Одной из отличительных черт человека является любознательность. Наверное, каждый, будучи ребенком, смотрел на небо и задавался вопросом: «почему небо голубое?». Как оказывается, ответы на такие, кажется, простые вопросы требуют некоторой базы знаний в области физики, а потому не каждый родитель сможет верно объяснить ребенку причину указанного явления.
Рассмотрим данный вопрос с научной точки зрения.
Диапазон длин волн электромагнитного излучения охватывает почти весь спектр электромагнитного излучения, в который входит и видимое для человека излучение. На представленном ниже изображении показана зависимость интенсивности излучения Солнца от длины волны этого излучения.
Анализируя данное изображение, можно отметить тот факт, что видимое излучение также представлено неравномерной интенсивностью для излучения различных длин волн. Так относительно малый вклад в видимое излучение дает фиолетовый цвет, и наибольший – синий и зеленый цвета.
Почему небо голубое?
Прежде всего на этот вопрос нас наталкивает тот факт, что воздух – бесцветный газ и не должен излучать синий свет. Очевидно, что причиной подобного излучения является наша звезда.
Как известно, белый свет на самом деле является комбинацией излучения всех цветов видимого спектра. С помощью призмы можно явно разложить свет на весь диапазон цветов. Подобный эффект возникает в небе после дождя и образует радугу. Когда же солнечный свет попадает в земную атмосферу, он начинает рассеиваться, т.е. излучение меняет свое направление. Однако, особенность состава воздуха такова, что при попадании света в него, излучение с короткой длиной волны рассеивается сильнее, чем длинноволновое излучение. Таким образом, беря во внимание изображенный ранее спектр, можно заметить, что красный и оранжевый свет, практически не будут менять своей траектории, проходя через воздух, в то время как фиолетовое и голубое излучения будут заметно менять свое направление. По этой причине в воздухе возникает некий «блуждающий» коротковолновый свет, который постоянно рассеивается в этой среде. В результате описанного явления, кажется, что коротковолновое излучение видимого спектра (фиолетовый, голубой, синий) излучается в каждой точке неба.
Общеизвестный факт восприятия излучения состоит в том, что глаз человека может уловить, увидеть, излучение только в том случае, если оно непосредственно попало в глаз. Тогда, смотря в небо, Вы вероятнее всего будете видеть оттенки того видимого излучения, длина волны которого наименьшая, так как именно оно рассеивается в воздухе лучше всего.
Почему же смотря на Солнце Вы не видите отчетливо красный цвет? Во-первых, внимательно рассмотреть Солнце человеку вряд ли удастся, так как интенсивное излучение может повредить зрительный орган. Во-вторых, несмотря на существование такого явления как рассеяние света в воздухе, все же большая часть света, излучаемого Солнцем, доходит до поверхности Земли не подвергаясь рассеиванию. А потому все цвета видимого спектра излучения совмещаются, формируя свет с более выраженным белым цветом.
Вернемся к рассеянному воздухом свету, цвет которого, как мы уже определили, должен иметь наименьшую длину волны. Из видимого излучения наименьшей длиной волны обладает фиолетовый, следом идет голубой, и несколько длиннее волны имеет синий цвет. Принимая во внимание неравномерную интенсивность излучения Солнца, становится ясно, что вклад фиолетового цвета мизерный. Поэтому наибольший вклад в рассеянное воздухом излучение несет голубой цвет, а следом – синий.
Почему закат красный?
В случае, когда Солнце прячется за горизонт, мы можем наблюдать то самое длинноволновое излучение красного-оранжевого цвета. В данном случае свет от Солнца должен пройти заметно большее расстояние в атмосфере Земли, прежде чем достигнет глаз наблюдателя. В месте, где излучение Солнца начинает взаимодействовать с атмосферой, наиболее выраженными являются голубой и синий цвета. Однако, с расстоянием коротковолновое излучение теряет свою интенсивность, так как значительно рассеивается по пути. В то время как длинноволновое излучение отлично справляется с преодолением таких больших расстояний. Вот почему Солнце красное на закате.
Как было упомянуто раньше, хоть длинноволновое излучение и слабо рассеивается в воздухе, все же рассеяние имеет место быть. Поэтому находясь на горизонте, Солнце излучает свет, из которого до наблюдателя доходит лишь излучение красно-оранжевых оттенков, которое несколько успевает рассеяться в атмосфере, образуя ранее упомянутый «блуждающий» свет. Последний и окрашивает небо в пестрые оттенки красного и оранжевого цвета.
Почему облака белые?
Говоря об облаках, известно, что они состоят из микроскопических капелек жидкости, которая рассеивает видимый свет почти равномерно, независимо от длины волны излучения. Тогда рассеянный свет, направленный во все стороны от капельки, рассеивается вновь на других капельках. При этом комбинация излучений всех длин волн сохраняется, и облака «светятся» (отражаются) белым цветом.
Если погода пасмурная, то солнечное излучение доходит до поверхности Земли в незначительном количестве. В случае с большими облаками, или их большим количеством, некоторая доля солнечного света поглощается, потому небо тускнеет и принимает окрас серого цвета.
В летний погожий денек так приятно порой любоваться летящими по высокому небу белоснежными облаками, принимающими причудливые очертания диковинных зверей, сказочных замков или других образов, подсказанных фантазией.
Но стоит только на краю неба появиться черной дождевой туче, и беззаботное настроение сразу сменяется неосознанным чувством тревоги. Почему это происходит? Почему облака, такие белые и легкие, становясь грозовой тучей, сразу же темнеют, приобретая глубокий, почти черный цвет?
Что собой представляют облака?
Все без исключения облака представляют собой огромные, иногда размером в несколько десятков километров, скопления мельчайших водяных капелек и кристалликов льда, силой ветра перемещаемые над поверхностью земли на высоте от 0,5 до 30 километров.
Микроскопические размеры облачных элементов – капель или льдинок – дают возможность им долгое время держаться в воздухе. Но как только создаются условия для укрупнения облачных элементов, они становятся слишком тяжелыми, опускаются и выпадают из облака .
Облака бывают:
— перистыми – распростершимися по небу в виде огромных перьев или лент, прямой или изогнутой формы;
— слоистыми – будто состоящими из нескольких слоев, уложенных один на другой, нередко немного разного оттенка;
— кучевыми – напоминающими огромные сугробы или комки белоснежной ваты, летящие высоко в небе.
Это основные формы облаков, на практике нередко они сочетаются между собой самым причудливым образом, становясь перисто-слоистыми, перисто-кучевыми, слоисто-кучевыми и т.д.
Как образуются облака?
Как было сказано выше, облака образованы капельками водяного пара. Ежедневно с поверхности океанов, морей, озер и рек, да и просто с поверхности земли испаряются десятки тысяч тонн воды. Вначале эта вода находится в теплых слоях воздуха, расположенных близко к поверхности.
Этот теплый воздух, согласно законам физики, поднимается вверх, но чем больше он удаляется от земли, тем больше остывает. Молекулы воды, теряя энергию, начинают переходить из газообразного состояния в жидкое, конденсируясь в виде капель.
Но так как поднявшийся вверх воздух является более разреженным, чем нижний слой, находящийся возле поверхности, то капли воды не могут сконденсироваться до достаточно крупных размеров и остаются в атмосфере в виде взвеси, мельчайшего аэрозоля из жидких или твердых ледяных частиц. Это и есть облака.
Специалисты утверждают, что вода в них нередко присутствует в обоих состояниях одновременно – и в виде капель, и в виде льдинок.
Почему у облаков и туч разный цвет?
Метеорологи не пользуются термином «туча» , вместо этого они говорят «дождевое облако» или «грозовое облако» . Все мы знаем, что если на горизонте появилось и приближается к нам темное облако, то вскоре обязательно пойдет дождь. Между цветом облака и его способностью проливать капли воды существует самая непосредственная связь.
Дело в том, что структура белых облаков, летящих в небе на высоте шести и выше километров, очень разреженная, неплотная. Поэтому солнечный свет проходит сквозь них практически беспрепятственно, как сквозь матовый абажур лампы. Создается впечатление белоснежной воздушной массы, легкой и сияющей.
Когда, в силу разных причин, облако опускается на высоту двух или меньше километров, оно становится более плотным, и солнечным лучам уже труднее проходить через его толщу.
Чем ниже опускается облако, тем более темным оно выглядит: вначале оно приобретает легкий сероватый оттенок, затем становится явственно серым, синим или фиолетовым.
Одновременно воздушная масса уплотняется, и мельчайшие капельки сближаются друг с другом. Это приводит к тому, что капли воды увеличиваются в размерах, что еще больше ухудшает проходимость сквозь тучу солнечных лучей. Она становится все более тяжелой и опускается все ниже и ниже, и вот наступает момент, когда туча уже не может удерживать в себе капли воды, и они начинают падать вниз, на землю.
Процесс конденсации продолжается до тех пор, пока облако не станет менее плотным и не начнет подниматься в верхние слои атмосферы.
Таким образом, становится понятным, что цвет облака зависит в основном от его плотности: чем выше этот показатель, тем темнее облако.
Самую большую плотность имеют дождевые и грозовые облака, капли воды в которых уже сконденсировались практически до готовности пролиться на землю. Именно поэтому дождевая туча выглядит тяжелой и черной, а облако – белым и легким.
Большое удовольствие -следить летом за проплывающими мимо кучевыми облаками и пытаться объяснить, почему они то светлые, то темные. Когда облако освещено Солнцем, оно ослепительно белое, но когда облако проходит над нами, его основание становится серым или совсем темным. Капли воды в облаке так тесно расположены друг к другу, что оно представляет собой почти совершенно непрозрачное белое тело – белое потому, что свет с трудом проникает в облако, но очень хорошо отражается многочисленными каплями. Если Солнце закрыто кучевыми облаками, они кажутся темными, но края облаков всегда светлые: «каждое облако имеет серебряную подкладку».
Таким образом, распределение света и тени дает нам интересные данные о различных частях облака – верхних, нижних, передних, задних и о действительной форме этого громадного образования. Не всегда легко получить правильное представление о его пропорциях, а также о положении облака по отношению к Солнцу. Если, например, облака располагаются передо мной, а Солнце на некотором расстоянии над ним, я буду озадачен, увидев лишь одни тени (рис. 169, а). Я не могу представить себе грандиозность
Рис. 169. Свет и тени на кучевых облаках: а) как мы видим пейзажи
наблюдателя, если смотреть с севера на юг; б) ошибочные личные впечатления наблюдателя и картина, которую он ожидает увидеть; в) как обстоит дело в действительности. В случаях б) и в) наблюдатель смотрит с востока на запад. Солнце на юге.
расстояния до Солнца, бессознательно считаю его весьма близким и потому мне кажется, что часть АВ должна быть освещена (рис. 169, 6). На самом же деле солнечные лучи, освещающие облако, идут параллельно линии, соединяющей Солнце с моим глазом (рис. 169, в).
Как бы капризна ни была игра света и тени, как бы ни усложняли дело тени, отбрасываемые одним облаком на другое, кажется невозможным объяснить только этим все различия в цветах кучевых облаков.
И.Левитан
Когда небо проясняется после бури и на нем остается лишь несколько кучевых облаков, ярко освещенных Солнцем и расположенных так, что тень от одного из них никак не может упасть на другое, эти облака становятся все темнее и темнее и, наконец, перед тем как совсем исчезнуть, превращаются в сине-черные. Общее впечатление таково, что тонкие части кучевых облаков, видимые на фоне синего неба, оказываются не «синее+белое» (как можно было бы ожидать), но «синее+черное».
С другой стороны, кучевое облако кажется серым, когда мы видим его на фоне другого большого облака, совершенно белого, так что не может возникнуть вопрос об увеличении яркости просто из-за роста общей толщины слоев. Физика этих явлений, хотя и наблюдаемых ежедневно, все еще недостаточно изучена. Конечно, следует очень осторожно отнестись к мысли о том, что облака действительно поглощают свет; сначала нужно попытаться объяснить явление, предполагая, что облака представляют собой твердые белые образования, затем вспомнить, что в действительности это не что иное, как рассеивающий свет туман, и, наконец, принять во внимание, что облака могут содержать темные пылевые частицы.
Интересно сравнивать облака с белым паром (не дымом!) паровоза, В некоторых случаях пар кажется белее, если наблюдать под большим углом к падающему свету, и менее ярким при наблюдении со стороны Солнца, когда глаз воспринимает лучи, отраженные почти в направлении падения. В других случаях, независимо от направления наблюдения, пар гораздо ярче самых ярких частей кучевых облаков; может быть, это связано с большим расстоянием до облаков и ослаблением света из-за рассеяния в воздухе.
Георгий Нисский. Осень. Семафоры
Темные кучевые облака на большом расстоянии часто кажутся синеватыми. Это не цвет самих облаков, а свет, рассеянный в атмосфере между облаком и нашим глазом. Чем дальше такое темное облако, тем больше его цвет приближается к цвету неба. С другой стороны, яркие облака близ горизонта становятся желтоватыми.
Следовало бы также рассмотреть и другие облака и попытаться объяснить, например, почему дождевые облака такие серые, почему у грозовых облаков особенный свинцовый цвет виден рядом с блеклооранжевым, Не пыль ли это? Наши сведения обо всем этом, однако, так неполны, что мы ограничимся призывом к читателю вести самостоятельные наблюдения.
Распределение яркости по небесному своду, когда он сплошь и равномерно затянут облаками, очень характерно и как бы дополняет распределение при ясном небе. Сравните, например, при помощи зеркальца зенит и горизонт: при ясном небе зенит всегда темнее; отношение яркостей колеблется от 3 до 5 (фотографии Х1Х и ХХ).
Вы знаете, как появляются облака, почему одни становятся тучами, а другие так и остаются пышными белоснежными барашками? Об этом расскажет наша удивительная новинка «Облака. Наблюдаем и изучаем» - она для настоящих любителей облаков и почемучек всех возрастов.
Почему облака белые, а тучи черные, как рождаются облака и миражи и правда ли, что есть Общество любителей облаков? Рассказываем.
Это девиз Общества любителей облаков (The Cloud Appreciation Society) - международной организации, основанной в 2004 году в Англии Гэвином Претором-Пиннеем. Она объединяет 30 000 любителей облаков из 94 стран. Это люди, которые мечтают открыть красоту облачного неба окружающим. Присоединяйтесь!
Надо всего лишь лежать на траве и наблюдать за облаками. Или просто посмотреть наверх. Всегда, когда захочется.
Как рождается облако?
Когда горячий воздух смешивается с холодным, он остывает и может достигнуть точки росы. Происходит конденсация. Водяной пар, оседая на частичке в воздухе, превращается в капли или кристаллы льда, которые, собираясь вместе, и образуют облако.
Чаще всего это происходит, когда горячий воздух поднимается от земли и наверху - в атмосфере - встречает холодный. Похожее на облако явление можно наблюдать и у поверхности земли. Земля или вода, нагретая днем, остывает медленнее воздуха. При соприкосновении холодного ночного воздуха с теплым воздухом у поверхности земли или воды образуется туман.
Да-да, туман тоже состоит из облачных элементов. По сути, это большое облако, лежащее на земле.
Почему облака белые, а тучи черные
Если облака состоят из капель, почему они белые? Потому что облачные элементы отражают свет: кристаллы и капли блестят в лучах солнца. И чем меньше элементы по размеру и чем их больше по количеству, тем белее облако.
Серые, сизые и черные грозовые облака состоят из тех же капель. Просто они - при сильной облачности - могут отбрасывать тень друг на друга (и даже на самих себя), поэтому и кажутся более темными. Бывают также более плотные облака - они состоят из крупных кристаллов и капель, поэтому лучи солнца не могут сквозь них проникнуть. Они кажутся темными и зловещими, если смотреть с земли.
Но если пролететь над ними, например на самолете, они будут абсолютно белыми.
Как образуется мираж
Облако образуется, когда теплый воздух поднимается вверх. Этот горячий восходящий воздушный поток называется термик. На нем парят птицы и планеры.
Термик можно увидеть, если жарким днем посмотреть на асфальтированную дорогу. Кажется, что воздух над асфальтом подрагивает, а дорога будто покрыта лужами. Это явление называется мираж.
Мираж можно увидеть, когда встречаются горячий и холодный воздух, у которых разная плотность. На границе сред с разной плотностью луч света преломляется, и мы видим мираж.
Облака - это не просто ватные клочья, которые закрывают солнце. Они не менее прекрасны, чем звезды. Прочитав эту книгу, вы убедитесь сами.
Вы знаете, как появляются облака, почему одни становятся тучами, а другие так и остаются пышными белоснежными барашками? Об этом расскажет наша удивительная новинка «Облака. Наблюдаем и изучаем» - она для настоящих любителей облаков и почемучек всех возрастов.
Почему облака белые, а тучи черные, как рождаются облака и миражи и правда ли, что есть Общество любителей облаков? Рассказываем.
Это девиз Общества любителей облаков (The Cloud Appreciation Society) - международной организации, основанной в 2004 году в Англии Гэвином Претором-Пиннеем. Она объединяет 30 000 любителей облаков из 94 стран. Это люди, которые мечтают открыть красоту облачного неба окружающим. Присоединяйтесь!
Надо всего лишь лежать на траве и наблюдать за облаками. Или просто посмотреть наверх. Всегда, когда захочется.
Как рождается облако?
Когда горячий воздух смешивается с холодным, он остывает и может достигнуть точки росы. Происходит конденсация. Водяной пар, оседая на частичке в воздухе, превращается в капли или кристаллы льда, которые, собираясь вместе, и образуют облако.
Чаще всего это происходит, когда горячий воздух поднимается от земли и наверху - в атмосфере - встречает холодный. Похожее на облако явление можно наблюдать и у поверхности земли. Земля или вода, нагретая днем, остывает медленнее воздуха. При соприкосновении холодного ночного воздуха с теплым воздухом у поверхности земли или воды образуется туман.
Иллюстрация из книги
Да-да, туман тоже состоит из облачных элементов. По сути, это большое облако, лежащее на земле.
Почему облака белые, а тучи черные
Если облака состоят из капель, почему они белые? Потому что облачные элементы отражают свет: кристаллы и капли блестят в лучах солнца. И чем меньше элементы по размеру и чем их больше по количеству, тем белее облако.
Серые, сизые и черные грозовые облака состоят из тех же капель. Просто они - при сильной облачности - могут отбрасывать тень друг на друга (и даже на самих себя), поэтому и кажутся более темными. Бывают также более плотные облака - они состоят из крупных кристаллов и капель, поэтому лучи солнца не могут сквозь них проникнуть. Они кажутся темными и зловещими, если смотреть с земли.
Иллюстрация из книги
Но если пролететь над ними, например на самолете, они будут абсолютно белыми.
Как образуется мираж
Облако образуется, когда теплый воздух поднимается вверх. Этот горячий восходящий воздушный поток называется термик. На нем парят птицы и планеры.
Термик можно увидеть, если жарким днем посмотреть на асфальтированную дорогу. Кажется, что воздух над асфальтом подрагивает, а дорога будто покрыта лужами. Это явление называется мираж.
Мираж можно увидеть, когда встречаются горячий и холодный воздух, у которых разная плотность. На границе сред с разной плотностью луч света преломляется, и мы видим мираж.
Облака - это не просто ватные клочья, которые закрывают солнце. Они не менее прекрасны, чем звезды. Прочитав эту книгу, вы убедитесь сами.