Если посмотреть на Солнце, когда оно частично закрыто облаками и прячется за этими комками атмосферной воды, вы можете увидеть знакомое зрелище: лучи света, пробивающиеся сквозь облака, и падающие на землю. Иногда они кажутся параллельными, иногда кажется, что они расходятся. Иногда может видеть форму Солнца через облака. Почему так происходит? Наш читатель на этой неделе спрашивает :
Можете ли вы объяснить мне, почему в облачный день можно видеть лучи солнца, пробивающиеся сквозь облака? Мне кажется, что поскольку Солнце гораздо больше Земли, и поскольку его фотоны доходят до нас по примерно параллельным путям, мы должны видеть всё небо равномерно освещённым, а не наблюдать небольшой шар света.
Большинство людей даже не задумываются над удивительным фактом существования солнечных лучей.
В типичный солнечный день всё небо освещено. Лучи Солнца падают на Землю почти параллельно, поскольку Солнце очень далеко и оно очень велико по сравнению с Землёй. Атмосфера достаточно прозрачна для того, чтобы весь солнечный свет доходил до поверхности Земли или рассеивался во всех направлениях. Последний эффект и отвечает за то, что в пасмурный день на улице что-то можно рассмотреть – атмосфера отлично рассеивает солнечный свет и заполняет им окружающее пространство.
Именно поэтому в яркий солнечный день ваша тень будет темнее остальной поверхности, на которую она падает, но всё-таки останется подсвеченной. В вашей тени можно рассмотреть землю точно так же, как если бы Солнце скрылось за облаками, и тогда всё остальное становится таким же неярким, как ваша тень, но всё-таки освещается рассеянным светом.
Памятуя об этом, вернёмся к феномену солнечных лучей. Почему, когда Солнце прячется за облаками, иногда можно видеть лучи света? И почему иногда они выглядят, как параллельные колонны, а иногда – как расходящиеся?
Первое, что нужно понять, это то, что рассеивание солнечного света, когда он сталкивается с частицами атмосферы и перенаправляется во все стороны, работает всегда – прячется Солнце за облаками или нет. Поэтому днём всегда присутствует базовый уровень освещения. Поэтому это и есть «день», и поэтому, чтобы найти днём темноту, вам нужно поглубже забраться в пещеру.
А что же такое лучи? Они происходят от промежутков или тонких участков облаков (или деревьев или других непрозрачных объектов), не блокирующих солнечный свет. Этот идущий напрямую свет кажется более ярким, чем его окружение, но его заметно, только если он контрастирует с тёмным, теневым фоном! Если это свет будет повсюду, в нём не будет ничего примечательного, наши глаза приспособятся к нему. Но если яркий луч света оказывается светлее своего окружения, ваши глаза отмечают это и сообщают вам о разнице.
А что насчёт формы лучей? Вы можете подумать, что облака работают, как линзы или призмы, отклоняя или преломляя лучи и заставляя их расходиться. Но это не так; облака поглощают и переиспускают свет одинаково во всех направлениях, поэтому они и непрозрачны. Эффект с лучами возникает только там, где облака не поглощают большую часть света. При проведении измерений оказывается, эти лучи на самом деле параллельны, что соответствует большому расстоянию до Солнца. Если вы понаблюдаете за лучами, направленными не к вам и не от вас, а перпендикулярно линии вашего зрения, вы именно это и обнаружите.
Причина, по которой нам кажется, что лучи «сходятся» к Солнцу та же самая, по которой нам кажется, что рельсы или полотно дороги сходится в одной точке. Это параллельные линии, одна часть которых оказывается ближе к вам, чем другая. Солнце находится очень далеко, и точка, из которой исходит луч, находится дальше от вас, чем точка его соприкосновения с Землёй! Это не всегда очевидно, но именно поэтому лучи принимают форму лучей, что хорошо заметно, когда становится видно, насколько близко вы находитесь к концу луча.
Поэтому наличием луча мы обязаны перспективе окружающих его теней и возможности наших глаз различать яркость прямого света и окружающей его относительной темноты. А причина, по которой лучи кажутся сходящимися, лежит в перспективе, и в том, что точка приземления этих на самом деле параллельных лучей света находится ближе к нам, чем их начальная точка в нижней части облаков. Вот такая наука у солнечных лучей, и вот почему они выглядят именно так!
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.