http://www.leonidkonovalov.ru/cinema/cromatics/?ELEMENT_ID=304Цвет неба.
На цвет моря в большой степени влияет цвет неба над ним. И если первый, как мы уже говорили, предсказать практически невозможно, то цвет неба можно понять на основании физических законов. Ясно, что цвет неба определяется рассеянием солнечных лучей в земной атмосфере. Но почему рассеяние лучей солнца, спектр которого сплошной, то есть содержит все длины волн, приводит к синему, голубому цвету неба, а само солнце мы видим желтым? Разобраться в этом вопросе нам поможет закон Релея для рассеяния света.
В 1898 г. английский физик Релей создал теорию рассеяния света на частицах, размеры которых значительно меньше длины волны рассеиваемого света. Найденный им закон гласит: интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты световой волны или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Для объяснения цвета неба Релей применил свой закон к рассеянию солнечного света в атмосфере (поэтому иногда сформулированный выше закон называют «законом синего неба»).
Попробуем понять качественно содержание закона Релея. Свет представляет собой электромагнитные волны. Молекулы состоят из ядер и электронов — частиц заряженных. Попадая в поле электромагнитной волны, эти заряженные частицы начинают двигаться, причем можно считать, что их движение происходит по гармоническому закону: x(t)=A0sinwt, где А0 — амплитуда колебаний, а w — частота световой волны. При таком движении заряженные частицы обладают ускорением а=х"t=—A0w2sinwt. Однако ускоренно движущиеся заряженные частицы сами становятся источниками электромагнитного излучения — так называемых вторичных волн. Амплитуда такой вторичной волны пропорциональна ускорению порождающей ее частицы (равномерно движущиеся заряженные частицы, как известно, создают электрический ток, но не излучают электромагнитных волн). Соответственно интенсивность излучения вторичных волн оказывается пропорциональной квадрату ускорения движения электронов в поле первичной волны (движением тяжелых ядер можно пренебречь), а следовательно, четвертой степени частоты (I~а2~(х"t)2~w4).
Но вернемся к цвету неба. Отношение длины волны красного к длине волны синего света равно 650 нм/450 нм — = 1,44 (1 нм (нанометр)=10-9м). Возводя это число в четвертую степень, получим 4,3. Таким образом, согласно закону Релея интенсивность рассеянного в атмосфере синего света в четыре раза превышает интенсивность рассеянного красного света, и слой воздуха толщиной в десятки километров приобретает окраску с заметным преобладанием синих и голубых цветов. А видимый солнечный свет, который дошел до нас сквозь «заслон» атмосферы, в большей степени лишен коротковолновой части своего спектра. Поэтому солнце, которое мы видим в прошедших сквозь атмосферу лучах, принимает слабый желтый оттенок. Этот оттенок может усиливаться, становиться оранжевее и краснее по мере захода солнца, когда солнечным лучам приходится преодолевать больший путь в атмосфере (при восходе солнца, естественно, смена цветов происходит в обратном порядке).
Заметим, что в законе Релея предполагается только, что длина волны рассеиваемого света намного превышает размеры рассеивающих частиц, однако сам этот размер в выражение для интенсивности не входит. Релей первоначально предполагал, что цвет неба обусловлен рассеянием солнечного света на мельчайших частицах, запыляющих атмосферу. Однако позже он пришел к убеждению, что солнечные лучи рассеиваются на молекулах газов, входящих в состав воздуха. Через десять лет, в 1908 г., польский физик-теоретик М. Смолуховский высказал идею о том, что рассеивателями в оптически однородной среде должны выступать весьма неожиданные объекты — неоднородности плотности частиц. С помощью этой гипотезы Смолуховскому удалось объяснить известное задолго до его исследований явление критической опалесценции — сильного рассеяния света в жидкости или газе вблизи критической точки. Наконец, А. Эйнштейн в 1910 г. создал последовательную количественную теорию молекулярного рассеяния света, основанную на идее Смолуховского. Для газов интенсивность рассеянного света, вычисленная по формуле Эйнштейна, в точности совпала с результатом, полученным ранее Релеем.
Все, казалось бы, стало на свои места. Но откуда берутся неоднородности в плотности воздуха? Ведь он находится в состоянии термодинамического равновесия, а если даже дует ветер, то связанные с этим движением неоднородности имеют гигантские размеры, превышающие длину волны света в огромное число раз, и на рассеянии света сказываться никак не могут.
Для понимания природы неоднородностей показателя преломления света давайте более детально разберемся с понятием термодинамического равновесия. Для простоты рассмотрим некоторый макроскопический объем газа, находящийся в замкнутом сосуде.