Световые явления в атмосфере


В этой статье речь пойдет о том, как солнечный луч проникает сквозь атмосферу, какие превращения он испытывает по пути, встречая молекулы воздуха, капли и кристаллы облаков и осадков. Мы не будем здесь говорить о тепле, приносимом нам солнечными лучами, ему была посвящена предыдущая статья этой книги. Нас интересуют сейчас лишь видимые лучи Солнца, только те превращения солнечного света, которые заметны нашему глазу.

 

ДНЕВНАЯ ОСВЕЩЕННОСТЬ

Все знают, что дневной свет идет от Солнца, но не все представ-ют себе отчетливо, почему днем бывает светло даже и тогда, когда Солнце скрыто за плотными, густыми облаками. Утром «светает» даже тогда, когда Солнце восходит за темными тучами или скрыто от нас высокими горами, днем свет проникает во все окна наших комнат, в том числе и в те, которые обращены на север. Очевидно, что дневная освещенность происходит от лучей Солнца — либо от тех, которые падают прямо от него, либо от тех, которые рассеиваются облаками или небом. От знания законов освещенности зависит очень многое в нашей жизни: и архитектура домов, в которых мы хотим иметь светлые комнаты, и планировка городов, и искусство фотографа, и наша способность видеть окружающие предметы, и многое другое.

Дневной свет, идущий от Солнца, играет еще одну роль, о которой не каждый имеет представление. Если атмосфера не вполне чиста, если в ней плавает легкий туман, то капельки тумана тоже освещаются Солнцем. Чем ярче это освещение, тем более ярко белым будет казаться сам туман и тем труднее будет сквозь него наблюдать далекие предметы, особенно если они и сами плохо освещены Солнцем. Этот пример свидетельствует о том, что видимость далеких предметов зависит не только от их собственных размеров или остроты нашего зрения, но и от освещенности того воздуха, который находится между ними и наблюдающим их человеком. Такие два на первый взгляд различных явления, как видимость и освещенность, на самом деле тесно зависят друг от друга.

Пробежав всего за 8 минут те 150 000 000 километров, которые отделяют нас от Солнца, луч света проникает в атмосферу Земли. Сначала он попадает в верхние, самые разреженные ее алой. Здесь немногочисленные частицы — атомы и молекулы газов воздуха свободно движутся. Расстояние между ними столь велико, что они весьма редко сталкиваются. Эту часть атмосферы солнечный луч проходит почти беспрепятственно. Углубляясь в ее толщу, он встречает все более плотный воздух, и тут на его пути все чаще встречаются молекулы кислорода, азота и других газов. Эти встречи уже не проходят для него бесследно.

Представим себе, что на совершенно спокойной поверхности озера плавает деревянный кораблик. Где-то поблизости бросают в воду камень; от места его падения расходятся по воде «круги» — волны. Когда волна достигнет куска дерева, она приведет его в движение; теперь качающийся вверх и вниз кораблик сам становится источником новых волн — колебаний, которые расходятся от него во все стороны, накладываясь на первые волны (рис. 1).

То же самое происходит и тогда, когда световой луч встречает па своем пути частицу вещества — молекулу газа, капельку тумана или пылинку. Здесь происходит явление рассеяния света, о котором вы уже читали в предыдущей главе.

Световой луч представляет собой электромагнитную волну, которая сходна с волной, посылаемой радиостанцией: и та и другая распространяются с огромной скоростью — 300 000 километров в секунду. Разница между ними в длине волны. В то время как радиоволны имеют длину от нескольких тысяч метров до нескольких метров (а современные радиопередатчики иногда работают на волнах длиной и в несколько сантиметров), видимые световые волны имеют длину от 0,0004 (фиолетовые лучи) до 0,00075 миллиметра (красные лучи).

Когда световой луч падает на молекулу воздуха или частицу пыли, то эта частица, подобно кусочку дерева в приведенном нами примере, приходит в колебание и сама начинает испускать во все стороны свет.

Вам, конечно, приходилось наблюдать, как в темную комнату сквозь щелку закрытых ставней или неплотно затянутые шторы проникает луч света. Растянувшись от окна и падая на частицы пыли в воздухе, луч света представляется нашему взору широкой полоской пляшущих пылинок. Они ярко светят, словно маленькие звездочки. Каждая пылинка рассеивает упавший на нее свет во все стороны, и мы ее видим, как яркую точку, с какой бы стороны на нее ни посмотрели.

Рассеяние будет происходить по-разному, если свет рассеивает молекула, то есть очень малая частица, или, например, гораздо более крупная капелька воды в облаке или тумане.

Молекулы газов воздуха — кислорода и азота — очень малы по своим размерам: их диаметр около 0,0000003 миллиметра. Эта молекула, следовательно, очень мала по сравнению с длиной световой волны — ее диаметр в 1000 раз меньше длины самой короткой волны, доходящей до нас от Солнца. Поэтому световая волна колеблет ее так, как волна на озере колеблет кораблик, о котором мы говорили выше.

Около 80 лет назад английский физик Рэлей рассчитал теоретически, как должна рассеивать свет такая малая частица. Он показал, что она должна посылать во все стороны лучи такой же длины волны, то есть того же цвета, какие на нее падают; это свойство рассеянного света очевидно. Более интересно второе свойство рассеянного света. Если на частицу падает одинаковое количество, например, красных и синих лучей, то она рассеивает гораздо больше (примерно в 8 раз) синих лучей, чем красных. Мы знаем, что белый солнечный луч — это смесь лучей всех цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Из них, по закону Рэлея, каждый последующий более подвержен рассеянию, чем предыдущий. В результате воздух, освещенный белым солнечным лучом, будет казаться голубоватым, если его рассматривать сбоку. В свете, который разбрасывают в разные стороны молекулы воздуха, очень мало красных лучей и много голубых и синих.

Так объясняется голубой цвет неба. Если мы смотрим на небесный свод вдали от Солнца, то молекулы воздуха, которые мы должны были бы увидеть в этой стороне, освещены как бы сбоку: мы видим рассеянный свет — голубой цвет. Когда Солнце заходит, голубая окраска неба пропадает. О том, как объяснить голубой цвет неба, ученые много веков спорили между собой.

В XVI веке знаменитый художник Леонардо да Винчи писал: «Светлое перед темным кажется голубым, и тем красивее, чем больше разница между светлым и темным», и считал, что цвет неба — результат свойства нашего зрения, придающего освещенному воздуху на фоне темного мирового пространства голубой оттенок.

Многие ученые думали, что воздух сам по себе имеет голубой цвет — подобно, например, раствору голубой краски. Это стало казаться еще более правдоподобным, когда выяснилось, что жидкий кислород, сгущенный при температуре около минус 190 градусов, имеет голубой цвет, а жидкий озон — ярко-синий. Но если бы это объяснение годилось, то все звезды, и Солнце в том числе, казались бы нам голубоватыми, и тем синее, чем ближе они спускались бы к горизонту. На самом же деле перед заходом Солнце кажется оранжевым или даже красноватым.

Было очень много и других объяснений голубого цвета неба, но мы о них не будем говорить. Мы знаем уже истинную причину — рассеяние света. Но рассеяние это далеко не всегда проходит одинаково.

Если мы поднимемся на высокую гору, то легко заметим, что небо в зените, над головой, будет казаться более глубоким и синим. При высотных подъемах на самолетах и стратостатах аэронавты всегда отмечали, что небо с высоты 15—20 километров кажется фиолетово-синим. При подъеме стратостата «Осоавиахим-1» в 1934 году сохранились записи наблюдателей о цвете неба: на высоте 21 600 метров они отметили, что небо было черно-синее или серое.

На такой большой высоте над головами наблюдателей была столь малая масса воздуха, что он мог рассеивать только очень слабый свет, голубая окраска почти уступила место темноте.

Голубой свет, рассеиваемый воздухом, легко видеть, даже не смотря па небо. Посмотрите на далекие горы, и вы заметите, что они видны как бы сквозь голубоватую дымку. И эта дымка тем ярче, чем горы дальше. Художники называют это явление воздушной перспективой и охотно пользуются ею в тех случаях, когда им нужно показать на картине даль.

Горы, изображенные на заднем плане пейзажа и окутанные голубоватой дымкой, кажутся нам далекими. Чтобы показать, что одна цепь холмов находится гораздо дальше, чем другая, художники покрывают первую из них более плотной вуалью голубоватого тумана: это как раз то, что Леонардо да Винчи назвал «светлым перед темным».

Совершенно по-иному обстоит дело, когда рассматриваешь далекий светлый предмет, например снежные горы. Белый луч света, идущий от далеких сверкающих вершин, на своем пути в атмосфере тоже испытывает рассеяние. Если в стороны рассеиваются сильнее голубые и фиолетовые лучи, то, очевидно, в прямом луче остается больше желтых и оранжевых, поэтому снежные горы издали кажутся желтоватыми.

Воздушная дымка кажется, таким образом, голубоватой в боковом рассеянном свете и желтоватой — в прямом, проходящем. Такая дымка в метеорологии иногда называется опалесцирующим помутнением — от слова опал (драгоценный камень изменчивой радужной окраски). Но эти цвета возникают только тогда, когда свет рассеивается молекулами воздуха, но не каплями воды и не частицами пыли и тумана. Вот почему голубая дымка видна только при очень чистом воздухе. Дальше мы расскажем о том, как более крупные частицы пыли или капельки, из которых состоит туман, рассеивают почти одинаково лучи всех цветов и рассеянный свет оказывается таким же белым, как и падающий; поэтому и пыльная мгла и туман нам кажутся беловатыми.

Если в туманный вечер вы поглядите на уходящий вдаль ряд уличных фонарей, то свет более далеких фонарей покажется вам оранжевым, а самых далеких— красным; зеленые же и голубые лучи теряются по пути из-за рассеяния света.

Полтораста лет тому назад швейцарский метеоролог и исследователь гор Соссюр построил прибор для определения насыщенности голубого цвета неба. Он назвал этот прибор цианометром от греческого слова «цианос» — «голубой». Соссюр устроил шкалу из 51 бумажной полоски, окрашенной в различные оттенки — от белого до иссиня-черного.

Прежде всего Соссюр определил цвет неба из долины; так, например, в Женеве в полдень небо в зените было почти 23-го оттенка. В августе 1787 года Соссюр поднялся на высочайшую вершину Альп — Монблан. Он хотел, как он выразился, «унести с собой отсюда образчик неба Монблана». С помощью шкалы цианометра ученый определил, что небо на вершине Монблана — на высоте 4810 метров — было 39-го оттенка, самого темного, какой он только видел в горах Швейцарии.

Самым интересным в наблюдениях Соссюра было, однако, не это. Соссюру удалось сравнить с помощью цианометра цвет неба в зените и у горизонта. Так, 15 июля 1788 года, наблюдая за небом вблизи Монблана, с перевала Коль дю Жеан, он нашел, что у горизонта небо было 11-го оттенка, на высоте 10 градусов над горизонтом—20-го оттенка, на высоте 40 градусов и до самого зенита — 37-го оттенка. Таким образом, прибор подтвердил наблюдения, сделанные неоднократно и невооруженным глазом, что небо у горизонта всегда имеет беловатый оттенок, а в зените — наиболее темно-голубой.

Позднее Соссюр показал, что в долине, в Женеве, небо у горизонта было 4-го оттенка, то есть еще более белым, чем при наблюдении с Коль дю Жеан.

Почему же в зените рассеянный свет неба голубой, а у горизонта почти белый? Очевидно, рассеивающие частицы, которые мы наблюдаем у зенита и у горизонта, неодинаковы.

Как должны рассеивать свет сравнительно крупные частицы пыли или капельки воды? Какую роль будут при этом играть капли тумана, которые мы можем измерить под микроскопом и радиус которых равен 0,005 — 0,01 миллиметра? Эти капли, очевидно, во много тысяч раз больше молекул газов.

Теорию такого рассеяния света впервые подробно разработал академик В. В. Шулейкин. Он поставил перед собой задачу — объяснить голубой цвет моря и его разнообразные оттенки — от густосинего цвета Черного моря до серо-зеленоватой окраски арктических морей. Шулейкин, таким образом, решал несколько иную задачу, чем та, которая интересовала нас до сих пор. Он изучал рассеяние света пузырьками воздуха, включенными в морскую воду. Но формулы, полученные Шулейкиным, пригодны и для расчета рассеяния света капельками воды, находящимися в воздухе.

Прежде всего оказалось, что такие сравнительно крупные частицы рассеивают свет неодинаково вперед и назад; на рис. 2 вы увидите диаграмму, отображающую это явление. Она носит название индикатрисы рассеяния. Предположим, что на частицу А падает луч Солнца. Тогда можно изобразить большую или меньшую яркость света, посылаемого частицей в том или другом направлении, стрелкой большей или меньшей длины. Так получается диаграмма. Она построена для капли радиусом около 0,008 миллиметра и показывает, что вдоль направления падающего луча капля рассеивает в 17 раз больше света, чем в обратном направлении.

Наблюдатель стоит на открытом месте, и лучи Солнца падают справа, как указывают черные стрелки. Вокруг в воздухе плавают капли АI, АII, AIII (около каждой нарисована индикатриса), тогда капелька АІІ, видимая вблизи Солнца, будет казаться наблюдателю очень яркой (на него направлен длинный луч индикатрисы). Если он и не увидит каждую каплю в отдельности, то увидит около Солнца светлый ореол из света, рассеянного множеством таких капель. Другими словами, вблизи Солнца атмосферная дымка будет наиболее светлой и яркой. Наоборот, капли АІ и АІІІ, видимые вдали от Солнца, пошлют глазу мало света и воздух в этом месте неба будет казаться более темным.