Диффузное излучение неба

Материал из «Знание.Вики»
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[1].

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[2].

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[3].

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[4].

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[5].

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[6].

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[3].

Галерея

Примечания

  1. Диффузное излучение неба. Почему небо голубое?. Психология отношений. Дата обращения: 6 октября 2023.
  2. Почему небо голубое. Вести.Ru: новости, видео и фото дня (24 марта 2023). Дата обращения: 6 октября 2023.
  3. 3,0 3,1 Почему днем небо синее, а ночью становится черным. Знаток PC (3 марта 2021). Дата обращения: 6 октября 2023.
  4. Эффект Тиндаля. «Элементы». Дата обращения: 6 октября 2023.
  5. Почему небо голубое, а море синее?. Теории и практики (28 августа 2020). Дата обращения: 6 октября 2023.
  6. Диффузное излучение неба. Posts24.ru. Дата обращения: 6 октября 2023.

Ссылки

WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!