На протяжении всей истории люди испытывали глубокое восхищение небом не только во время созерцательных ночей, вызывающих экзистенциальные размышления, но и в дневные часы, когда оно представляет собой яркий спектр цветов. В какой-то момент нашей жизни мы все задавались вопросом, почему небо кажется голубым или почему во время заката оно становится оранжевым и красным. Первоначально этот вопрос был решен лордом Рэлеем, также известным как Джон Уильям Стратт, математиком, сделавшим это открытие в конце 19 века.
В этой статье мы объясним эффект Рэлея , его характеристики и почему небо голубое.
Эффект Рэлея
Солнце излучает широкий спектр электромагнитного излучения, включая видимый свет, обычно называемый белым светом. Интересно, что белый свет на самом деле представляет собой комбинацию всех цветов радуги, при этом фиолетовый имеет самую короткую длину волны, а красный — самую длинную. Проходя через атмосферу, солнечный свет взаимодействует с различными веществами, такими как газы, твердые частицы и молекулы воды . Когда эти частицы меньше одной десятой микрометра, они вызывают рассеивание белого света во всех направлениях, с наибольшим преобладанием синего света.
Такое предпочтение синего света можно объяснить коэффициентом дисперсии, который рассчитывается по формуле 1/λ4, где λ представляет собой длину волны. Поскольку фиолетовый и синий свет имеют самые короткие длины волн в видимом спектре, при подстановке в формулу они дают самое высокое отношение, которое равно . Это явление широко известно как рэлеевское рассеяние.
В результате рассеянные лучи пересекаются с частицами газа, которые действуют как отражающая поверхность, заставляя их снова изгибаться и усиливать свою силу.
Почему небо голубое?
Учитывая вышеизложенную информацию, можно было бы ожидать, что небо будет казаться фиолетовым, а не синим из-за более короткой длины волны. Однако это не так, поскольку человеческий глаз не очень чувствителен к фиолетовому цвету. Кроме того, видимый свет на самом деле содержит большую долю излучения синей длины волны, чем фиолетового.
В случаях, когда частицы превышают длину волны по размеру, дифференциальное рассеяние не происходит. Вместо этого все компоненты белого света рассеиваются равномерно. Это явление объясняет белый цвет облаков, поскольку капли воды, из которых они состоят, имеют диаметр более одной десятой микрометра. Однако, когда эти капли воды плотно упакованы, свет не может пройти сквозь них , что приводит к сероватому виду, характерному для обширной облачности.
Однако следует признать, что небо не сохраняет постоянный синий оттенок. В результате явление рэлеевского рассеяния не полностью объясняет наличие различных оттенков красного цвета во время восхода и захода солнца. Однако этому факту есть объяснение.
Когда Солнце садится и входит в фазу сумерек, его положение на горизонте заставляет свет проходить большее расстояние, чтобы достичь нас, и он больше не будет перпендикулярным. Это изменение угла приводит к снижению падения, в результате чего синий свет рассеивается, прежде чем достичь наших глаз. Вместо, . Важно отметить, что рэлеевское рассеяние продолжает происходить, но в другом месте атмосферы, нежели там, где Солнце находится в зените.
история
На протяжении всей истории небо завораживало наше внимание и днем, и ночью. Оно служило холстом для нашего воображения. Естественно, любопытство и научные исследования не были исключением из этого очарования . Как и в случае с другими повседневными явлениями, такими как изменение цвета листьев или происхождение дождя, исследователи стремились разгадать тайны неба. Вместо того чтобы уменьшить его мистическое очарование, их открытия лишь углубили наше понимание и восхищение.
Во время своих инфракрасных экспериментов в 1869 году Рэлей сделал неожиданную находку: свет, рассеиваемый крошечными частицами, имел тонкий синий оттенок. Это привело его к предположению, что подобное рассеяние солнечного света ответственно за синий цвет неба. Однако он не смог полностью объяснить, почему синий свет был предпочтителен или почему цвет неба был таким насыщенным, исключив атмосферную пыль как единственное объяснение.
Его новаторская работа о цвете и поляризации света неба была опубликована в 1871 году. Его целью было измерить эффект Тиндаля в каплях воды путем количественной оценки присутствия мелких частиц и их показателей преломления. Опираясь на более раннее доказательство электромагнитной природы света Джеймса Клерка Максвелла, Рэлей в 1881 году показал, что его уравнения вытекают из электромагнетизма. Расширив свои открытия в 1899 году, он распространил их применение на отдельные молекулы, заменив термины, относящиеся к объемам частиц и показателям преломления, терминами молекулярной поляризуемости.
Дисперсия в пористых материалах
Пористые материалы демонстрируют рэлеевское рассеяние, которое следует схеме рассеяния λ-4. Это явление особенно заметно в нанопористых материалах, где существует значительный контраст показателей преломления между порами и твердыми частями спеченного оксида алюминия. В результате рассеяние света становится невероятно интенсивным, заставляя его менять направление примерно каждые пять микрометров.
Такое замечательное поведение дисперсии объясняется уникальной нанопористой структурой, полученной в процессе спекания, который включает использование монодисперсного порошка оксида алюминия для создания узкого распределения размеров пор, обычно около 70 нм.
