Til tross for vitenskapelig fremgang og fri tilgang til mange informasjonskilder, er det sjelden at en person kan svare riktig på spørsmålet om hvorfor himmelen er blå.
Hvorfor er himmelen blå eller blå om dagen?
Hvitt lys – som er det solen sender ut – består av syv deler av fargespekteret: rødt, oransje, gult, grønt, blått, indigo og fiolett. Det lille rimet som er kjent fra skolen - "Hver jeger vil vite hvor fasanen sitter" - bestemmer nøyaktig fargene i dette spekteret med de første bokstavene i hvert ord. Hver farge har sin egen bølgelengde av lys: rødt er lengst og fiolett er kortest.
Himmelen (atmosfæren) som er kjent for oss består av faste mikropartikler, små dråper vann og gassmolekyler. I lang tid har det vært flere feilaktige antakelser som prøver å forklare hvorfor himmelen er blå:
- atmosfæren, som består av små partikler av vann og molekyler av forskjellige gasser, lar strålene fra det blå spekteret passere godt og lar ikke strålene fra det røde spekteret berøre jorden;
- Små faste partikler - som støv - suspendert i luften sprer blå og fiolette bølgelengder minst, og på grunn av dette klarer de å nå jordoverflaten, i motsetning til andre farger i spekteret.
Disse hypotesene ble støttet av mange kjente forskere, men forskning av den engelske fysikeren John Rayleigh viste at faste partikler ikke er hovedårsaken til lysspredning. Det er molekylene av gasser i atmosfæren som skiller lys i fargekomponenter. En hvit stråle av sollys, som kolliderer med en gasspartikkel på himmelen, sprer seg (spredning) i forskjellige retninger.
Når det kolliderer med et gassmolekyl, blir hver av de syv fargekomponentene i hvitt lys spredt. Samtidig spres lys med lengre bølger (den røde komponenten i spekteret, som også inkluderer oransje og gul) mindre godt enn lys med korte bølger (den blå komponenten i spekteret). På grunn av dette, etter spredning, forblir åtte ganger flere blå spektrumfarger i luften enn røde.
Selv om fiolett har den korteste bølgelengden, virker himmelen fortsatt blå på grunn av blandingen av fiolette og grønne bølger. I tillegg oppfatter øynene våre blå farge bedre enn fiolett, gitt samme lysstyrke av begge. Det er disse fakta som bestemmer fargeskjemaet til himmelen: atmosfæren er bokstavelig talt fylt med stråler av blå-blå farge.
Hvorfor er solnedgangen rød?
Men himmelen er ikke alltid blå. Spørsmålet dukker naturligvis opp: hvis vi ser blå himmel hele dagen, hvorfor er solnedgangen rød? Vi fant ut ovenfor at rød farge er minst spredt av gassmolekyler. Under solnedgang nærmer solen seg horisonten og solstrålen rettes mot jordoverflaten ikke vertikalt, som om dagen, men i en vinkel.
Derfor er veien den tar gjennom atmosfæren mye lengre enn den den tar om dagen når solen står høyt. På grunn av dette absorberes det blå-blå spekteret i et tykt lag av atmosfæren, og når ikke jorden. Og lengre lysbølger i det rød-gule spekteret når jordens overflate, og farger himmelen og skyene i de røde og gule fargene som er karakteristiske for solnedgang.
Hvorfor er skyene hvite?
La oss berøre temaet skyer. Hvorfor er det hvite skyer på den blå himmelen? Først, la oss huske hvordan de er dannet. Fuktig luft som inneholder usynlig damp, oppvarmet ved jordoverflaten, stiger og utvider seg på grunn av at lufttrykket er mindre på toppen. Når luften utvider seg, avkjøles den. Når vanndamp når en viss temperatur, kondenserer den rundt atmosfærisk støv og andre suspenderte stoffer, noe som resulterer i små vanndråper som samler seg og danner en sky.
Til tross for deres relativt lille størrelse, er vannpartikler mye større enn gassmolekyler. Og hvis solstrålene blir spredt når de møter luftmolekyler, så reflekteres lyset fra dem når de møter vanndråper. I dette tilfellet endrer ikke den opprinnelige hvite solstrålen fargen og "farger" samtidig skyenes molekyler hvite.
Når vinden kaster en hvit, luftig gjennomsiktig kappe over den vakre blå himmelen, begynner folk å se opp oftere og oftere. Hvis den samtidig tar på seg en stor grå pelsfrakk med sølvtråder av regn, så gjemmer de rundt seg fra den under paraplyer. Hvis antrekket er mørk lilla, så sitter alle hjemme og vil se den solfylte blå himmelen.
Og først når den etterlengtede solblå himmelen dukker opp, som tar på seg en blendende blå kjole dekorert med gylne solstråler, gleder folk seg - og smilende forlater husene sine i påvente av godt vær.
Spørsmålet om hvorfor himmelen er blå har bekymret menneskelige sinn i uminnelige tider. Greske legender har funnet svaret. De hevdet at denne nyansen ble gitt til den av den reneste bergkrystallen.
I løpet av Leonardo da Vincis og Goethes tid søkte de også svar på spørsmålet om hvorfor himmelen er blå. De trodde at den blå fargen på himmelen oppnås ved å blande lys med mørke. Men senere ble denne teorien tilbakevist som uholdbar, siden det viste seg at ved å kombinere disse fargene, kan du bare få toner av det grå spekteret, men ikke farge.
Etter en tid ble svaret på spørsmålet om hvorfor himmelen er blå forsøkt forklart på 1700-tallet av Marriott, Bouguer og Euler. De trodde at dette var den naturlige fargen på partiklene som utgjorde luften. Denne teorien var populær selv i begynnelsen av neste århundre, spesielt da det ble funnet at flytende oksygen er blått og flytende ozon er blått.
Saussure var den første som kom med en mer eller mindre fornuftig idé, som foreslo at hvis luften var helt ren, uten urenheter, ville himmelen vise seg å være svart. Men siden atmosfæren inneholder forskjellige elementer (for eksempel damp eller vanndråper), gir de, ved å reflektere farge, himmelen den ønskede skyggen.
Etter dette begynte forskerne å komme nærmere og nærmere sannheten. Arago oppdaget polarisering, en av egenskapene til spredt lys som spretter fra himmelen. Fysikk hjalp definitivt forskeren med denne oppdagelsen. Senere begynte andre forskere å lete etter svaret. Samtidig var spørsmålet om hvorfor himmelen er blå så interessant for forskere at det ble utført et stort antall forskjellige eksperimenter for å finne ut, noe som førte til ideen om at hovedårsaken til utseendet til den blå fargen er at solens stråler er ganske enkelt spredt i atmosfæren.
Forklaring
Den første som laget et matematisk basert svar for molekylær lysspredning var den britiske forskeren Rayleigh. Han antok at lys spres ikke på grunn av urenheter i atmosfæren, men på grunn av selve luftmolekylene. Teorien hans ble utviklet – og dette er konklusjonen forskerne kom til.
Solens stråler tar seg til jorden gjennom atmosfæren (et tykt luftlag), planetens såkalte luftkappe. Den mørke himmelen er fullstendig fylt med luft, som til tross for at den er helt gjennomsiktig, ikke er tom, men består av gassmolekyler - nitrogen (78%) og oksygen (21%), samt vanndråper, damp, iskrystaller og små biter av fast materiale (for eksempel partikler av støv, sot, aske, havsalt, etc.).
Noen stråler klarer å passere fritt mellom gassmolekyler, omgå dem fullstendig, og når derfor overflaten av planeten vår uten endringer, men de fleste stråler kolliderer med gassmolekyler, som blir opphisset, mottar energi og frigjør flerfargede stråler i forskjellige retninger, helt farge himmelen, noe som resulterer i at vi ser solfylt blå himmel.
Hvitt lys i seg selv består av alle regnbuens farger, som ofte kan sees når det brytes ned i komponentene. Det har seg slik at luftmolekyler sprer blå og fiolette farger mest, siden de er den korteste delen av spekteret fordi de har den korteste bølgelengden.
Når blå og fiolette farger blandes i atmosfæren med en liten mengde rødt, gult og grønt, begynner himmelen å "gløde" blå.
Siden atmosfæren på planeten vår ikke er homogen, men ganske annerledes (nær jordoverflaten er den tettere enn over), den har forskjellig struktur og egenskaper, kan vi observere blå fargetoner. Før solnedgang eller soloppgang, når lengden på solens stråler øker betydelig, er blå og fiolette farger spredt i atmosfæren og når absolutt ikke overflaten av planeten vår. De gul-røde bølgene, som vi observerer på himmelen i denne perioden, når med hell.
Om natten, når solstrålene ikke kan nå en bestemt side av planeten, blir atmosfæren der gjennomsiktig, og vi ser "svart" rom. Det er akkurat slik astronauter over atmosfæren ser det. Det er verdt å merke seg at astronautene var heldige, for når de er mer enn 15 km over jordens overflate, kan de i løpet av dagen observere solen og stjernene samtidig.
Farge på himmelen på andre planeter
Siden fargen på himmelen i stor grad avhenger av atmosfæren, er det ikke overraskende at den har forskjellige farger på forskjellige planeter. Det er interessant at Saturns atmosfære har samme farge som planeten vår.
Himmelen til Uranus er en veldig vakker akvamarinfarge. Atmosfæren består hovedsakelig av helium og hydrogen. Den inneholder også metan, som fullstendig absorberer rødt og sprer grønne og blå farger. Neptuns himmel er blå: i atmosfæren på denne planeten er det ikke så mye helium og hydrogen som vår, men det er mye metan, som nøytraliserer rødt lys.
Atmosfæren på månen, jordens satellitt, så vel som på Merkur og Pluto, er helt fraværende, derfor reflekteres ikke lysstråler, så himmelen her er svart, og stjernene er lett å skille. De blå og grønne fargene på solstrålene blir fullstendig absorbert av Venus-atmosfæren, og når solen er nær horisonten er himmelen gul.
På en klar solskinnsdag ser himmelen over oss knallblå ut. Om kvelden farger solnedgangen himmelen i rødt, rosa og oransje. Så hvorfor er himmelen blå og hva gjør solnedgangen rød?
Hvilken farge har solen?
Selvfølgelig er solen gul! Alle jordens innbyggere vil svare, og månens innbyggere vil være uenige med dem.
Fra jorden ser solen gul ut. Men i verdensrommet eller på månen ville solen virke hvit for oss. Det er ingen atmosfære i rommet for å spre sollys.
På jorden blir noen av de korte bølgelengdene til sollys (blått og fiolett) absorbert av spredning. Resten av spekteret ser gult ut.
Og i verdensrommet ser himmelen mørk eller svart ut i stedet for blå. Dette er resultatet av fraværet av en atmosfære, derfor spres ikke lyset på noen måte.
Men hvis du spør om fargen på solen om kvelden. Noen ganger er svaret at solen er RØD. Men hvorfor?
Hvorfor er solen rød ved solnedgang?
Når solen beveger seg mot solnedgang, må sollys reise en større avstand i atmosfæren for å nå observatøren. Mindre direkte lys når øynene våre og solen ser mindre lys ut.
Siden sollys må reise lengre avstander, oppstår mer spredning. Den røde delen av sollysspekteret passerer bedre gjennom luften enn den blå delen. Og vi ser en rød sol. Jo lavere solen går ned til horisonten, jo større er det luftige "forstørrelsesglasset" som vi ser den gjennom, og jo rødere er den.
Av samme grunn ser solen for oss ut til å være mye større i diameter enn om dagen: luftlaget spiller rollen som et forstørrelsesglass for en jordisk observatør.
Himmelen rundt solnedgangen kan ha forskjellige farger. Himmelen er vakrest når luften inneholder mange små partikler av støv eller vann. Disse partiklene reflekterer lys i alle retninger. I dette tilfellet blir kortere lysbølger spredt. Observatøren ser lysstråler med lengre bølgelengder, og det er grunnen til at himmelen ser rød, rosa eller oransje ut.
Synlig lys er en type energi som kan reise gjennom verdensrommet. Lys fra solen eller en glødelampe virker hvit, selv om det i virkeligheten er en blanding av alle farger. De primære fargene som utgjør hvit er rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og fiolett. Disse fargene forvandles kontinuerlig til hverandre, så i tillegg til primærfargene er det også et stort antall forskjellige nyanser. Alle disse fargene og nyansene kan observeres på himmelen i form av en regnbue som vises i et område med høy luftfuktighet.
Luften som fyller hele himmelen er en blanding av bittesmå gassmolekyler og små faste partikler som støv.
Solens stråler, som kommer fra verdensrommet, begynner å spre seg under påvirkning av atmosfæriske gasser, og denne prosessen skjer i henhold til Rayleighs spredningslov. Når lys beveger seg gjennom atmosfæren, passerer de fleste av de lange bølgelengdene til det optiske spekteret uendret. Bare en liten del av de røde, oransje og gule fargene samhandler med luften og støter inn i molekyler og støv.
Når lys kolliderer med gassmolekyler, kan lys reflekteres i forskjellige retninger. Noen farger, som rød og oransje, når observatøren direkte ved å passere direkte gjennom luften. Men mest blått lys reflekteres fra luftmolekyler i alle retninger. Dette sprer blått lys over hele himmelen og får det til å se blått ut.
Imidlertid absorberes mange kortere bølgelengder av lys av gassmolekyler. Når den er absorbert, sendes den blå fargen ut i alle retninger. Det er spredt overalt på himmelen. Uansett hvilken retning du ser, når noe av dette spredte blå lyset observatøren. Siden blått lys er synlig overalt over hodet, virker himmelen blå.
Hvis du ser mot horisonten, vil himmelen ha en blekere nyanse. Dette er resultatet av at lys reiser en større avstand gjennom atmosfæren for å nå observatøren. Det spredte lyset spres igjen av atmosfæren og mindre blått lys når observatørens øyne. Derfor virker fargen på himmelen nær horisonten blekere eller til og med helt hvit.
Hvorfor er rommet svart?
Det er ingen luft i verdensrommet. Siden det ikke er noen hindringer som lyset kan reflekteres fra, reiser lyset direkte. Lysstrålene er ikke spredt, og "himmelen" ser mørk og svart ut.
Atmosfære.
Atmosfæren er en blanding av gasser og andre stoffer som omgir jorden i form av et tynt, stort sett gjennomsiktig skall. Atmosfæren holdes på plass av jordens tyngdekraft. Hovedkomponentene i atmosfæren er nitrogen (78,09%), oksygen (20,95%), argon (0,93%) og karbondioksid (0,03%). Atmosfæren inneholder også små mengder vann (på forskjellige steder varierer konsentrasjonen fra 0% til 4%), faste partikler, gasser neon, helium, metan, hydrogen, krypton, ozon og xenon. Vitenskapen som studerer atmosfæren kalles meteorologi.
Livet på jorden ville ikke vært mulig uten tilstedeværelsen av en atmosfære, som leverer oksygenet vi trenger for å puste. I tillegg utfører atmosfæren en annen viktig funksjon - den utjevner temperaturen over hele planeten. Hvis det ikke fantes atmosfære, så kunne det enkelte steder på planeten være sydende varme, og andre steder ekstrem kulde, temperaturområdet kunne svinge fra -170°C om natten til +120°C om dagen. Atmosfæren beskytter oss også mot skadelig stråling fra solen og verdensrommet, absorberer og sprer den.
Atmosfærens struktur
Atmosfæren består av forskjellige lag, inndelingen i disse lagene skjer i henhold til deres temperatur, molekylære sammensetning og elektriske egenskaper. Disse lagene har ikke klart definerte grenser de endres sesongmessig, og i tillegg endres parametrene deres på forskjellige breddegrader.
Homosfære
- De nedre 100 km, inkludert troposfæren, stratosfæren og mesopausen.
- Utgjør 99 % av massen til atmosfæren.
- Molekyler er ikke separert etter molekylvekt.
- Sammensetningen er ganske homogen, med unntak av noen små lokale anomalier. Homogenitet opprettholdes ved konstant blanding, turbulens og turbulent diffusjon.
- Vann er en av to komponenter som er ujevnt fordelt. Når vanndamp stiger, avkjøles og kondenserer den, og går deretter tilbake til bakken i form av nedbør - snø og regn. Selve stratosfæren er veldig tørr.
- Ozon er et annet molekyl hvis fordeling er ujevn. (Les nedenfor om ozonlaget i stratosfæren.)
Heterosfære
- Strekker seg over homosfæren og inkluderer termosfæren og eksosfæren.
- Separasjonen av molekyler i dette laget er basert på deres molekylvekter. Tyngre molekyler som nitrogen og oksygen er konsentrert i bunnen av laget. Lettere, helium og hydrogen, dominerer i den øvre delen av heterosfæren.
Oppdeling av atmosfæren i lag avhengig av deres elektriske egenskaper.
Nøytral atmosfære
- Under 100 km.
Ionosfære
- Omtrent over 100 km.
- Inneholder elektrisk ladede partikler (ioner) produsert ved absorpsjon av ultrafiolett lys
- Graden av ionisering endres med høyden.
- Ulike lag reflekterer lange og korte radiobølger. Dette gjør at radiosignaler som beveger seg i en rett linje kan bøye seg rundt jordens sfæriske overflate.
- Auroras forekommer i disse atmosfæriske lagene.
- Magnetosfære er den øvre delen av ionosfæren, og strekker seg til omtrent 70 000 km høyde, denne høyden avhenger av intensiteten til solvinden. Magnetosfæren beskytter oss mot høyenergiladede partikler fra solvinden ved å holde dem i jordas magnetfelt.
Oppdeling av atmosfæren i lag avhengig av deres temperaturer
Topp kanthøyde troposfæren avhenger av årstider og breddegrad. Den strekker seg fra jordoverflaten til en høyde på omtrent 16 km ved ekvator, og til en høyde på 9 km ved Nord- og Sydpolen.
- Prefikset "tropo" betyr endring. Endringer i parametrene til troposfæren skjer på grunn av værforhold - for eksempel på grunn av bevegelsen av atmosfæriske fronter.
- Når høyden øker, synker temperaturen. Varm luft stiger opp, avkjøles og faller tilbake til jorden. Denne prosessen kalles konveksjon, den oppstår som et resultat av bevegelse av luftmasser. Vind i dette laget blåser hovedsakelig vertikalt.
- Dette laget inneholder flere molekyler enn alle andre lag til sammen.
Stratosfæren- strekker seg fra ca. 11 km til 50 km høyde.
- Har et veldig tynt luftlag.
- Prefikset "strato" refererer til lag eller inndeling i lag.
- Den nedre delen av stratosfæren er ganske rolig. Jetfly flyr ofte inn i den nedre stratosfæren for å unngå dårlig vær i troposfæren.
- På toppen av stratosfæren er det sterk vind kjent som jetstrømmer i stor høyde. De blåser horisontalt i hastigheter på opptil 480 km/t.
- Stratosfæren inneholder "ozonlaget", som ligger i en høyde på omtrent 12 til 50 km (avhengig av breddegrad). Selv om ozonkonsentrasjonen i dette laget bare er 8 ml/m 3, er den svært effektiv til å absorbere skadelige ultrafiolette stråler fra solen, og beskytter dermed livet på jorden. Ozonmolekylet består av tre oksygenatomer. Oksygenmolekylene vi puster inn inneholder to oksygenatomer.
- Stratosfæren er veldig kald, med en temperatur på omtrent -55°C i bunnen og øker med høyden. Økningen i temperatur skyldes absorpsjon av ultrafiolette stråler av oksygen og ozon.
Mesosfæren- strekker seg til høyder på omtrent 100 km.
Et av kjennetegnene til en person er nysgjerrighet. Sannsynligvis så alle, som barn, på himmelen og lurte på: "hvorfor er himmelen blå?" Som det viser seg, krever svar på slike tilsynelatende enkle spørsmål en viss kunnskapsbase innen fysikk, og derfor vil ikke alle foreldre være i stand til å forklare barnet sitt riktig årsaken til dette fenomenet.
La oss vurdere dette problemet fra et vitenskapelig synspunkt.
Bølgelengdeområdet til elektromagnetisk stråling dekker nesten hele spekteret av elektromagnetisk stråling, som også inkluderer stråling som er synlig for mennesker. Bildet nedenfor viser avhengigheten av intensiteten til solstråling av bølgelengden til denne strålingen.
Ved å analysere dette bildet kan vi legge merke til det faktum at synlig stråling også er representert av ujevn intensitet for stråling med forskjellige bølgelengder. Dermed gir den fiolette fargen et relativt lite bidrag til synlig stråling, og det største bidraget er blå og grønne farger.
Hvorfor er himmelen blå?
For det første er dette spørsmålet foranlediget av det faktum at luft er en fargeløs gass og ikke bør avgi blått lys. Åpenbart er årsaken til slik stråling vår stjerne.
Som du vet, er hvitt lys faktisk en kombinasjon av stråling fra alle fargene i det synlige spekteret. Ved hjelp av et prisme kan lyset tydelig skilles i en rekke farger. En lignende effekt oppstår på himmelen etter regn og danner en regnbue. Når sollys kommer inn i jordens atmosfære, begynner det å spre seg, d.v.s. strålingen endrer retning. Imidlertid er det særegne ved sammensetningen av luft slik at når lys kommer inn i den, spres stråling med kort bølgelengde sterkere enn langbølget stråling. Således, med tanke på det tidligere avbildede spekteret, kan du se at rødt og oransje lys praktisk talt ikke vil endre banen når de passerer gjennom luften, mens fiolett og blå stråling vil merkbart endre retning. Av denne grunn dukker det opp et visst "vandrende" kortbølget lys i luften, som hele tiden blir spredt i dette miljøet. Som et resultat av det beskrevne fenomenet ser det ut til at kortbølget stråling i det synlige spekteret (fiolett, cyan, blått) sendes ut fra hvert punkt på himmelen.
Det velkjente faktum med strålingsoppfatning er at det menneskelige øyet kan fange, se, stråling bare hvis det kommer direkte inn i øyet. Så, når du ser på himmelen, vil du mest sannsynlig se nyanser av den synlige strålingen, hvis bølgelengde er den korteste, siden det er denne som er best spredt i luften.
Hvorfor ser du ikke en tydelig rød farge når du ser på solen? For det første er det usannsynlig at en person vil være i stand til å undersøke solen nøye, siden intens stråling kan skade det visuelle organet. For det andre, til tross for eksistensen av et slikt fenomen som spredning av lys i luften, når det meste av lyset som sendes ut av solen jordens overflate uten å bli spredt. Derfor kombineres alle fargene i det synlige spekteret av stråling, og danner lys med en mer uttalt hvit farge.
La oss gå tilbake til lys spredt av luft, hvis farge, som vi allerede har bestemt, skal ha den korteste bølgelengden. Av synlig stråling har fiolett den korteste bølgelengden, etterfulgt av blå, og blå har en litt lengre bølgelengde. Tatt i betraktning den ujevne intensiteten til solens stråling, blir det klart at bidraget til den fiolette fargen er ubetydelig. Derfor kommer det største bidraget til strålingen som spres av luft fra blått, etterfulgt av blått.
Hvorfor er solnedgangen rød?
I tilfellet når solen gjemmer seg bak horisonten, kan vi observere den samme langbølget stråling med rød-oransje farge. I dette tilfellet må lyset fra solen reise en merkbart større avstand i jordens atmosfære før det når observatørens øye. På det punktet hvor solens stråling begynner å samhandle med atmosfæren, er fargene blått og blått mest uttalt. Men med avstand mister kortbølget stråling sin intensitet, da den blir betydelig spredt underveis. Mens langbølget stråling gjør en utmerket jobb med å dekke så lange avstander. Det er derfor solen er rød ved solnedgang.
Som nevnt tidligere, selv om langbølget stråling er svakt spredt i luften, skjer fortsatt spredning. Derfor, ved å være i horisonten, sender solen ut lys, hvorfra bare stråling av rød-oransje nyanser når observatøren, som har litt tid til å forsvinne i atmosfæren, og danner det tidligere nevnte "vandrende" lyset. Sistnevnte farger himmelen i varierte nyanser av rødt og oransje.
Hvorfor er skyene hvite?
Når vi snakker om skyer, så vet vi at de består av mikroskopiske væskedråper som sprer synlig lys nesten jevnt, uavhengig av bølgelengden på strålingen. Deretter spres det spredte lyset, rettet i alle retninger fra dråpen, igjen på andre dråper. I dette tilfellet er kombinasjonen av stråling av alle bølgelengder bevart, og skyene "gløder" (reflekterer) i hvitt.
Hvis været er overskyet, når lite solstråling jordens overflate. Ved store skyer, eller et stort antall av dem, absorberes noe av sollyset, noe som får himmelen til å dempe og få en grå farge.