Почему небо голубое?

Печать PDF

"Почему небо голубое?" и "Почему небо синего цвета?» - это одни из самых распространенных физических вопросов. Но не смотря на это, многие затрудняются на них ответить. А кто отвечает, те бормочут что-то о рассеивании света, о длине волны, о молекулах воздуха и завершают свой унылый рассказ громкой констатацией факта, что «именно поэтому небо голубого цвета».

Пора положить этому конец!

Так почему небо голубое?

Сейчас мы дадим ответ на этот вопрос, причем не абстрактно, используя какие-то общие понятия, а конкретно, основываясь на формулах и физических законах.

Главная причина, почему небо голубое, кроется в зависимости интенсивности рассеянного света от частоты. Все объясняет "Рэлеевский закон синего неба". Оказывается, что синий свет рассеивается каждым атомом гораздо сильнее, чем например, красный. 

Я уже предчувствую ваше недоумение: «Но ведь не всегда нобо синее! А почему небо на закате красное?»

Отвечу. Красный цвет неба на закате объясняется тем, что проходя через большую толщу воздуха, синий цвет очень сильно поглащается и остается только красный. А когда солнце высоко - поглащение мало, и небо голубое.  

Мои слова легко проверить на опыте. Возьмите стеклянную банку с водой и лампу. Добавьте в воду несколько капель молока и перемешайте. Направьте пучок света от лампы через воду так, чтобы видеть пучок либо в рассеянном на молекулах молока свете (наблюдение под углом), либо глядя прямо на пучок через воду. Обратите внимание на синюю окраску рассеянного света (при наблюдении под углом) и на красноватый оттенок при наблюдении источника света по прямой линии через банку.

Чувствуете, мы уже приближаемся к ответу на вопрос "почему небо голубое"! Чтобы получить полную картину явления, надо слегка повозиться с формулами. Кому лень или кто не силен в физике, можно сразу перейти к последнему абзацу. Но тогда полного понимания процессов и законов не будет и почему небо синее - останется загадкой.

Рассмотрим электрон в «молекуле молока», находящийся в установившемся состоянии колебаний, под действием электрического поля бегущей электромагнитной волны, созданной источником света. Если пучок света от диполя направлен вдоль одной оси (например, z), то электрическое поле в бегущей волне имеет только x- и y-компоненты. Будем рассматривать только x-компоненту (y-компонента дает тот же результат). Далее, будем рассматривать заданный «цвет», то есть определенную частоту. x-компонента электрического поля в месте нахождения молекулы молока равна:

Как Вы помните, это самое обычное уравнение бегущей волны.
Представим связь электрона с ядром в молекуле молока как пружину с коэффициентом жесткости, выражаемым формулой:

Пренебрежем резонансным взаимодействием, то есть будем считать, что частота внешнего воздействия далека от резонансной частоты.
Физикам нетрудно вспомнить (а если трудно, не расстраивайтесь - значит вы просто нормальный человек), что в этом случае уравнение движения электрона имеет вид:


В установившемся состоянии x(t) является гармоническим колебанием с определенной частотой. Поэтому:





Излучение, происходящее при гармоническом колебании заряда, представляет собой излучение диполя.
Поэтому полная мощность излучения определяется известным равенством:



Так как собственная частота колебаний велика по сравнению с частотами видимого цвета. Поэтому в последнем уравнении можно преобразовать знаменатель - разделить на частоту и пренебречь единицей - малой величиной. Тогда получим, что интенсивность рассеянного света будет пропорциональна четвертой степени частоты внешнего воздействия или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.



Все, мы почти ответили на вопрос «Почему небо синего цвета?». Потерпите, осталоь совсем немного.

Полученная зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны - это «рэлеевский закон синего неба». Отношение длины волны красного света (6500 А) к длине волны синего света (4500 А) равно 65/45 = 1,44. Четвертая степень этого отношения равна 4,3. Таким образом, согласно «релеевскому закону синего неба», интенсивность рассеиваемого синего света примерно в четыре раза больше, чем интенсивность рассеиваемого красного. 

Таким образом: небо синее, так как длина волны синего света самая короткая. Из-за этого он рассеивается сильнее других.

Ура, победа! Мы полностью, без всяких недомолвок, дали ответ на вопрос «Почему небо голубое?». Теперь Вы с уверенностью можете сказать, что знаете причину, по которой небо синего цвета.