассеянные в запыленной атмосфере световые волны разной длины.

Молочный шар светильника на эскалаторе станции метро "Маяковская" и матовый колпак настольной лампы. Молочное стекло, содержащее чрезвычайно мелкий непрозрачный краситель, служит для света "мутной средой", сильно рассеивающей коротковолновую часть спектра. Нить лампы, раскаленная добела, кажется поэтому темно-красной. Грубые царапины матового стекла рассеивают электромагнитные волны любой длины одинаково, и весь колпак лампы светится белым светом.

Автор: С.Транковский

 Рекомендуем интересные статьи раздела Детская научная лаборатория:

▪ Большая ложка природы

▪ Воздушное колесо

▪ Весы на архимедовой спирали

Смотрите другие статьи раздела Детская научная лаборатория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Дифференциальные датчики Honeywell серии NSC 19.10.2021 Компания Honeywell представила новые дифференциальные датчики серии NSC: NSCSAAN600LDUNV для измерения разности давления в диапазоне 600 Па и NSCSAAN016KDUNV для измерения разности давления в диапазоне 15 кПа. Дифференциальные версии позволяют измерять давление между двумя портами давления. Данные датчики предназначены для использования с некоррозионными и неионогенными газами, такими как воздух. Порт 1 также может использоваться для неагрессивных неионогенных жидкостей на датчиках с номиналом выше 6 кПа. Серия NSC имеет множество вариантов корпусов типов монтажа, что упрощает производителям устройств интеграцию продукта в свои приложения. Эти датчики имеют лучшую в отрасли точность, а частотная характеристика обычно ограничивается только системой конечного пользователя. Вся продукция разработана и изготовлена в соответствии с ISO 9001. Датчики серии NSC могут применяться в медицинском и промышленном оборудовании, таком как небулайзеры, спирометры, лечебные больничные кровати, концентраторы кислорода, клапаны, насосы и приводы. Напряжение питания датчиков может лежать в диапазонах 1,5...12 В для NSCSAAN016KDUNV и 2,7...6,5 В для NSCSAAN600LDUNV. Максимальный ток при питании 5 В не превышает 2,2 мА. Особенности датчиков давления серии NSC: отсутствие компенсации и усиления; лучшая в отрасли точность до +- 0,15% FSS BFSL; возможность гибкого выполнения собственной калибровки при сохранении лучшей в отрасли стабильности, точности и повторяемости, которые обеспечивают датчики давления Honeywell TruStability; диапазон рабочих температур -40...85°C; измерение абсолютного, дифференциального или избыточного давления.

Другие интересные новости:

▪ Вездеход DJI со стабилизированной камерой

▪ Прочный и пластичный прорезиненный бетон

▪ Температура тела влияет на продолжительность жизни

▪ Робот для домашнего хозяйства

▪ Автомобиль узнает владельца по отпечатку пальца

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Бытовые электроприборы. Подборка статей

▪ статья Врачу, исцелися сам! Крылатое выражение

▪ статья Светит ли Солнце все время одинаково? Подробный ответ

▪ статья Желтая водяная лилия. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Почему нежелательно применять ферритовые магнитопроводы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья ГПН в панорамном индикаторе КСВ. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026