งานวิจัยเหตุใดท้องฟ้าจึงเปลี่ยนสี สีท้องฟ้า

เราทุกคนคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าสีของท้องฟ้าเป็นลักษณะที่แปรผันได้ หมอก เมฆ ช่วงเวลาของวัน - ทุกอย่างส่งผลต่อสีของโดมเหนือศีรษะ การเปลี่ยนแปลงในแต่ละวันไม่ได้ครอบงำจิตใจของผู้ใหญ่ส่วนใหญ่ ซึ่งไม่สามารถพูดถึงเด็กได้ พวกเขาสงสัยอยู่ตลอดเวลาว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้าหรืออะไรทำให้พระอาทิตย์ตกเป็นสีแดง เรามาลองทำความเข้าใจกับคำถามที่ไม่ง่ายเหล่านี้กันดีกว่า

เปลี่ยนแปลงได้

เริ่มต้นด้วยการตอบคำถามว่าจริงๆ แล้วท้องฟ้าหมายถึงอะไร ใน โลกโบราณมันถูกมองว่าเป็นโดมที่ปกคลุมโลกอย่างแท้จริง อย่างไรก็ตาม ทุกวันนี้แทบไม่มีใครรู้ว่า ไม่ว่านักสำรวจผู้อยากรู้อยากเห็นจะสูงขึ้นแค่ไหน เขาก็จะไม่สามารถไปถึงโดมแห่งนี้ได้ ท้องฟ้าไม่ใช่สิ่งของ แต่เป็นภาพพาโนรามาที่เปิดขึ้นเมื่อมองจากพื้นผิวดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นรูปลักษณ์ที่ถักทอจากแสง นอกจากนี้หากสังเกตจาก จุดที่แตกต่างกันมันอาจจะดูแตกต่างออกไป ดังนั้น เมื่อมองขึ้นไปเหนือเมฆ ทิวทัศน์ที่แตกต่างไปจากพื้นดินในเวลานี้จึงแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

ท้องฟ้าที่แจ่มใสจะเป็นสีฟ้า แต่ทันทีที่มีเมฆเข้ามา ท้องฟ้าจะกลายเป็นสีเทา ซีดจาง หรือขาวสกปรก ท้องฟ้ายามค่ำคืนเป็นสีดำ บางครั้งคุณสามารถเห็นพื้นที่สีแดงได้ นี่คือภาพสะท้อนของแสงประดิษฐ์ของเมือง สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดก็คือแสงและมีปฏิสัมพันธ์กับอากาศและอนุภาค สารต่างๆในนั้น

ลักษณะของสี

เพื่อที่จะตอบคำถามว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้าจากมุมมองทางฟิสิกส์ เราต้องจำไว้ว่าสีคืออะไร นี่คือคลื่นที่มีความยาวค่าหนึ่ง แสงที่มาจากดวงอาทิตย์มายังโลกจะเห็นเป็นสีขาว เป็นที่ทราบกันมาตั้งแต่การทดลองของนิวตันว่ามันเป็นลำแสงเจ็ดดวง ได้แก่ สีแดง สีส้ม สีเหลือง สีเขียว สีน้ำเงิน สีคราม และสีม่วง สีต่างกันตามความยาวคลื่น สเปกตรัมสีแดงส้มประกอบด้วยคลื่นที่น่าประทับใจที่สุดในพารามิเตอร์นี้ บางส่วนของสเปกตรัมมีลักษณะเป็นความยาวคลื่นสั้น การสลายตัวของแสงเป็นสเปกตรัมเกิดขึ้นเมื่อมันชนกับโมเลกุลของสสารต่างๆ คลื่นบางส่วนสามารถดูดซับได้ และบางส่วนก็สามารถกระเจิงได้

การสอบสวนสาเหตุ

นักวิทยาศาสตร์หลายคนพยายามอธิบายว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้าในแง่ของฟิสิกส์ นักวิจัยทุกคนพยายามที่จะค้นพบปรากฏการณ์หรือกระบวนการที่กระจายแสงในชั้นบรรยากาศของโลกในลักษณะที่ส่งผลให้มีเพียงแสงสีน้ำเงินเท่านั้นที่มาถึงเรา ผู้สมัครกลุ่มแรกสำหรับบทบาทของอนุภาคดังกล่าวคือน้ำ เชื่อกันว่าพวกมันดูดซับแสงสีแดงและส่งผ่านแสงสีน้ำเงิน และด้วยเหตุนี้เราจึงเห็นท้องฟ้าสีฟ้า อย่างไรก็ตาม การคำนวณภายหลังพบว่าปริมาณโอโซน ผลึกน้ำแข็ง และโมเลกุลของไอน้ำในบรรยากาศไม่เพียงพอที่จะให้ท้องฟ้าได้ สีฟ้า.

เหตุผลก็คือมลภาวะ

บน ขั้นต่อไปการวิจัยโดย John Tyndall ชี้ให้เห็นว่าฝุ่นมีบทบาทเป็นอนุภาคที่ต้องการ แสงสีน้ำเงินมีความต้านทานต่อการกระเจิงได้ดีที่สุด จึงสามารถทะลุผ่านฝุ่นและอนุภาคแขวนลอยอื่นๆ ทุกชั้นได้ ทินดอลล์ทำการทดลองที่ยืนยันข้อสันนิษฐานของเขา เขาสร้างแบบจำลองหมอกควันในห้องทดลองและส่องสว่างด้วยแสงสีขาวสว่าง หมอกควันกลายเป็นสีน้ำเงิน นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปที่ชัดเจนจากการวิจัยของเขา: สีของท้องฟ้าถูกกำหนดโดยอนุภาคฝุ่น นั่นคือถ้าอากาศของโลกสะอาด ไม่ใช่สีฟ้า แต่ท้องฟ้าสีขาวจะเปล่งประกายเหนือศีรษะของผู้คน

การวิจัยของพระเจ้า

ลอร์ด ดี. เรย์ลีห์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษตั้งประเด็นสุดท้ายของคำถามที่ว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า (จากมุมมองของฟิสิกส์) เขาได้พิสูจน์ว่าไม่ใช่ฝุ่นหรือหมอกควันที่แต่งแต้มพื้นที่เหนือศีรษะของเราในที่ร่มที่เราคุ้นเคย มันอยู่ในอากาศนั่นเอง โมเลกุลของก๊าซดูดซับความยาวคลื่นที่ยาวที่สุดเป็นส่วนใหญ่ซึ่งเทียบเท่ากับสีแดง สีฟ้าจะกระจายไป นี่เป็นวิธีที่วันนี้เราอธิบายสีของท้องฟ้าที่เราเห็นในสภาพอากาศแจ่มใสอย่างชัดเจน

ผู้ใส่ใจจะสังเกตเห็นว่าตามตรรกะของนักวิทยาศาสตร์ ส่วนบนของโดมควรเป็นสีม่วง เนื่องจากสีนี้มีความยาวคลื่นสั้นที่สุดในช่วงที่มองเห็นได้ อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ข้อผิดพลาด: สัดส่วนของสีม่วงในสเปกตรัมนั้นน้อยกว่าสีน้ำเงินมากและดวงตาของมนุษย์มีความไวต่อสเปกตรัมมากกว่า ที่จริงแล้ว สีน้ำเงินที่เราเห็นนั้นเป็นผลมาจากการผสมสีน้ำเงินกับสีม่วงและสีอื่นๆ

พระอาทิตย์ตกและเมฆ

ทุกคนรู้ดีว่าใน เวลาที่ต่างกันวันที่คุณเห็น สีที่แตกต่างท้องฟ้า. ภาพถ่ายพระอาทิตย์ตกที่สวยงามเหนือทะเลหรือทะเลสาบเป็นตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบสำหรับสิ่งนี้ สีแดงและสีเหลืองทุกประเภทผสมผสานกับสีน้ำเงินและสีน้ำเงินเข้มทำให้ภาพนี้น่าจดจำ และอธิบายได้ด้วยการกระเจิงของแสงแบบเดียวกัน ความจริงก็คือในช่วงพระอาทิตย์ตกและรุ่งเช้า รังสีดวงอาทิตย์จะต้องเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศในเส้นทางที่ยาวกว่ามากเมื่อเทียบกับจุดสูงสุดของวัน ในกรณีนี้ แสงจากส่วนสีน้ำเงิน-เขียวของสเปกตรัมจะกระจายเข้าไป ด้านที่แตกต่างกันและเมฆที่อยู่ใกล้ขอบฟ้าก็กลายเป็นสีแดง

เมื่อท้องฟ้ามีเมฆมาก ภาพก็จะเปลี่ยนไปโดยสิ้นเชิง ไม่สามารถเอาชนะชั้นที่หนาแน่นได้และ ที่สุดพวกมันไม่ถึงพื้น รังสีที่ทะลุผ่านเมฆมาพบกับหยดน้ำฝนและเมฆซึ่งทำให้แสงบิดเบือนอีกครั้ง จากการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดนี้ แสงสีขาวจะส่องมาถึงพื้นหากเมฆมีขนาดเล็ก และแสงสีเทาเมื่อท้องฟ้าถูกปกคลุมไปด้วยเมฆที่น่าประทับใจ ซึ่งจะดูดซับส่วนหนึ่งของรังสีเป็นครั้งที่สอง

ท้องฟ้าอื่นๆ

สิ่งที่น่าสนใจบนดาวเคราะห์ดวงอื่น ระบบสุริยะเมื่อมองจากพื้นผิว เราสามารถมองเห็นท้องฟ้าที่แตกต่างจากบนโลกอย่างมาก บน วัตถุอวกาศเมื่อปราศจากชั้นบรรยากาศ รังสีของดวงอาทิตย์ก็มาถึงพื้นผิวอย่างอิสระ ส่งผลให้ท้องฟ้าที่นี่เป็นสีดำไม่มีร่มเงาใดๆ ภาพนี้สามารถเห็นได้บนดวงจันทร์ ดาวพุธ และดาวพลูโต

ท้องฟ้าดาวอังคารมีสีแดงส้ม เหตุผลก็คือฝุ่นที่ปกคลุมชั้นบรรยากาศของโลก เธอถูกทาสีใน เฉดสีที่แตกต่างกันสีแดงและสีส้ม เมื่อดวงอาทิตย์ขึ้นเหนือขอบฟ้า ท้องฟ้าของดาวอังคารจะเปลี่ยนเป็นสีชมพูอมแดง ในขณะที่บริเวณรอบจานดวงสว่างจะปรากฏเป็นสีน้ำเงินหรือสีม่วง

ท้องฟ้าเหนือดาวเสาร์มีสีเดียวกับบนโลก ท้องฟ้าสีฟ้าครามทอดยาวเหนือดาวยูเรนัส เหตุผลอยู่ที่หมอกควันมีเทนซึ่งอยู่ในดาวเคราะห์ชั้นบน

ดาวศุกร์ถูกซ่อนจากสายตาของนักวิจัยด้วยชั้นเมฆหนาทึบ ไม่อนุญาตให้รังสีสเปกตรัมสีน้ำเงิน-เขียวส่องถึงพื้นผิวดาวเคราะห์ ท้องฟ้าที่นี่จึงเป็นสีเหลืองส้มและมีแถบสีเทาทอดยาวไปตามขอบฟ้า

การสำรวจอวกาศเหนือศีรษะในระหว่างวันเผยให้เห็นสิ่งมหัศจรรย์ไม่น้อยไปกว่าการสำรวจท้องฟ้าที่เต็มไปด้วยดวงดาว การทำความเข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบคลาวด์และเบื้องหลังช่วยให้เข้าใจเหตุผลของสิ่งที่คนทั่วไปค่อนข้างคุ้นเคย ซึ่งทุกคนไม่สามารถอธิบายได้ทันที

ทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า? ทำไมดวงอาทิตย์ถึงเป็นสีเหลือง? คำถามเหล่านี้เกิดขึ้นต่อหน้ามนุษย์มาตั้งแต่สมัยโบราณ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้คำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับปรากฏการณ์เหล่านี้ ต้องใช้ความพยายามของนักวิทยาศาสตร์ผู้มีชื่อเสียงในยุคกลางและสมัยต่อๆ มาจนถึง ปลาย XIXวี.

มีสมมติฐานอะไรบ้าง? ซึ่งสมมติฐานต่างๆ ได้ถูกยกมาในเวลาต่างๆ เพื่ออธิบายสีของท้องฟ้า สมมติฐานที่ 1 เมื่อสังเกตว่าควันที่ตัดกับพื้นหลังของเตาผิงมืดกลายเป็นสีฟ้าได้อย่างไร เลโอนาร์โด ดาวินชี เขียนว่า ... ความสว่างเหนือความมืดกลายเป็นสีน้ำเงิน ยิ่งแสงสว่างและความมืดสวยงามก็ยิ่งยอดเยี่ยมเท่านั้น" เกอเธ่ยึดมั่นในจุดเดียวกันโดยประมาณของ วิวที่ไม่เพียงแต่ทั่วโลกเท่านั้น กวีชื่อดังแต่ยังเป็นนักวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในยุคของเขาด้วย อย่างไรก็ตาม คำอธิบายเรื่องสีของท้องฟ้ากลายเป็นสิ่งที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ เนื่องจากเมื่อเห็นได้ชัดในภายหลัง การผสมสีดำและสีขาวสามารถสร้างได้เฉพาะโทนสีเทาเท่านั้น ไม่ใช่โทนสี สีฟ้าควันจากเตาผิงเกิดจากกระบวนการที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

มีสมมติฐานอะไรบ้าง? สมมติฐานที่ 2 หลังจากค้นพบการรบกวนโดยเฉพาะใน ฟิล์มบางนิวตันพยายามใช้สัญญาณรบกวนเพื่ออธิบายสีของท้องฟ้า เมื่อต้องการทำเช่นนี้ เขาต้องสันนิษฐานว่าหยดน้ำมีรูปร่างเป็นฟองอากาศบางๆ เหมือนกับฟองสบู่ แต่เนื่องจากหยดน้ำที่บรรจุอยู่ในชั้นบรรยากาศนั้นเป็นทรงกลมจริงๆ สมมติฐานนี้ก็ระเบิดออกมาเช่นกัน” ฟอง.

มีสมมติฐานอะไรบ้าง? 3 สมมติฐาน นักวิทยาศาสตร์ที่ 18วี. Marriott, Bouguer, Euler คิดว่าสีฟ้าของท้องฟ้าอธิบายได้ด้วยสีของมันเอง ส่วนประกอบอากาศ. คำอธิบายนี้ได้รับการยืนยันในภายหลังในศตวรรษที่ 19 เมื่อมีการสถาปนาขึ้น ออกซิเจนเหลวมีสีฟ้า และโอโซนเหลวเป็นสีฟ้า โอ. บี. โซซูร์เข้าใกล้คำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับสีของท้องฟ้ามากที่สุด เขาเชื่อว่าหากอากาศบริสุทธิ์จริงๆ ท้องฟ้าก็จะกลายเป็นสีดำ แต่อากาศมีสิ่งเจือปนที่สะท้อนสีฟ้าเป็นส่วนใหญ่ (โดยเฉพาะไอน้ำและหยดน้ำ)

ผลการศึกษา : ครั้งแรกที่สร้างความเรียวเคร่งครัด ทฤษฎีทางคณิตศาสตร์การกระเจิงของแสงระดับโมเลกุลในชั้นบรรยากาศเป็นภาษาอังกฤษ นักวิทยาศาสตร์เรย์ลีห์- เขาเชื่อว่าการกระเจิงของแสงไม่ได้เกิดขึ้นกับสิ่งเจือปนอย่างที่คนรุ่นก่อนคิด แต่เกิดขึ้นกับโมเลกุลของอากาศด้วย เพื่ออธิบายสีของท้องฟ้า เราขอเสนอข้อสรุปเพียงข้อเดียวของทฤษฎีของเรย์ลีห์:

ผลการศึกษา: สีของส่วนผสมของรังสีที่กระเจิงจะเป็นสีน้ำเงิน ความสว่างหรือความเข้มของแสงที่กระเจิงจะแปรผกผันกับกำลังที่สี่ของความยาวคลื่นของแสงที่ตกกระทบบนอนุภาคที่กระเจิง ดังนั้นการกระเจิงของโมเลกุลจึงมีความไวอย่างยิ่งต่อการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นของแสงเพียงเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น ความยาวคลื่นของรังสีสีม่วง (0.4 µm) มีค่าประมาณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของรังสีสีแดง (0.8 µm) ดังนั้นรังสีสีม่วงจะกระจายมากกว่าสีแดงถึง 16 เท่า และเมื่อใด ความเข้มเท่ากันจะมีรังสีตกกระทบเพิ่มขึ้น 16 เท่าในแสงกระจัดกระจาย รังสีสีอื่นๆ ทั้งหมดของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ (สีน้ำเงิน ฟ้า เขียว เหลือง ส้ม) จะถูกรวมไว้ในแสงที่กระจัดกระจายในปริมาณที่แปรผกผันกับกำลังที่สี่ของความยาวคลื่นของรังสีแต่ละสี ถ้าตอนนี้รังสีกระจายสีทั้งหมดผสมกันในอัตราส่วนนี้ สีของส่วนผสมของรังสีกระจายจะเป็นสีน้ำเงิน

วรรณกรรม: S.V. Zvereva ในโลกแห่งแสงแดด L. , Gidrometeoizdat, 1988

แต่มีกี่สีที่ทำให้สิ่งต่างๆ รอบตัวเรามีสีสัน? และ ความรู้ทางวิทยาศาสตร์คำถามเหล่านี้หลายข้อสามารถตอบได้แล้ว เช่น อธิบาย ท้องฟ้าสี.

อันดับแรก เราจะต้องพูดถึงไอแซก นิวตัน ผู้ยิ่งใหญ่ ผู้สังเกตการสลายตัวของพลังงานแสงอาทิตย์สีขาวเมื่อผ่านปริซึมแก้ว สิ่งที่เขาเห็นตอนนี้เรียกว่าปรากฏการณ์ ความแตกต่างและภาพหลากสีนั้นเอง - สเปกตรัม- สีที่ได้จะตรงกับสีของรุ้งทุกประการ นั่นคือนิวตันสังเกตเห็นสายรุ้งในห้องทดลอง! ต้องขอบคุณการทดลองของเขาเมื่อปลายศตวรรษที่ 18 ที่ทำให้แสงสีขาวเป็นส่วนผสม สีต่างๆ- ยิ่งไปกว่านั้น นิวตันคนเดียวกันยังพิสูจน์ว่าหากแสงที่สลายตัวเป็นสเปกตรัมถูกผสมอีกครั้ง ก็จะได้แสงสีขาว ในศตวรรษที่ 19 แสงแพร่กระจายด้วยความเร็วมหาศาล 300,000 กม./วินาที คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า- และเมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมาความรู้นี้ได้รับการเสริมด้วยแนวคิดเรื่องควอนตัมแสง - โฟตอน- ดังนั้นแสงจึงมีธรรมชาติสองประการ - ทั้งคลื่นและอนุภาค การรวมกันนี้กลายเป็นคำอธิบายสำหรับปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย โดยเฉพาะสเปกตรัมของการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุที่ได้รับความร้อน เหมือนกับของเรานั่นเอง

หลังจากการแนะนำนี้ ก็ถึงเวลาที่จะไปยังหัวข้อของเรา ท้องฟ้าสีฟ้า... ใครยังไม่เคยชื่นชมสักครั้งในชีวิต! แต่มันง่ายขนาดนั้นเลยเหรอที่จะบอกว่าการกระเจิงของแสงในชั้นบรรยากาศเป็นสิ่งที่น่าตำหนิ? แล้วเหตุใดสีของท้องฟ้าจึงไม่เป็นสีฟ้าในแสง? พระจันทร์เต็มดวง- ทำไมสีฟ้าจึงไม่เหมือนกันในทุกส่วนของท้องฟ้า? เกิดอะไรขึ้นกับสีของท้องฟ้าเมื่อดวงอาทิตย์ขึ้นและตก? ท้ายที่สุดแล้ว มันอาจเป็นสีเหลือง สีชมพู และสีเขียวก็ได้ แต่สิ่งเหล่านี้ยังคงเป็นลักษณะของการกระเจิง ดังนั้นเรามาดูรายละเอียดเพิ่มเติมกันดีกว่า

คำอธิบายสีของท้องฟ้าและลักษณะของมันเป็นของนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ John William Rayleigh ผู้ศึกษาการกระเจิงของแสง เขาเป็นผู้ชี้ให้เห็นว่าสีของท้องฟ้าถูกกำหนดโดยการพึ่งพาการกระเจิงของความถี่ของแสง รังสีจากดวงอาทิตย์ที่เข้าสู่อากาศทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของก๊าซที่ประกอบเป็นอากาศ และเนื่องจากพลังงาน ควอนตัมแสง- โฟตอนจะเพิ่มขึ้นตามความยาวคลื่นแสงที่ลดลงมากที่สุด ผลกระทบที่แข็งแกร่งโมเลกุลของแก๊ส หรือถ้าให้เจาะจงกว่านั้นคือ อิเล็กตรอนในโมเลกุลเหล่านี้ ได้รับผลกระทบจากโฟตอนของส่วนสีน้ำเงินและสีม่วง สเปกตรัมแสง- มาถึงที่ การสั่นบังคับอิเล็กตรอนจะให้พลังงานที่ได้รับจากคลื่นแสงกลับคืนมาในรูปของโฟตอนของการแผ่รังสี เฉพาะโฟตอนทุติยภูมิเหล่านี้เท่านั้นที่ถูกปล่อยออกมาในทุกทิศทาง ไม่ใช่แค่ในทิศทางของแสงที่ตกกระทบในตอนแรกเท่านั้น นี่จะเป็นกระบวนการกระเจิงแสง นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องคำนึงถึงด้วย การเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องอากาศและความผันผวนของความหนาแน่น ใน มิฉะนั้นเราก็จะเห็นท้องฟ้าสีดำ

ตอนนี้เรากลับมาที่ การแผ่รังสีความร้อนโทร. พลังงานในสเปกตรัมมีการกระจายไม่สม่ำเสมอและอธิบายไว้ตามกฎที่กำหนดโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน วิลเฮล์ม วีน สเปกตรัมของดวงอาทิตย์ของเราจะไม่สม่ำเสมอในพลังงานโฟตอน นั่นคือจะมีโฟตอนจากส่วนสีม่วงน้อยกว่าโฟตอนจากส่วนสีน้ำเงินและจะมีมากกว่านั้นจากส่วนสีน้ำเงิน หากเราคำนึงถึงสรีรวิทยาของการมองเห็นด้วย กล่าวคือ ความไวสูงสุดของดวงตาของเราต่อสีฟ้าเขียว เราก็จะได้ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าหรือสีน้ำเงินเข้ม

ควรคำนึงว่ายิ่งเส้นทางของลำแสงสุริยะในชั้นบรรยากาศยาวขึ้นเท่าใด โฟตอนที่ไม่มีการโต้ตอบจากบริเวณสีน้ำเงินและสีน้ำเงินของสเปกตรัมก็จะยิ่งเหลือน้อยลงเท่านั้น ดังนั้นสีของท้องฟ้าจึงไม่เท่ากัน และตอนเช้า หรือตอนเย็นจะมีสีเหลืองแดงเนื่องจาก ทางยาวแสงผ่านบรรยากาศ นอกจากนี้ ฝุ่น ควัน และอนุภาคอื่นๆ ที่บรรจุอยู่ในอากาศยังส่งผลกระทบอย่างมากต่อการกระเจิงของแสงในบรรยากาศอีกด้วย เราสามารถจำภาพวาดลอนดอนที่มีชื่อเสียงในหัวข้อนี้ได้ หรือความทรงจำถึงภัยพิบัติในปี พ.ศ. 2426 ที่เกิดขึ้นระหว่างการปะทุของภูเขาไฟกรากะตัว เถ้าจากการปะทุที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศทำให้เกิดสีฟ้าของดวงอาทิตย์ในหลายประเทศ ภูมิภาคแปซิฟิกเช่นเดียวกับรุ่งอรุณสีแดงที่สังเกตได้ทั่วโลก แต่ทฤษฎีอื่นอธิบายผลกระทบเหล่านี้แล้ว - ทฤษฎีการกระเจิงของอนุภาคซึ่งสมส่วนกับความยาวคลื่นของแสง ทฤษฎีนี้ถูกเสนอไปทั่วโลก นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันกุสตาฟ มิ. แนวคิดหลักเธอ - อนุภาคดังกล่าวเนื่องจากญาติของพวกเขา ขนาดใหญ่แสงสีแดงกระเจิงแรงกว่าสีน้ำเงินหรือสีม่วง

ดังนั้นสีของท้องฟ้าจึงไม่ได้เป็นเพียงแหล่งที่มาของแรงบันดาลใจสำหรับนักกวีและศิลปินเท่านั้น แต่ยังเป็นผลมาจากความละเอียดอ่อนอีกด้วย กฎทางกายภาพอัจฉริยะของมนุษย์สามารถค้นพบได้

ข้อความของงานถูกโพสต์โดยไม่มีรูปภาพและสูตร
เวอร์ชันเต็มงานมีอยู่ในแท็บ "ไฟล์งาน" ในรูปแบบ PDF

1. บทนำ.

ขณะที่เล่นอยู่บนถนน ฉันเคยสังเกตเห็นท้องฟ้า มันช่างพิเศษเหลือเกิน ไม่มีก้นบึ้ง ไม่มีที่สิ้นสุดและเป็นสีฟ้า สีน้ำเงิน! และมีเพียงเมฆเท่านั้นที่ปกคลุมสีฟ้านี้เล็กน้อย ฉันสงสัยว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า? ฉันนึกถึงเพลงของสุนัขจิ้งจอกอลิซจากเทพนิยายเกี่ยวกับพินอคคิโอขึ้นมาทันที “ท้องฟ้าสีคราม...!” และบทเรียนภูมิศาสตร์ โดยระหว่างเรียนหัวข้อ “สภาพอากาศ” เราก็บรรยายสภาพท้องฟ้าแล้วบอกว่าเป็นสีฟ้าด้วย แล้วทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า? เมื่อกลับถึงบ้าน ฉันถามคำถามนี้กับแม่ เธอบอกฉันว่าเมื่อผู้คนร้องไห้ พวกเขาขอความช่วยเหลือจากสวรรค์ ท้องฟ้าขจัดน้ำตาของพวกเขาออกไป มันจึงกลายเป็นสีฟ้าเหมือนทะเลสาบ แต่เรื่องราวของแม่ไม่ตอบคำถามของฉัน ฉันตัดสินใจถามเพื่อนร่วมชั้นและครูว่าพวกเขารู้ไหมว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า นักเรียน 24 คนและครู 17 คนมีส่วนร่วมในการสำรวจ หลังจากประมวลผลแบบสอบถามแล้ว เราได้รับผลลัพธ์ดังต่อไปนี้:

ที่โรงเรียน ระหว่างเรียนวิชาภูมิศาสตร์ ฉันถามคำถามนี้กับครู เธอตอบฉันว่าสีของท้องฟ้าสามารถอธิบายได้ง่ายจากมุมมองของฟิสิกส์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการกระจายตัว จากวิกิพีเดีย ฉันได้เรียนรู้ว่าการกระจายตัวเป็นกระบวนการสลายแสงออกเป็นสเปกตรัม ครูสอนภูมิศาสตร์ Larisa Borisovna แนะนำให้ฉันสังเกตปรากฏการณ์นี้ด้วยการทดลอง และเราก็ไปที่ห้องฟิสิกส์ Vasily Aleksandrovich ครูสอนฟิสิกส์ตกลงอย่างเต็มใจที่จะช่วยเราในเรื่องนี้ ด้วยการใช้อุปกรณ์พิเศษ ฉันสามารถติดตามว่ากระบวนการกระจายตัวเกิดขึ้นในธรรมชาติได้อย่างไร

เพื่อหาคำตอบว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า เราจึงตัดสินใจทำการศึกษา นี่คือที่มาของแนวคิดในการเขียนโครงการ เราร่วมกับหัวหน้างานของฉัน เพื่อกำหนดหัวข้อ วัตถุประสงค์ และวัตถุประสงค์ของการวิจัย เสนอสมมติฐาน วิธีการวิจัยที่กำหนด และกลไกในการนำแนวคิดของเราไปใช้

สมมติฐาน: แสงถูกส่งมายังโลกโดยดวงอาทิตย์ และบ่อยครั้งเมื่อเรามองดูมัน มันจะปรากฏเป็นสีขาวพราวสำหรับเรา นั่นหมายความว่าท้องฟ้าควรจะเป็นสีขาวใช่ไหม? แต่ในความเป็นจริง ท้องฟ้าเป็นสีฟ้า ในระหว่างการศึกษา เราจะพบคำอธิบายสำหรับความขัดแย้งเหล่านี้

เป้า: ค้นหาคำตอบของคำถามว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า และค้นหาว่าสีของมันขึ้นอยู่กับอะไร

งาน: 1. ทำความรู้จักกับ วัสดุทางทฤษฎีในหัวข้อ

2. ทดลองศึกษาปรากฏการณ์การกระจายตัวของแสง

3. สังเกตสีของท้องฟ้าในช่วงเวลาต่างๆ ของวัน และในสภาพอากาศที่แตกต่างกัน

วัตถุประสงค์ของการศึกษา: ท้องฟ้า

รายการ:แสงและสีของท้องฟ้า

วิธีการวิจัย:การวิเคราะห์ การทดลอง การสังเกต

ขั้นตอนการทำงาน:

1. เชิงทฤษฎี

2. ใช้งานได้จริง

3. ขั้นสุดท้าย: ข้อสรุปในหัวข้อวิจัย

ความสำคัญเชิงปฏิบัติของงาน: สื่อการวิจัยสามารถนำมาใช้ในบทเรียนภูมิศาสตร์และฟิสิกส์เป็นโมดูลการสอนได้

2. ส่วนหลัก.

2.1. ด้านทฤษฎีปัญหา. ปรากฏการณ์ ท้องฟ้าสีฟ้าจากมุมมองทางฟิสิกส์

ทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า - เป็นการยากมากที่จะหาคำตอบสำหรับคำถามง่ายๆ เช่นนี้ ขั้นแรก เรามากำหนดแนวคิดกันก่อน ท้องฟ้าคือพื้นที่เหนือโลกหรือพื้นผิวของวัตถุทางดาราศาสตร์อื่นๆ โดยทั่วไป ท้องฟ้ามักเรียกว่าภาพพาโนรามาที่เปิดขึ้นเมื่อมองจากพื้นผิวโลก (หรือวัตถุทางดาราศาสตร์อื่นๆ) ไปยังอวกาศ

นักวิทยาศาสตร์หลายคนใช้สมองค้นหาคำตอบ เลโอนาร์โด ดา วินชี มองดูไฟในเตาผิง เขียนว่า “แสงสว่างเหนือความมืดกลายเป็นสีน้ำเงิน” แต่ทุกวันนี้เป็นที่รู้กันว่าการผสมผสานระหว่างสีขาวและสีดำทำให้เกิดสีเทา

ข้าว. 1. สมมติฐานของเลโอนาร์โด ดา วินชี

ไอแซก นิวตันเกือบจะอธิบายสีของท้องฟ้าได้ แต่ด้วยเหตุนี้เขาจึงต้องสันนิษฐานว่าหยดน้ำที่บรรจุอยู่ในบรรยากาศนั้นมีผนังบางเหมือนฟองสบู่ แต่ปรากฎว่าหยดเหล่านี้เป็นทรงกลมซึ่งหมายความว่าไม่มีความหนาของผนัง แล้วฟองสบู่ของนิวตันก็แตก!

ข้าว. 2. สมมติฐานของนิวตัน

วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดถูกเสนอเมื่อประมาณ 100 ปีที่แล้ว นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษลอร์ด จอห์น เรย์ลีห์ แต่ขอเริ่มต้นจากจุดเริ่มต้น ดวงอาทิตย์เปล่งแสงสีขาวเจิดจ้า ซึ่งหมายความว่าสีของท้องฟ้าควรจะเหมือนเดิม แต่ยังคงเป็นสีน้ำเงิน เกิดอะไรขึ้นกับแสงสีขาวในบรรยากาศ? ผ่านชั้นบรรยากาศราวกับผ่านปริซึมก็แตกออกเป็นเจ็ดสี คุณอาจรู้บรรทัดเหล่านี้: นักล่าทุกคนอยากรู้ว่าไก่ฟ้าอยู่ที่ไหน ที่ซ่อนอยู่ในประโยคเหล่านี้ ความหมายลึกซึ้ง- สีเหล่านี้เป็นตัวแทนของสีหลักในสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้

ข้าว. 3. สเปกตรัมของแสงสีขาว

แน่นอนว่าการแสดงให้เห็นตามธรรมชาติที่ดีที่สุดของสเปกตรัมนี้ก็คือรุ้งกินน้ำ

ข้าว. 4 สเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้

แสงที่มองเห็นได้คือ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีคลื่นอยู่ ความยาวที่แตกต่างกัน- ใช่และไม่ใช่ แสงที่มองเห็นได้ตาของเราก็ไม่รับรู้มัน เหล่านี้คือรังสีอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรด เราไม่เห็นเพราะว่ายาวไปหรือสั้นไป การมองเห็นแสงหมายถึงการรับรู้สีของมัน แต่สีที่เราเห็นนั้นขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น คลื่นที่มองเห็นได้ยาวที่สุดคือสีแดง และคลื่นที่สั้นที่สุดคือสีม่วง

ความสามารถของแสงในการกระเจิงซึ่งก็คือการแพร่กระจายในตัวกลางนั้นขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นด้วย สีแดง คลื่นแสงกระจายสิ่งที่เลวร้ายที่สุด แต่มีสีฟ้าและสีม่วง ความสามารถสูงเพื่อการกระจายตัว

ข้าว. 5. ความสามารถในการกระเจิงแสง

และสุดท้าย เราก็ใกล้จะได้คำตอบสำหรับคำถามของเราแล้ว ทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า? ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น สีขาว- เป็นส่วนผสมของทุกคน สีที่เป็นไปได้- เมื่อมันชนกับโมเลกุลของก๊าซ องค์ประกอบแต่ละสีของแสงสีขาวทั้งเจ็ดสีจะกระจัดกระจาย ในกรณีนี้ แสงที่มีคลื่นยาวจะกระเจิงได้แย่กว่าแสงที่มีคลื่นสั้น ด้วยเหตุนี้ สเปกตรัมสีน้ำเงินจึงยังคงอยู่ในอากาศมากกว่าสีแดงถึง 8 เท่า แม้ว่าคลื่นจะสั้นที่สุดก็ตาม สีม่วงท้องฟ้ายังคงปรากฏเป็นสีฟ้าเนื่องจากมีคลื่นสีม่วงและสีเขียวผสมกัน นอกจากนี้ ดวงตาของเรายังรับรู้สีน้ำเงินได้ดีกว่าสีม่วง เนื่องจากทั้งคู่มีความสว่างเท่ากัน ข้อเท็จจริงเหล่านี้เป็นตัวกำหนดโทนสีของท้องฟ้า: บรรยากาศเต็มไปด้วยรังสีสีฟ้า - น้ำเงินอย่างแท้จริง

อย่างไรก็ตาม ท้องฟ้าก็ไม่ใช่สีฟ้าเสมอไป ในตอนกลางวันเราเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้า ฟ้า เทา ตอนเย็นเป็นสีแดง (ภาคผนวก 1)ทำไมพระอาทิตย์ตกถึงเป็นสีแดง? ในช่วงพระอาทิตย์ตก ดวงอาทิตย์จะเข้าใกล้ขอบฟ้าและ แสงตะวันพุ่งตรงไปยังพื้นผิวโลกไม่ใช่แนวตั้งเหมือนในเวลากลางวัน แต่เป็นมุมหนึ่ง ดังนั้นเส้นทางที่ใช้ผ่านชั้นบรรยากาศจึงมีมาก นอกจากนี้ที่เกิดขึ้นในตอนกลางวันที่ดวงอาทิตย์อยู่สูง ด้วยเหตุนี้ สเปกตรัมสีน้ำเงิน-น้ำเงินจึงถูกดูดซับในชั้นบรรยากาศก่อนที่จะมาถึงโลก และคลื่นแสงที่ยาวกว่าของสเปกตรัมสีแดงจะไปถึงพื้นผิวโลก ทำให้ท้องฟ้าเป็นโทนสีแดงและสีเหลือง การเปลี่ยนแปลงสีของท้องฟ้ามีความสัมพันธ์อย่างชัดเจนกับการหมุนของโลกรอบแกนของมัน และมุมตกกระทบของแสงบนโลกด้วย

2.2. ด้านการปฏิบัติ วิธีทดลองในการแก้ปัญหา

ในชั้นเรียนฟิสิกส์ ฉันคุ้นเคยกับอุปกรณ์สเปกโตรกราฟ ครูสอนฟิสิกส์ Vasily Aleksandrovich เล่าหลักการทำงานของอุปกรณ์นี้ให้ฉันฟัง หลังจากนั้นฉันก็ทำการทดลองที่เรียกว่าการกระจายตัวอย่างอิสระ รังสีสีขาวที่ผ่านปริซึมจะหักเหและเราเห็นรุ้งบนหน้าจอ (ภาคผนวก 2)ประสบการณ์นี้ช่วยให้ฉันเข้าใจว่าธรรมชาติอันน่าอัศจรรย์นี้ปรากฏบนท้องฟ้าได้อย่างไร ด้วยความช่วยเหลือของสเปกโตรกราฟ นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันสามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบและคุณสมบัติของสารต่างๆ

รูปที่ 1. การสาธิตประสบการณ์การกระจายตัวใน

ห้องฟิสิกส์

ฉันอยากมีสายรุ้งที่บ้าน Larisa Borisovna ครูสอนภูมิศาสตร์ของฉันบอกฉันว่าต้องทำอย่างไร สเปกโตรกราฟแบบอะนาล็อกคือภาชนะแก้วที่มีน้ำ กระจก ไฟฉาย และกระดาษสีขาว วางกระจกไว้ในภาชนะที่มีน้ำแล้ววางกระดาษสีขาวไว้ด้านหลังภาชนะ เราเล็งแสงจากไฟฉายไปที่กระจกเพื่อให้แสงสะท้อนตกบนกระดาษ สายรุ้งปรากฏบนกระดาษอีกครั้ง! (ภาคผนวก 3)ควรทำการทดลองในห้องมืดจะดีกว่า

เราได้กล่าวไปแล้วข้างต้นว่าแสงสีขาวประกอบด้วยสีรุ้งทั้งหมดอยู่แล้ว คุณสามารถมั่นใจได้ในสิ่งนี้และรวบรวมสีทั้งหมดกลับเป็นสีขาวโดยทำท็อปสายรุ้ง (ภาคผนวก 4)หากคุณหมุนแรงเกินไป สีจะผสานกันและจานจะกลายเป็นสีขาว

ถึงอย่างไรก็ตาม คำอธิบายทางวิทยาศาสตร์การก่อตัวของรุ้งกินน้ำ ปรากฏการณ์นี้ยังคงเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ทางแสงลึกลับในชั้นบรรยากาศ ดูและสนุก!

3. บทสรุป

ในการค้นหาคำตอบสำหรับคำถามที่ผู้ปกครองถามบ่อย คำถามของเด็ก“ทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า” ฉันได้เรียนรู้สิ่งที่น่าสนใจและให้คำแนะนำมากมาย ความขัดแย้งในสมมติฐานของเราในปัจจุบันมีคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์:

ความลับทั้งหมดอยู่ในสีของท้องฟ้าในชั้นบรรยากาศของเรา-ใน ซองอากาศดาวเคราะห์โลก

รังสีดวงอาทิตย์สีขาวผ่านชั้นบรรยากาศแตกออกเป็นรังสีเจ็ดสี

รังสีสีแดงและสีส้มจะยาวที่สุด และรังสีสีน้ำเงินจะสั้นที่สุด

รังสีสีน้ำเงินมาถึงโลกน้อยกว่ารังสีอื่นๆ และด้วยรังสีเหล่านี้ ท้องฟ้าจึงเต็มไปด้วยสีฟ้า

ท้องฟ้าไม่ได้เป็นสีฟ้าเสมอไปและนี่ก็เนื่องมาจาก การเคลื่อนที่ตามแนวแกนโลก.

จากการทดลอง เราสามารถเห็นภาพและเข้าใจว่าการกระจายตัวเกิดขึ้นในธรรมชาติได้อย่างไร บน ชั่วโมงเรียนที่โรงเรียน ฉันบอกเพื่อนร่วมชั้นว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า เป็นเรื่องน่าสนใจที่จะทราบว่าเราสามารถสังเกตปรากฏการณ์การกระจายตัวในตัวเราได้ที่ไหน ชีวิตประจำวัน- ฉันพบหลายอัน พื้นที่ปฏิบัติการประยุกต์ใช้สิ่งนี้ ปรากฏการณ์ที่ไม่เหมือนใคร (ภาคผนวก 5)ในอนาคตฉันอยากจะศึกษาท้องฟ้าต่อไป มันมีความลึกลับอีกกี่เรื่อง? ปรากฏการณ์อื่นใดที่เกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศและธรรมชาติของพวกมันคืออะไร? สิ่งเหล่านี้ส่งผลต่อมนุษย์และทุกชีวิตบนโลกอย่างไร? บางทีนี่อาจเป็นหัวข้อการวิจัยของฉันในอนาคต

อ้างอิง

1. Wikipedia - สารานุกรมเสรี

2. แอล.เอ. มาลิโควา. คู่มืออิเล็กทรอนิกส์ในวิชาฟิสิกส์ "ทัศนศาสตร์เรขาคณิต"

3. Peryshkin A.V. ฟิสิกส์. ชั้นประถมศึกษาปีที่ 9 หนังสือเรียน. อ.: อีแร้ง, 2014, หน้า 202-209

4.htt;/www. voprosy-kak-ipochemu.ru

5. เก็บภาพส่วนตัว “Sky over Golyshmanovo”

ภาคผนวก 1

"ท้องฟ้าเหนือ Golyshmanovo"(เก็บภาพส่วนตัว)

ภาคผนวก 2

การกระจายแสงโดยใช้สเปกโตรกราฟ

ภาคผนวก 3

การกระจายแสงที่บ้าน

"รุ้ง"

ภาคผนวก 4

ท็อปสีรุ้ง

ด้านบนที่เหลือ ด้านบนในการหมุน

ภาคผนวก 5

การเปลี่ยนแปลงในชีวิตมนุษย์

Diamond Lights บนเครื่องบิน

ไฟหน้ารถ

ป้ายสะท้อนแสง