Диффузное излучение неба

Спектр диффузного излучения голубого неба. В спектре видны фраунгоферовы спектральные линии солнечного излучения и полосы поглощения воды.

Диффузное излучение неба — солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли после рассеяния на молекулах или частицах в атмосфере. Приблизительно две трети всего солнечного излучения, рассеивающегося в атмосфере, в конечном итоге достигает Земли в виде диффузного излучения. Если Солнце находится высоко над горизонтом, то рассеивается не менее 25 % падающего излучения.

Основные механизмы рассеяния света в атмосфере, такие как рассеяние Релея и рассеяние Ми, являются упругими. Это означает, что происходит изменение направления излучения, при этом длина волны остается неизменной.

Почему небо голубое? Какое оно на самом деле

Свет, воспринимаемый человеческим глазом как белый, на самом деле состоит из разных цветов, которые изменяются по мере уменьшения длины световой волны: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. К примеру, для космонавтов, находящихся на орбите Земли, Солнце выглядит ослепительно - белым на фоне черного неба. Так и должно быть: составные части белого света доходят до них в безвоздушном пространстве без искажений, в то время как до Земли они доходят через «фильтр» атмосферы.

Так как воздух рассеивает синий цвет, небо кажется голубым, а само Солнце — желтым. На закате и на рассвете, солнечный свет проходит через бо́льшую толщу атмосферы. Из-за этого бо́льшая часть синего и даже зелёного света рассеивается из прямого солнечного света, поэтому прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небо вблизи горизонта окрашиваются в красные тона.

Кроме того, количество влаги в воздухе оказывает влияние на цвет неба. Влажность, вызванная, например, дождевыми осадками или влажным климатом, может придать небу туманную или серую окраску. Это происходит из-за того, что влага в воздухе рассеивает свет иначе, чем сухой воздух.

Также загрязнение воздуха может повлиять на окраску неба. В городах с большим количеством загрязняющих веществ в воздухе, небо может выглядеть коричневым или желтоватым. Такое изменение цвета происходит из-за того, что загрязняющие вещества рассеивают свет не так как чистый воздух.

Эффект Тиндаля

Эффект Тиндаля — это результат исследования взаимодействия световых лучей с различными средами. В основе его лежит рассеяние голубого света частицами взвеси, будь то пыль или дым в воздухе, размытое стекло или коллоидные растворы. Чем мельче и плотнее частицы, тем сильнее рассеивание. Поэтому, когда солнечные лучи проникают через такую среду, голубые тона подвергаются рассеиванию, а другие оттенки остаются практически неизменными.

Рэлеевское рассеяние

Эффект Тиндаля был подробно изучен лордом Рэлеем. И после этого рассеяние света на очень маленьких частицах стало называться рэлеевским рассеянием. Проведенные расчеты демонстрируют, что интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты υ4 (или 1/λ⁴, где λ — длина волны). Это утверждение называется законом Рэлея — Джинса.

Согласно закону Рэлея, рассеяние электромагнитных волн интенсивнее для высоких частот, чем для низких. Это объясняет, почему молекулы атмосферы сильнее рассеивают синий цвет по сравнению с красным, зеленым и желтым.

В результате, часть неба, которая не направлена прямо на Солнце, имеет голубой цвет. Такой цвет неба — результат того, что солнечный спектр неравномерный, интенсивность фиолетового цвета ниже, а также из-за того, что человеческий глаз менее чувствителен к фиолетовому цвету в сравнении с синим. Синий цвет раздражает колбочки в сетчатке, которые не только чувствительны к синему цвету, но и к красному и зеленому.

На других планетах, с различным составом атмосферы, цвет неба, включая вечернее время, может иметь другой оттенок. Например, на Марсе цвет неба кажется красновато-розовым.

Рассеяние и поглощение являются основными причинами ослабления интенсивности света в атмосфере. Рассеяние изменяется в зависимости от отношения диаметра рассеивающей частицы к длине волны света. Когда это отношение составляет менее 1/10, возникает рэлеевское рассеяние, где коэффициент рассеяния пропорционален 1/λ⁴. При бо́льших значениях отношения размера рассеивающих частиц к длине волны, применимо уравнение Гюстава Ми, а когда это отношение больше 10 — применимы законы геометрической оптики.

Реперные точки

При релеевском рассеянии возникает явление поляризации, когда рассеянный свет становится либо полностью, либо частично поляризованным. В связи с этим, на небесной полусфере можно выделить четыре особые точки, из которых исходящий свет остается неполяризованным.

• Точка Араго (А), находится в воздухе без тумана и дымки на высоте 20° над противосолнечной точкой. Если в воздухе присутствует туман, то данная точка расположена выше. Зависимость положения этой точки используется для определения степени затуманенности атмосферы.
• Точка Бабинэ (Ba), названная в честь ее открывателя в 1840 году, находится на высоте 15-20° над Солнцем. Однако ее сложно наблюдать из-за близости солнечного диска.
• Точка Брюстера (Br), также открыта Брюстером в 1840 году, находится на высоте 15-20° ниже Солнца, но ее также сложно наблюдать из-за близости солнечного диска.
• Точка 4 (IV), которая была обнаружена при наблюдении с высотных самолетов, расположена на 20° ниже противосолнечной точки.

Галерея

• 

  Синее небо с белыми облаками.

• 

  Закат. Красное небо вблизи солнца градиентно переходит в синее вдали от него.

• 

  Облачное небо. Синий цвет неба рассеивается на дымке, но не полностью. Отсюда голубоватый оттенок

• 

  Небо, затянутое серыми облаками.

• 

  Закат на Марсе.

Ссылки

• Why is the sky blue?
• Why is the sky blue? Science made simple