Новый физический фейерверк

ОТВЕТ • Характерную структуру облаков легче разглядеть при хорошем контрасте между областью яркого рассеянного света и соседней, затененной тучами областью. Самый яркий свет при рассеянии каплями в тучах исходит из области внутри угла порядка 42° с вершиной в точке солнечного противостояния, так что эта область более контрастна.

6.11. Цвет неба во время солнечного затмения

Почему во время полного солнечного затмения небо на горизонте становится красным, а над головой небо кажется более насыщенно синим, чем до и после затмения?

ОТВЕТ • Обычно над линией горизонта мы видим белое небо. Молекулы воздуха, находящиеся не слишком далеко от наблюдателя, рассеивают в его направлении больше синего света, чем красного. Рассеянный свет от молекул, находящихся существенно дальше, распределен по цветам так же, однако, поскольку расстояние до наблюдателя больше, в результате рассеяния свет почти полностью теряет синюю составляющую. Таким образом, более близкие молекулы окрашивают небо в синий цвет, а более далекие — в красный. Поскольку их комбинация дает белый цвет, небо над горизонтом кажется белым. Во время полного солнечного затмения небо над головой окрашено в более темный синий цвет, поскольку из-за тени наблюдатель не видит свет, рассеянный в нижних слоях атмосферы. Обычно такой свет имеет красноватый оттенок: прежде чем достичь наблюдателя, световые лучи проходят через плотные слои атмосферы, теряя большую часть голубой компоненты при рассеянии на большом количестве молекул воздуха. Когда наконец этот свет рассеивается в направлении наблюдателя, в нем доминирует красный цвет. Лучи света, идущие в направлении наблюдателя из более высоких, менее плотных слоев атмосферы, сталкиваются с меньшим числом молекул и поэтому теряют меньше синего света. Когда в конце концов они рассеиваются в направлении наблюдателя, в них остаются в основном лучи синего цвета. Обычно цвет неба у нас над головой — комбинация красноватого света, идущего от нижних слоев атмосферы, и света, где преобладает синий, доходящий до наблюдателя от более высоких слоев. Однако полное солнечное затмение не пропускает красноватый свет, и поэтому в это время небо над головой окрашено в более насыщенный синий цвет, чем обычно.

6.12. Небо позеленело — прячься в погреб

Когда я мальчиком жил в Техасе, бабушка всегда отправляла нас в погреб, если во время сильной бури небо приобретало зеленоватый оттенок. Она, как и все соседи, верила, что это сигнал опасности: возможно торнадо. Почему же небо окрашивается в зеленый цвет, а не просто становится темным?

ОТВЕТ • Чтобы небо стало зеленым, требуется выполнение двух условий. Во-первых, при рассеивании на молекулах воздуха падающего солнечного света в нем не должно остаться цветов синей области видимого спектра. А это означает, что солнце должно быть низко. Во-вторых, когда этот свет проходит через тучи, водяные капли должны поглощать свет из красной области видимого спектра. Если облака достаточно плотные (что бывает при сильной буре), в пробившемся через них свете отсутствует как голубая, так и красная области видимого спектра. Поэтому небо будет выглядеть зеленоватым или зеленовато-желтым, поскольку останутся именно эти цвета видимого спектра (рис. 6.5).

Рис. 6.5 / Задача 6.12. Свет от низкого солнца, пробиваясь через тучу, теряет красный цвет и становится зеленым.

6.13. Почему на закате небо над головой синеет

Почему во время заката становится более насыщенным голубой цвет неба над головой? Не должно ли оно, как и закат, окраситься в красный цвет?

ОТВЕТ • На закате солнечные лучи, рассеянные в направлении наблюдателя, достигают его, пройдя по длинному наклонному пути через атмосферу и озоновый слой стратосферы (рис. 6.6). Поскольку озон поглощает излучение красной области спектра и свет проходит через озоновый слой достаточно длинный путь, в спектре прошедшего света синий цвет становится доминирующим еще до рассеяния в направлении наблюдателя. Именно поэтому на закате цвет неба над головой такой насыщенно синий, особенно примерно через 20 минут после того, как солнце зашло за горизонт.

Рис. 6.6 / Задача 6.13. Солнечный свет, проходящий через нижние слои атмосферы, становится красным. Солнечный свет, проходящий через озоновый слой, становится синим.

6.14. Темное пятно в розовом обрамлении, возникающее на закате