Физика солнечного света. Почему небо голубое

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(ФГБОУ ВО КНИТУ)

Кафедра инженерной экологии

Курсовая работа

по дисциплине: Естествознание

на тему: «Физика солнечного света. Почему небо голубое»

Выполнила:

Тихообразова И.

Проверил:

Зайнуллин А. М.

Казань 2016



Оглавление

• Введение
• 1. Физика солнечного света
• 1.1 Спектр цвета и цветовое зрение
• 1.2 Видимый свет в спектре
• 1.3 Преломление
• 1.4 Источники света
• 2. Оптические явления природы
• 2.1 Световые столбы
• 2.2 Брокенский призрак
• 3. Почему небо голубое
• 3.1 Небо
• 3.2 История вопроса
• 3.3 Теория древних греков
• 3.4 Объяснение явления голубого неба
• Заключение

Список литературы



Введение

Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.

Солнечная инженерия является одним из направлений, над которым работают ученые. Состоит она в создании структур и процессов, позволяющих улавливать солнечную энергию, а затем использовать ее для нужд человеческой цивилизации. Солнечная энергия это энергия, излучаемая светилом, вокруг которого вращается наша Земля.

Излучаемую энергию называют также радиацией. Это энергия, перемещающаяся в форме электромагнитных волн через космическое пространство. Энергия всех остальных видов способна перемещаться только через материалы. Радиацией также называют и сам способ перемещения энергии излучения.

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).

Одной из субъективных характеристик света, воспринимаемой человеком в виде осознанного зрительного ощущения, является его цвет, который для монохроматического излучения определяется главным образом частотой света, а для сложного излучения его спектральным составом[1].



1. Физика солнечного света

1.1 Спектр цвета и цветовое зрение

Спектр света часть спектра электромагнитного излучения

Свет в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380--400 нм, а в качестве длинноволновой границы участок 760780 нм[1].

Согласно теории цветового зрения ЮнгаГемгольца (1821г.р.-1894г.с.) ощущение любого цвета можно получить смешиванием спектрально чистых излучений красного, зеленого и синего цвета. Эта теория хорошо согласуется с наблюдаемыми фактами и предполагает, что в глазу есть только три типа светочувствительных приемников. Они отличаются друг от друга областями спектральной чувствительности. Красный свет воздействует преимущественно на приемники первого типа, зеленый второго, синийтретьего. Сложением излучений таких трех цветов в различных пропорциях можно получить любую комбинацию возбуждения всех трех типов светочувствительных элементов, а значит и ощущение любого цвета. Если все рецепторы возбуждены в одинаковой степени, мы имеем ощущение белого цвета, если рецепторы не возбуждены черного. По этой причине, накладывающиеся области красного, зеленого и синего цвета выглядят как белое пятно. Наложение красного и синего цвета дает фиолетовый цвет, зеленого и синего бирюзовый, красного и зеленого желтый.



Рисунок 1 кривая видности

Рисунок 1 показывает относительную спектральную чувствительность глаза к излучениям различных длин волн (так называемая кривая видности). Кривая видности красного цвета соответствует чувствительности глаза при дневном свете, а синяя при сумеречном свете. Максимальная чувствительность глаза при дневном свете достигается на длине волны 555нм, а при сумеречном свете на длине волны 510 нм. Максимальная чувствительность глаза в обоих случаях принимается за единицу. Отличие между этими двумя кривыми видности объясняется тем, что дневной и сумеречный свет воспринимаются различными рецепторами глаза (палочками при сумеречном свете и колбочками при дневном свете). При этом палочки обеспечивают чёрно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже. В темноте работают только палочки именно поэтому ночью воспринимаемое изображение серое.

Как мы можем видеть из кривой видности, глаз способен воспринимать свет на длинах волн примерно от 400 нм до 760 нм. В условиях адаптации к темноте глаз может также немного видеть инфракрасный свет с длиной волны до 950 нм и ультрафиолетовый свет с длиной волны не меньше 300 нм. Границы частотного диапазона видимого света, а также сама форма кривой видности человеческого глаза были сформированы в процессе длительной эволюции, приспособившись к условиям освещения земных предметов солнечным светом, а также к условиям сумеречного и ночного освещения. Действительно, было бы биологически нецелесообразно, если бы глаз обладал способностью принимать излучение с длинами волн короче 290нм, так как из-за наличия озонового слоя в атмосфере земли, поглощающего ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи поверхности Земли практически обрывается на длине волны 290 нм. С другой стороны, из-за теплового излучения самого глаза, его высокая чувствительность к инфракрасному излучению сделала бы невозможной работу глаза в условиях солнечного освещения.

Ультрафиолетовое излучение, невидимое для глаза, воздействует тем не менее на кожу. Под действием ультрафиолета, который присутствует в солнечном свете, в коже вырабатывается особый пигмент, интенсивно отражающий эту часть солнечного спектра. При этом кожа приобретает характерный оттенок, известный как загар, а вероятность её ожога сильно уменьшается. Почему же нельзя загореть через оконное стекло? Дело в том, что обычное оконное стекло не пропускает ультрафиолетовых лучей и, следовательно, солнечный свет, прошедший через стекло, не может вызвать загар. Загореть можно только через кварцевое стекло, прозрачное для ультрафиолета (см. рисунок 2).



Рисунок 2 Спектр оптического пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического стекла BK 7 и обычного стекла

В отличие от обычного стекла, которое состоит из смеси различных компонент, кварцевое стекло состоит только из оксида кремния, а количество примесей других химических элементов чрезвычайно мало. Это приводит к тому, что кварцевое стекло обладает чрезвычайно широким спектром пропускания и малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров). Это обуславливает широкое применение кварцевого стекла в оптике. Если позволяют средства, вы можете застеклить на даче одно из окон кварцевым стеклом и загорать зимой[2].

1.2 Видимый свет в спектре

Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света. Скорость света в вакууме

Свет на границе между средами испытывает преломление и отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления является скалярной функцией (в общем случае от времени и координаты); в анизотропных средах он представляется в виде тензора. Зависимость показателя преломления от длины волны света (дисперсия) приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью; благодаря этому возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр.

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. У линейно поляризованного света определена плоскость (т. н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрического вектора волны. У циркулярно поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, вращается по или против часовой стрелки. Неполяризованный свет является смесью световых волн со случайными направлениями поляризации. Поляризованный свет может быть выделен из неполяризованного пропусканием через поляризатор или отражением/прохождением на границе раздела сред при падении на границу под определённым углом, зависящим от показателей преломления сред (см. угол Брюстера). Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причём угол поворота зависит от концентрации оптически активного вещества; это явление используется, в частности, в поляриметрическом анализе веществ (например, для измерения концентрации сахара в растворе).

Количественно интенсивность света характеризуют с помощью фотометрических величин нескольких видов. К основным из них относятся энергетические и световые величины. Первые из них характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также производных от них. К энергетическим величинам в частности относятся энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, энергетическая светимость и облучённость.

Каждой энергетической величине соответствует аналог световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость и освещённость.

Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат отражает тот факт, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому.

Видимый свет электромагнитное излучение с длинами волн (от фиолетового до красного)[3].

1.3 Преломление

В 1621 году Снеллиус сформулировал закон преломления, который гласит, что если угол между падающим лучом и нормалью поверхности проведенной к точке падения, названный углом падения, обозначить через ; и если угол преломления - угол между преломленным углом и нормалью - обозначить через ; тогда взаимосвязь этих углов будет определяться следующим выражением



Кроме того, закон Снеллиуса полагает, что падающий луч, преломленный луч и нормаль проведенная к точке падения находятся в одной плоскости (рисунок 1). Величины и - коэффициенты преломления двух материалов. В то время как выражение (1) может быть принято за определение коэффициента преломления материала, более фундаментально эта величина определяется как

где v - скорость света в вакууме, а c - скорость света в веществе.

Рисунок 3 закон преломления

Поскольку для любой поверхности отношение коэффициентов преломления определяет угол преломленного луча, то удобно записать

так что закон Снеллиуса упростится до следующего выражения



В случае отражения (рисунок 2), угол отраженного луча равен углу падения. Эти два угла имеют противоположный знак, согласно правило знаков для углов при распространении лучей. Следовательно, закон отражения можно представить как

При разработке оптики, отражение обычно принимают за частный случай преломления со следующими условиями

, или

     

Этот метод очень полезен при разработке центрированных систем с отражающими поверхностями, т.к. формула для преломления может быть применена к отражающей поверхности практически без изменений при условии, что мы примем на вооружение правило, что коэффициент преломления изменяет свой знак после каждого отражения. После четного числа отражений, когда лучи распространяются в том же направлении, в котором они распространялись первоначально, коэффициент преломления будет положительным; после нечетного числа отражений коэффициенту преломления будет присвоено отрицательное значение.



Рисунок 4 закон отражения

В случае сложных децентрированных систем - систем с наличием нескольких поворотных зеркал - это соглашение (условие, что после отражения коэффициент преломления остается прежним, но со знаком минус) может сбить с толку. Возможно в этом случае более удобно рассматривать отражения как отдельный случай, оставляя все коэффициенты преломления положительными[4].

1.4 Источники света

Природа возникновения света. Известно, что при нагревании до определённых температур вещества начинают излучать свет. Неважно, будь то вольфрамовый волосок в электрической лампочке или Солнце, у которых температура на поверхности составляет тысячи градусов.

В науке установлено, что энергия атомов носит дискретный характер и изменяется скачкообразно, своими величинами для каждого атома. Эти установленные возможные значения энергий атомов получили названия энергетических или квантовых уровней. Электроны, находясь на одном из высших энергетических уровней, самопроизвольно переходят на более низшие через промежуток времени порядка секунды. При этом самопроизвольный переход из низшего состояния в любое другое невозможен. Этот уровень называется основным, в то время, как остальные возбуждёнными. В нормальных условиях все атомы находятся в своих основных энергетических состояниях. Для того, чтобы возбудить атом, ему необходимо сообщить некоторую энергию, причём для каждого атома существует определённая наименьшая порция энергии, переводящая из основного состояния в возбуждённое (так для водорода эта величина равна 10,1 эВ -- это расстояние между его первым и вторым энергетическими уровнями).

При переходе из более высоких состояний в более низкие испускается порция энергии -- фотон. Согласно формуле Планка испускаемая энергия рассчитывается так:

,

где где h -- постоянная Планка, а частота фотона при переходе из уровня n на уровень m (n>m), которую можно рассчитать через энергии этих уровней:

С ростом температуры тела излучение дополняется всё более высокими частотами. Таким образом, излучение тела, нагретого до нескольких тысяч градусов, будет представлять сплошной спектр: от инфракрасного до ультрафиолетового.

Интенсивность света. Любой источник света характеризуется своей интенсивностью -- средним по времени значением величины вектора Пойнтинга:



Таким образом, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний электромагнитного поля:

Через значение напряжённости электрического поля её можно выразить следующим образом:

где диэлектрическая постоянная,

электродинамическая постоянная (скорость света в вакууме), коэффициент преломления среды, магнитная проницаемость вещества, диэлектрическая проницаемость вещества[5].



2. Оптические явления природы

2.1 Световые столбы

Раньше считалось, что световые столбы - божественное знамение. Человека, увидевшего его, обязательно ждало несметное богатство и безграничное счастье. Сегодня ученые смогли рассеять миф вокруг этого оптического феномена и найти ему вполне «земное» объяснение. Однако от этого он не утратил своей красоты и люди по-прежнему удивляются его появлению(рисунок).

Рисунок 5 явление световых столбов

Световые, или как их еще называют, солнечные столбы, считаются самым распространенным видом гало. Они представляют собой тянущуюся от солнца вертикальную полосу света, которая появляется на восходе или закате. Для их формирования необходимо наличие в атмосфере плоских шестиугольных кристаллов. Как правило, данный вид кристаллов образуется в перисто-слоистых или высоких перистых облаках, но при низкой температуре воздуха они могут появиться и в нижних слоях атмосферы. Грани ледяных пластинок срабатывают как маленькие зеркальца, которые отражают солнечные лучи. В результате, небо зажигается необычным природным явлением, смотреть на которое без удивления или восторга просто невозможно. Оно напоминает светящиеся колонны с бесконечным зарядом энергии, включенные неведомой силой.

Световые столбы могут формироваться вокруг луны, уличных фонарей или любого другого яркого источника света. Самые «зрелищные» экземпляры наблюдаются в северных странах. Постоянная низкая температура воздуха является благоприятной средой для образования ледяных кристаллов в нижних слоях атмосферы. Свет от уличных фонарей, отражаясь от них, может создавать сразу несколько световых столбов. Такому необычному природному явлению дали красивое название «Световой лес». Благодаря разноцветным фонарям, он может приобретать светло-зеленый, голубой или оранжевые оттенки[6].

2.2 Брокенский призрак

Брокенский призрак появляется, когда Солнце светит из-за альпиниста, смотрящего вниз с хребта или пика в туман. Свет проецирует тень альпиниста вперёд сквозь туман, часто принимая причудливые угловатые очертания, вызванные перспективой.

Увеличение размеров тени -- оптическая иллюзия, объясняемая тем, что наблюдатель соизмеряет свою тень, лежащую на относительно близлежащих облаках, с далекими объектами поверхности, видимой сквозь просветы в облаках; или когда невозможно сориентироваться в тумане и соизмерить размеры.

Кроме того, тени попадают на капли воды, находящиеся на различных расстояниях от глаза, что нарушает восприятие глубины.

Призрак может приходить в движение (иногда совершенно неожиданно) из-за движения облачного слоя и колебания плотности в облаке.

Рисунок 6 оптическое явление «Брокенский призрак»

солнечный свет оптический небо

Явление можно наблюдать в условиях горного тумана или облачности, или даже из самолёта. Но известность оно приобрело благодаря пику Брокен в горах Гарц в Германии, где постоянные туманы и доступность малых высот позволяют наблюдать его особенно часто. Это способствовало возникновению местной легенды, по которой и дали явлению название[6].



3. Почему небо голубое

3.1 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 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[7].

3.2 История вопроса

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.



Рисунок 8 британский физик и механик Джон Рэлей

Первым, кто создал стройную, строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей (рисунок 3) . 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 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, который 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[6].

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.

Пыль, дым и т.д. усиливают рассеяние света; более того, в иных случаях рассеяние может совершенно иначе зависеть от длины волны. После больших извержений вулканов восходы и заходы солнца порой играют удивительными красками (солнце и луна могут даже стать синими). Конкретные оттенки цветов, наблюдаемые в конкретной ситуации, обусловлены комбинацией рэлеевского рассеяния с рассеянием света на твердых частицах. Так же и оттенки заката могут варьироваться в зависимости от запылённости атмосферы и концентрации в ней водяного пара.

Важную роль играют флуктуации плотности областей атмосферы с размером, много меньшем длины волны. Если бы такие области отсутствовали, то интерференция света, рассеянного равномерно расположенными молекулами, приводила бы к тому, что интенсивность рассеянного света для всех длин волн была бы отличной от нуля лишь в направлении распространения первоначального луча. Учет в молекулярном рассеянии флуктуации плотности приводит к такой же зависимости рассеяния от длины волны, как в случае мелких частиц, рассмотренном Рэлеем[7].

3.3 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[8].

3.4 Объяснение явления голубого неба

Ночью небо чёрное, а с наступлением дня, когда часть земной поверхности, на которой находится наблюдатель, начинает освещать солнце, ситуация меняется, и небо приобретает голубой цвет.

И это весьма удивительно: свет, вместо того, чтобы остаться для глаза наблюдателя белым солнечным диском на чёрном фоне (как и все прочие звёзды ночью), мало того, что заполняет собою весь наблюдаемый небосвод, так ещё и окрашивается, да не каким-нибудь из цветов радужного спектра, а именно голубым. Что же происходит со светом на его пути от светила к человеческому зрачку?

Причиной же тому, что лазурное небо радует наш глаз каждым солнечным днём - земная атмосфера или воздух, тот самый, который состоит из азота (78%), кислорода (21%) и проч. Именно атмосфера становится препятствием на пути солнечных лучей и не даёт им прямолинейно достигнуть сетчатки наших глаз и отпечататься на ней в виде солнечного диска на сплошном чёрном фоне[9].

Часть солнечных лучей проходит между молекулами газа, не сталкиваясь с ними, и без изменений достигает поверхности Земли. Другая, большая часть, поглощается газовыми молекулами. При поглощении фотонов молекулы возбуждаются, то есть заряжаются энергией, а затем испускают ее в виде опять-таки фотонов. Эти вторичные фотоны имеют разную длину волны и могут быть любого цвета -- от красного до фиолетового. Разлетаются они во всех направлениях: и к Земле, и к Солнцу, и в стороны. Лорд Рэлей предположил, что цвет испускаемого луча зависит от преобладания в луче квантов того или иного цвета. При столкновении молекулы газа с фотонами солнечных лучей на один вторичный квант красного цвета приходится восемь квантов синего. Каков результат?

Интенсивный голубой свет буквально льется на нас со всех сторон из миллиардов молекул газов атмосферы. К этому свету примешаны фотоны других цветов, поэтому он не имеет чисто синего тона[10].



Заключение

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.



Список литературы

1. Мякишев Г.Я. /Физика.Оптика.Квантовая физика. 11 класс/ Мякишев Г.Я.: Москва, изд. Дрофа, 2002г.- 463 с.

2. Спектр цвета и цветовое зрение [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/rgb_txt.htm (дата обращения: 25.05.2016)

3. Физика солнечных явлений [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://otherreferats.allbest.ru/air/00104668_0.html (дата обращения: 1.05.2016)

4. Закон Снеллиуса [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://optoelectrosys.ru/teor/fizika/optics/zakon-snelliusa-zakon-prelomleniya.html (дата обращения: 28.05.2016)

5. Источники света [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://ru.science.wikia.com/wiki/

6. Световые явления[Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.liveinternet.ru/users/babeta-liza/post291748819/(дата обращения: 8.06.2016)

7. Теория голубого неба [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://bibliofond.ru/view.aspx?id=581788#1 (дата обращения: 27.05.2016)

8. Почему небо голубое [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://www.poetomu.ru/publ/zhurnal/mirozdanie/pochemu_nebo_goluboe/1-1-0-237 (дата обращения: 25.05.2016)

9. Голубое небо [Электронный ресурс].-Режим доступа:http://koptchick.livejournal.com/11554.html (дата обращения: 3.06.2016)

10. Голубое небо [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://dnevniki.ykt.ru/ivst/827540 (дата обращения: 1.06.2016)

Размещено на Allbest.ru