Новый физический фейерверк

На горизонте небо белое, поскольку свет от далеких молекул, прежде чем достигнуть наблюдателя, испытывает многократное рассеяние. Более близкие молекулы, как и более далекие, посылают в направлении к наблюдателю голубой свет. Но путь, который проходит свет от более далеких молекул, длиннее, а значит, он дополнительно рассеивается, и его голубая компонента ослабевает. В конечном счете в свете, идущем от далеких молекул, доминирующим становится красный цвет. Он смешивается с доминирующим голубым светом от ближних молекул, что и обеспечивает белый цвет неба на горизонте.

Ночью небо тоже голубое, но свет слишком тусклый, чтобы глаз человека мог его воспринять. Однако голубой цвет виден на фотографиях с большой экспозицией.

При заходе солнца глаз воспринимает световые лучи, прошедшие более длинный путь через земную атмосферу, чем прямые солнечные лучи, когда солнце в зените. На этом пути большая часть синего света рассеивается молекулами воздуха, и до наблюдателя в основном доходит красный и желтый свет. Пик интенсивности приходится на длину волны порядка 595 нм, что воспринимается как оранжевый цвет. Однако чаще всего цвет неба при закате ближе к красному, поскольку мельчайшие частицы в атмосфере усиливают рассеяние света всех цветов, кроме красного.

Иногда во время заката можно видеть, что небо четко делится на области разных цветов. Такое бывает, если лучи света проходят через слой с температурной инверсией, где температура воздуха повышается с увеличением высоты. Свет, проходящий на закате через такой слой, преломляется, и глаз его не воспринимает. Если до наблюдателя по-прежнему доходит свет от слоев ниже и выше слоя с температурной инверсией и поскольку этот слой выпал из его поля зрения, цвет нижнего слоя не переходит плавно в цвет верхнего слоя.

6.6. Голубые горы, белые горы, красные облака

Предположим, вы смотрите на уходящую вдаль цепь темных гор. Почему где-то посередине гряды горы становятся голубыми, чуть дальше они кажутся еще голубее, а на горизонте это уже почти белые горы? Почему иногда снежная равнина, ярко освещенная солнцем, где-то вдали кажется желтой? Почему очень далекие облака бывают красными? Можно предположить, что красными облака бывают только на закате, когда часть неба окрашена в красный цвет. Но нет, иногда красные облака встречаются и когда солнце стоит высоко.

ОТВЕТ • Темные горы посередине уходящей вдаль гряды кажутся голубыми, поскольку, как объяснялось в предыдущей задаче, воздух между горой и наблюдателем рассеивает в его направлении больше света из синей, нежели из красной области видимого спектра. Поэтому кажется, что темная гора окутана синей дымкой. Если гора расположена дальше, между наблюдателем и горой больше воздуха, где происходит преобладающее рассеяние синего света. А вблизи горизонта гора кажется белой потому же, почему небо на горизонте кажется белым (см. ответ к предыдущей задаче).

Цвет отдаленной, ярко освещенной снежной равнины не совпадает с цветом горы на том же расстоянии, потому что, глядя на снежную равнину, наблюдатель видит отраженный от снега яркий белый свет, которого нет, если он смотрит на гору. По пути к наблюдателю отраженный от снега белый свет рассеивается на флуктуациях плотности воздуха (то есть на неоднородностях атмосферы), интенсивность входящего в его состав синего света падает, и до наблюдателя доходит свет, в котором доминируют красный и желтый цвета. Однако освещенные солнцем молекулы воздуха, находящиеся между наблюдателем и снежной равниной, тоже посылают в направлении наблюдателя рассеянный свет, но в нем доминирует синий цвет. Комбинация голубого рассеянного солнечного света и желто-красного, идущего от снежной равнины, дает белый цвет с желтым оттенком.

Как и далекая снежная равнина, отдаленные тучи тоже могут рассеивать яркий белый свет в направлении наблюдателя, и можно подумать, что и тучи будут выглядеть желтоватыми. Однако очень далекие тучи могут иметь заметный красноватый оттенок. Разница в цвете объясняется тем, что наблюдатель видит тучи на гораздо большем расстоянии, чем снежное поле. Большее расстояние означает, что свет от туч больше рассеивается на молекулах воздуха, что и обеспечивает его красноватый оттенок.

6.7. Предупреждение морякам

Справедлива ли поговорка: «Небо красно к вечеру — моряку бояться нечего; небо красно поутру — моряку не по нутру»?

ОТВЕТ • Поговорка в какой-то мере справедлива: обычно шторм наступает с запада, продвигаясь вперед как шквальный фронт. Если на западе небо красное на закате, следовательно, на западе нет грозовых туч, не позволяющих солнечному свету обогнуть искривленную земную поверхность (рефракция). С большой вероятностью это означает, что в ближайшие дни погода будет хорошей. Однако если небо на западе красное утром, тогда от туч свободно небо на востоке, и вскоре с запада может прийти шторм.

6.8. Закаты и вулканы