Hvorfor er himmelen forskjellige farger? Hvorfor er solnedgangen rød da? Så hvorfor er himmelen blå

Glede å se og forstå
er naturens vakreste gave.
Albert Einstein

Mystery of the Sky Blue

Hvorfor er himmelen blå?...

Det er ingen slik person som ikke har tenkt på dette minst en gang i livet. Middelalderske tenkere prøvde å forklare opprinnelsen til himmelens farge. Noen av dem antydet at blått var den sanne fargen på luft eller noen av dens gasser. Andre mente det ekte farge himmelen er svart - slik den ser ut om natten. I løpet av dagen legges den svarte fargen på himmelen til det hvite - solens stråler, og det viser seg ... blått.

Nå vil du kanskje ikke møte en person som, som ønsker å få blå maling, vil blande svart og hvitt. Og det var en tid da lovene for å blande farger fortsatt var uklare. De ble installert for bare tre hundre år siden av Newton.

Newton ble også interessert i mysteriet med den asurblå himmelen. Han begynte med å avvise alle tidligere teorier.

For det første, hevdet han, danner en blanding av hvitt og svart aldri blått. For det andre er blått ikke den sanne fargen på luften i det hele tatt. Hvis dette var tilfelle, ville ikke solen og månen ved solnedgang virke røde, slik de egentlig er, men blå. Toppene av fjerne snødekte fjell ville ha sett slik ut.

Tenk deg at luften er farget. Selv om den er veldig svak. Da ville et tykt lag av det virke som farget glass. Og hvis du ser gjennom farget glass, vil alle gjenstander ha samme farge som dette glasset. Hvorfor virker fjerne snødekte topper rosa for oss, og ikke blå i det hele tatt?

I en tvist med sine forgjengere var sannheten på Newtons side. Han beviste at luften ikke er farget.

Men likevel løste han ikke gåten om den asurblå himmelen. Han ble forvirret av regnbuen, et av de vakreste, poetiske naturfenomenene. Hvorfor dukker det plutselig opp og forsvinner like plutselig? Newton kunne ikke være fornøyd med den rådende overtroen: en regnbue er et tegn ovenfra, det varsler godt vær. Han søkte å finne den materielle årsaken til hvert fenomen. Han fant også årsaken til regnbuen.

En regnbue er resultatet av lysbrytningen i regndråper. Når han innså dette, var Newton i stand til å beregne formen på regnbuen og forklare sekvensen av farger i regnbuen. Teorien hans kunne ikke forklare bare forekomsten av en dobbel regnbue, men det var ikke mulig å gjøre dette før tre århundrer senere ved hjelp av en svært kompleks teori.

Suksessen til regnbueteorien fascinerte Newton. Han konkluderte feilaktig at den blå fargen på himmelen og regnbuen skyldtes samme årsak. En regnbue blusser virkelig opp når solstrålene bryter gjennom en sverm av regndråper. Men himmelens blåhet er synlig ikke bare i regnet! Tvert imot er det i klarvær, når det ikke en gang er snev av regn, at himmelen er spesielt blå. Hvordan la ikke den store vitenskapsmannen merke til dette? Newton mente at de minste vannboblene, som ifølge hans teori kun utgjør den blå delen av regnbuen, svever i luften i all slags vær. Men dette var en vrangforestilling.

Første avgjørelse

Nesten 200 år har gått, og en annen engelsk vitenskapsmann, Rayleigh, tok opp dette problemet, uten å være redd for at selv den store Newton var utenfor oppgavens makt.

Rayleigh studerte optikk. Og mennesker som har viet livet sitt til studiet av lys, tilbringer mye tid i mørket. Uvedkommende lys forstyrrer de mest subtile eksperimentene, så vinduene i det optiske laboratoriet er nesten alltid dekket med svarte, ugjennomtrengelige gardiner.

Rayleigh forble alene i timevis i det dystre laboratoriet sitt med lysstråler som slapp ut av instrumentene. I strålenes bane virvlet de som levende støvpartikler. De var sterkt opplyst og skilte seg derfor ut mot en mørk bakgrunn. Forskeren, kanskje i lang tid i tanker, fulgte deres jevne bevegelser, akkurat som en person ser på gnistene i en peis.

Var det ikke disse støvpartiklene som danset i lysstrålene som foreslo Rayleigh en ny idé om opprinnelsen til himmelfargen?

Selv i gamle tider ble det kjent at lys forplanter seg i en rett linje. Denne viktige oppdagelsen kunne ha blitt gjort av en primitiv mann, som så hvordan solstrålene faller på veggene og gulvet, bryter gjennom sprekkene i en hytte.

Men han ble knapt plaget av tanken på hvorfor han ser lysstråler, ser på dem fra siden. Og her er det noe å tenke på. Tross alt, sol lyset kommer stråle fra sprekken til gulvet. Observatørens øye er plassert til side og ser likevel dette lyset.

Vi ser også lyset fra et søkelys rettet mot himmelen. Dette betyr at en del av verden på en eller annen måte er avviket fra direkte vei og går til øyet vårt.

Hva får ham til å svinge av stien? Det viser seg at de samme støvpartiklene som fyller luften. Stråler spredt av en støvflekk kommer inn i øyet vårt, som møter hindringer, svinger av veien og forplanter seg i en rett linje fra spredningsflekken til øyet vårt.

"Er disse støvpartiklene som farger himmelen blå?" tenkte Rayleigh en dag. Han gjorde regnestykket, og anelsen ble til visshet. Han fant en forklaring på den blå fargen på himmelen, røde daggry og blå dis! Vel, selvfølgelig, de minste støvpartiklene, hvis dimensjoner er mindre enn lysets bølgelengde, sprer sollys og jo sterkere jo kortere bølgelengden, kunngjorde Rayleigh i 1871. Og siden fiolette og blå stråler i det synlige solspekteret har kortest bølgelengde, sprer de seg sterkest, og gir himmelen en blå farge.

Solen og de snødekte toppene fulgte Rayleighs beregning. De bekreftet til og med teorien til forskeren. Ved soloppgang og solnedgang, når sollys passerer gjennom den største tykkelsen av luften, spres fiolette og blå stråler, sier Rayleighs teori, sterkest. Samtidig avviker de fra den direkte banen og faller ikke inn i observatørens øyne. Observatøren ser hovedsakelig røde stråler, som sprer seg mye svakere. Derfor, ved soloppgang og solnedgang, fremstår solen som rød for oss. Av samme grunn ser også toppene i fjerne snødekte fjell rosa ut.

Ser vi på den klare himmelen, ser vi blå-blå stråler, som avviker på grunn av spredning fra rettlinjet bane og komme inn i øynene våre. Og disen som vi noen ganger ser nær horisonten virker også blå for oss.

Irriterende bagatell

Er ikke det en vakker forklaring? Rayleigh selv ble så revet med av det, forskerne ble så overrasket over harmonien i teorien og Rayleighs seier over Newton, at ingen av dem la merke til en enkel ting. Og denne bagatellen burde imidlertid ha endret deres vurdering fullstendig.

Hvem vil benekte at borte fra byen, hvor det er mye mindre støv i luften, er den blå fargen på himmelen spesielt klar og lys? Det var vanskelig for Rayleigh selv å benekte dette. Så... sprer ikke støvpartikler lys? Hva så?

Han reviderte igjen alle beregningene sine og sørget for at ligningene hans var riktige, men dette betyr at støvpartikler egentlig ikke er spredende partikler. I tillegg er støvpartiklene som er tilstede i luften mye større enn lysets bølgelengde, og Rayleighs beregninger overbeviste Rayleigh om at en stor ansamling av dem ikke forsterker himmelens blåhet, men tvert imot svekker den. Spredning av lys av store partikler avhenger svakt av bølgelengden og forårsaker derfor ikke en endring i fargen.

Når lyset spres av store partikler, forblir både det spredte og transmitterte lyset hvitt, så utseendet av store partikler i luften gir himmelen en hvitaktig farge, og akkumulering av et stort antall store dråper forårsaker hvit farge skyer og tåke. Dette er enkelt å sjekke på en vanlig sigarett. Røyken som kommer ut av den fra siden av munnstykket virker alltid hvitaktig, og røyken som stiger opp fra den brennende enden har en blåaktig farge.

De minste røykpartiklene som stiger opp fra den brennende enden av en sigarett er mindre enn lysets bølgelengde, og i samsvar med Rayleighs teori sprer de hovedsakelig fiolett og blått. Men når de passerer gjennom trange kanaler i tykkelsen av tobakk, kleber røykpartikler seg sammen (koagulerer), og forenes til større klumper. Mange av dem blir større enn lysets bølgelengder, og de sprer alle lysets bølgelengder omtrent likt. Derfor virker røyken som kommer fra siden av munnstykket hvitaktig.

Ja, det var nytteløst å argumentere og forsvare en teori basert på støvpartikler.

Så mysteriet med den blå fargen på himmelen oppsto igjen for forskere. Men Rayleigh ga ikke opp. Hvis den blå fargen på himmelen er desto mer ren og lys, jo renere atmosfæren er, resonnerer han, så kan ikke himmelfargen skyldes noe annet enn selve luftens molekyler. Luftmolekyler, skrev han i sine nye artikler, er de minste partiklene som sprer sollyset!

Rayleigh var veldig forsiktig denne gangen. Før han rapporterte sin nye idé, bestemte han seg for å teste den, på en eller annen måte sjekke teorien med erfaring.

Sjansen bød seg i 1906. Rayleigh fikk hjelp av den amerikanske astrofysikeren Abbott, som studerte himmelens blå glød ved observatoriet på Mount Wilson. Ved å behandle resultatene av å måle lysstyrken til himmelgløden på grunnlag av Rayleigh-spredningsteorien, beregnet Abbott antall molekyler i hver kubikkcentimeter luft. Det viste seg å være et enormt antall! Det er nok å si at hvis du distribuerer disse molekylene til alle mennesker som bor på kloden, vil alle få mer enn 10 milliarder av disse molekylene. Kort sagt fant Abbott at hver kubikkcentimeter luft ved normal atmosfærisk temperatur og trykk inneholdt 27 milliarder ganger en milliard molekyler.

Antall molekyler i en kubikkcentimeter av en gass kan bestemmes forskjellige måter på grunnlag av helt andre og uavhengige fenomener. Alle av dem fører til tett samsvarende resultater og gir et tall kalt Loschmidt-nummeret.

Dette tallet er velkjent for forskere, og mer enn en gang fungerte det som et mål og kontroll for å forklare fenomenene som oppstår i gasser.

Og nå falt tallet som Abbed fikk ved måling av himmelens glød sammen med Loschmidts tall med stor nøyaktighet. Men han brukte Rayleigh-spredningsteorien i sine beregninger. Dermed beviste det klart at teorien er riktig, at molekylær spredning av lys eksisterer.

Det så ut til at Rayleighs teori ble pålitelig bekreftet av erfaring; alle lærde anså det som upåklagelig.

Den ble universelt anerkjent og kom inn i alle lærebøker i optikk. Det var mulig å puste lett: endelig ble det funnet en forklaring på fenomenet – så kjent og samtidig mystisk.

Det er desto mer overraskende at spørsmålet i 1907 igjen ble reist på sidene til et kjent vitenskapelig tidsskrift: hvorfor er himmelen blå?!

Tvist

Hvem våget å stille spørsmål ved den allment aksepterte Rayleigh-teorien?

Merkelig nok var det en av de mest ivrige fansen og beundrerne av Rayleigh. Kanskje ingen satte like stor pris på og forsto Rayleigh, kjente ikke arbeidet hans så godt, var ikke interessert i hans vitenskapelige arbeid som den unge russiske fysikeren Leonid Mandelstam.

- I tankene til Leonid Isaakovich, - husket senere en annen sovjetisk vitenskapsmann, akademiker N.D. Papaleksi - hadde mye til felles med Rayleigh. Og det er ingen tilfeldighet at deres måter vitenskapelig kreativitet gikk ofte parallelt og krysset gjentatte ganger.

De krysset seg denne gangen, i spørsmålet om opprinnelsen til himmelfargen. Før dette var Mandelstam hovedsakelig glad i radioteknikk. For begynnelsen av vårt århundre var dette et helt nytt vitenskapsfelt, og få mennesker forsto det. Etter oppdagelsen av A.S. Popov (i 1895), bare noen få år hadde gått, og det var uendelig mye arbeid. I løpet av en kort periode utførte Mandelstam mye seriøs forskning innen elektromagnetiske oscillasjoner i forhold til radiotekniske enheter. I 1902 disputerte han og i en alder av tjuetre tok han doktorgrad. naturfilosofi Strasbourg universitet.

Mandelstam behandlet spørsmålene om eksitasjon av radiobølger, og studerte naturligvis verkene til Rayleigh, som var en anerkjent autoritet i studien oscillerende prosesser. Og den unge legen ble ufrivillig kjent med problemet med å farge himmelen.

Men etter å ha blitt kjent med problemet med å farge himmelen, viste Mandelstam ikke bare feilslutningen, eller, som han selv sa, "mangeligheten" til den allment anerkjente Rayleigh-teorien om molekylær lysspredning, avslørte ikke bare hemmeligheten bak det blå. fargen på himmelen, men la også grunnlaget for forskning som førte til en av de viktigste oppdagelsene innen fysikk på 1900-tallet.

Det hele startet med en disputt in absentia med en av de største fysikerne, far kvanteteori, M. Planck. Da Mandelstam ble kjent med Rayleighs teori, fanget hun ham med sin tilbakeholdenhet og interne paradokser, som, til den unge fysikerens overraskelse, den gamle, svært erfarne Rayleigh ikke la merke til. Mangelen på Rayleighs teori ble spesielt tydelig avslørt i analysen av en annen teori bygget på dens grunnlag av Planck for å forklare dempningen av lys når det passerer gjennom et optisk homogent gjennomsiktig medium.

I denne teorien ble det lagt til grunn at molekylene til stoffet som lyset passerer er kildene til sekundære bølger. For å skape disse sekundære bølgene, hevdet Planck, brukes en del av energien til den passerende bølgen, som deretter svekkes. Vi ser at denne teorien er basert på Rayleigh-teorien om molekylær spredning og er avhengig av dens autoritet.

Den enkleste måten å forstå essensen av saken er å vurdere bølgene på overflaten av vannet. Hvis en bølge møter stasjonære eller flytende objekter (hauger, tømmerstokker, båter osv.), så sprer seg små bølger i alle retninger fra disse objektene. Dette er ikke annet enn spredning. En del av energien til den innfallende bølgen brukes på eksitering av sekundære bølger, som er ganske analoge med spredt lys i optikk. I dette tilfellet er den første bølgen svekket - den forfaller.

Flytende gjenstander kan være mye mindre enn bølgelengden som beveger seg gjennom vann. Selv små korn vil forårsake sekundære bølger. Selvfølgelig, ettersom størrelsen på partiklene avtar, svekkes sekundærbølgene de danner, men de vil fortsatt ta energien til hovedbølgen.

Slik forestilte Planck seg prosessen med å svekke en lysbølge når den passerer gjennom en gass, men rollen til korn i hans teori ble spilt av gassmolekyler.

Mandelstam ble interessert i dette arbeidet til Planck.

Mandelstams tankegang kan også forklares ved å bruke eksemplet med bølger på vannoverflaten. Du må bare vurdere det mer nøye. Så selv små korn som flyter på overflaten av vannet er kilder til sekundære bølger. Men hva skjer hvis du heller disse kornene så tykt at de dekker hele overflaten av vannet? Da vil det vise seg at de enkelte sekundærbølgene, forårsaket av tallrike korn, vil legge seg sammen på en slik måte at de fullstendig slukker de delene av bølgene som går til sidene og bakover, og spredningen vil stoppe. Det vil bare være en bølge som løper fremover. Hun vil løpe fremover uten å svekkes i det hele tatt. Det eneste resultatet av tilstedeværelsen av hele massen av korn vil være en viss reduksjon i forplantningshastigheten til primærbølgen. Det er spesielt viktig at alt dette ikke er avhengig av om kornene er stasjonære eller om de beveger seg på vannoverflaten. Tilslaget av korn vil ganske enkelt fungere som en belastning på overflaten av vannet, og endre tettheten til dets øvre lag.

Mandelstam foretok en matematisk beregning for tilfellet når antallet molekyler i luften er så stort at selv i et så lite område som lysets bølgelengde, finnes et veldig stort antall molekyler. Det viste seg at i dette tilfellet den sekundære lysbølger, begeistret av individuelle tilfeldig bevegelige molekyler, summerer seg på samme måte som bølgene i eksemplet med korn. Det betyr at i dette tilfellet forplanter lysbølgen seg uten spredning og demping, men med noe lavere hastighet. Dette motbeviste teorien til Rayleigh, som mente at bevegelsen til spredningspartikler i alle tilfeller sikrer spredning av bølger, og derfor tilbakeviste Plancks teori basert på den.

Dermed ble sand oppdaget under grunnlaget for spredningsteorien. Hele den majestetiske bygningen ristet og truet med å kollapse.

Tilfeldighet

Men hva med bestemmelsen av Loschmidt-tallet fra målinger av den blå himmelen? Tross alt bekreftet eksperimentet Rayleigh-teorien om spredning!

"Denne tilfeldigheten må betraktes som tilfeldig," skrev Mandelstam i 1907 i sitt verk "On Optically Homogeneous and Turbid Media."

Mandelstam viste at tilfeldig bevegelse av molekyler ikke kan gjøre en gass homogen. Tvert imot, i ekte gass det er alltid den minste sjeldneri og komprimering, som dannes som et resultat av kaotisk termisk bevegelse. Det er de som fører til spredning av lys, da de bryter med luftens optiske ensartethet. I det samme arbeidet skrev Mandelstam:

"Hvis mediet er optisk inhomogent, vil generelt sett det innfallende lyset også bli spredt til sidene."

Men siden dimensjonene til inhomogenitetene som oppstår som følge av kaotisk bevegelse er mindre enn bølgelengden til lysbølger, vil bølgene som tilsvarer de fiolette og blå delene av spekteret være spredt overveiende. Og dette fører spesielt til den blå fargen på himmelen.

Dermed ble gåten om den asurblå himmelen endelig løst. Den teoretiske delen er utviklet av Rayleigh. Den fysiske naturen til spredere ble etablert av Mandelstam.

Mandelstams store fortjeneste ligger i det faktum at han beviste at antakelsen om perfekt homogenitet til en gass er uforenlig med det faktum at lys er spredt i den. Han innså at den blå fargen på himmelen beviser at homogeniteten til gasser bare er tilsynelatende. Mer presist ser gasser ut til å være homogene bare når de undersøkes av råinstrumenter, som et barometer, vekter eller andre instrumenter, som påvirkes av mange milliarder molekyler på en gang. Men en lysstråle registrerer uforlignelig mindre mengder molekyler, kun målt i titusenvis. Og dette er nok til å fastslå unektelig at tettheten til en gass kontinuerlig er gjenstand for små lokale endringer. Derfor er et homogent medium fra vårt "grove" synspunkt faktisk inhomogent. Fra "lysets synspunkt" virker det overskyet og sprer derfor lyset.

Tilfeldige lokale endringer i materiens egenskaper, som følge av den termiske bevegelsen til molekyler, kalles nå fluktuasjoner. Etter å ha belyst fluktuasjonsopprinnelsen til molekylær lysspredning, banet Mandelstam vei for en ny metode for å studere materie - fluktuasjonen, eller statistisk metode, senere utviklet av Smoluchovsky, Lorentz, Einstein og ham selv til en ny hovedavdeling for fysikk - statistisk fysikk.

Himmelen må glitre!

Så hemmeligheten bak den blå fargen på himmelen ble avslørt. Men studiet av lysspredning stoppet ikke der. Mandelstam trakk oppmerksomhet til de nesten umerkelige endringene i lufttetthet og forklarte fargen på himmelen ved fluktuasjonsspredning av lys, og oppdaget med sitt skjerpede instinkt som vitenskapsmann et nytt, enda mer subtilt trekk ved denne prosessen.

Tross alt er luftinhomogeniteter forårsaket av tilfeldige svingninger i dens tetthet. Størrelsen på disse tilfeldige inhomogenitetene, tettheten av koagler, varierer med tiden. Derfor, hevdet forskeren, bør intensiteten også endre seg med tiden - styrken til det spredte lyset! Tross alt, jo tettere klynger av molekyler er, jo mer intenst blir lyset spredt på dem. Og siden disse blodproppene dukker opp og forsvinner tilfeldig, burde himmelen rett og slett flimre! Styrken til gløden og fargen bør endres hele tiden (men veldig svakt)! Men har noen noen gang lagt merke til et slikt flimmer? Selvfølgelig ikke.

Denne effekten er så subtil at du ikke kan se den med det blotte øye.

Ingen av forskerne observerte også en slik endring i himmelens glød. Mandelstam hadde heller ikke selv mulighet til å etterprøve konklusjonene i sin teori. Organiseringen av de mest komplekse eksperimentene ble hindret først av de magre forholdene i tsar-Russland, og deretter av vanskelighetene i de første årene av revolusjonen, utenlandsk intervensjon og borgerkrig.

I 1925 ble Mandelstam sjef for en avdeling ved Moskva universitet. Her møtte han den fremragende vitenskapsmannen og dyktige eksperimentatoren Grigory Samuilovich Landsberg. Og nå, forbundet med dypt vennskap og felles vitenskapelige interesser, sammen fortsatte de angrepet på hemmelighetene skjult i de svake strålene av spredt lys.

De optiske laboratoriene ved universitetet i disse årene var fortsatt svært fattige på instrumenter. Det var ikke et eneste instrument ved universitetet som var i stand til å oppdage flimringen av himmelen, eller de små forskjellene i frekvensene til hendelsen og spredt lys som teorien forutså var resultatet av denne flimringen.

Dette stoppet imidlertid ikke forskerne. De forlot ideen om å etterligne himmelen i laboratoriet. Dette ville bare komplisere en allerede subtil opplevelse. De bestemte seg for ikke å studere spredningen av hvitt - komplekst lys, men spredningen av stråler av en, strengt definert frekvens. Hvis de vet nøyaktig frekvensen til det innfallende lyset, vil det være mye lettere å søke etter de frekvensene i nærheten av det, som skulle oppstå under spredning. I tillegg antydet teorien at observasjoner var lettere å gjøre faste stoffer, siden molekylene i dem er plassert mye nærmere enn i gasser, og spredningen er større, jo tettere er stoffet.

En møysommelig leting etter de best egnede materialene startet. Til slutt falt valget på kvartskrystaller. Rett og slett fordi store gjennomsiktige kvartskrystaller er rimeligere enn noen andre.

Forberedende eksperimenter varte i to år, de reneste prøvene av krystaller ble valgt, teknikken ble forbedret, det ble etablert tegn der det var mulig å utvilsomt skille spredning av kvartsmolekyler fra spredning ved tilfeldige inneslutninger, krystallinhomogeniteter og urenheter.

Vit og arbeid

I mangel av kraftig spektralanalyseutstyr valgte forskerne en genial løsning som skulle gjøre det mulig å bruke de tilgjengelige instrumentene.

Hovedvanskeligheten i dette arbeidet var at det svake lyset forårsaket av molekylær spredning ble overlappet av mye sterkere lys spredt av små urenheter og andre defekter av de krystallprøvene som kunne oppnås for eksperimenter. Forskerne bestemte seg for å utnytte det faktum at det spredte lyset dannet av krystalldefekter og refleksjoner fra ulike deler oppsettet sammenfaller nøyaktig i frekvens med det innfallende lyset. De var kun interessert i lys med en frekvens endret i samsvar med Mandelstams teori, og oppgaven var derfor å isolere lyset med en endret frekvens forårsaket av molekylær spredning mot bakgrunnen av dette mye sterkere lyset.

For at det spredte lyset skal ha en verdi som kan registreres, bestemte forskerne seg for å belyse kvartsen med den kraftigste belysningsanordningen som er tilgjengelig for dem: en kvikksølvlampe.

Så lyset spredt i en krystall må bestå av to deler: et svakt lys med en endret frekvens på grunn av molekylær spredning (studiet av denne delen var målet for forskere), og et mye sterkere lys med en uendret frekvens forårsaket av fremmede årsaker (denne delen var skadelig, det gjorde forskning vanskelig.

Ideen om metoden var attraktiv på grunn av dens enkelhet: det er nødvendig å absorbere lys med konstant frekvens og la bare lys med endret frekvens passere inn i spektralapparatet. Men frekvensforskjellene var bare noen få tusendeler av en prosent. Ingen laboratorium i verden hadde et filter som var i stand til å separere så nære frekvenser. En løsning ble imidlertid funnet.

Spredt lys ble ført gjennom et kar med kvikksølvdamp. Som et resultat ble alt det "skadelige" lyset "fast" i fartøyet, og det "nyttige" lyset passerte uten merkbar svekkelse. I dette tilfellet utnyttet eksperimentørene en allerede kjent omstendighet. Et atom av materie, ifølge kvantefysikken, er i stand til å sende ut lysbølger bare fullstendig visse frekvenser. Imidlertid er dette atomet også i stand til å absorbere lys. Og bare lysbølger av de frekvensene som han selv kan sende ut.

I en kvikksølvlampe sendes lys ut av kvikksølvdamp, som lyser under påvirkning av en elektrisk utladning som oppstår inne i lampen. Hvis dette lyset føres gjennom et kar som også inneholder kvikksølvdamp, vil det nesten bli fullstendig absorbert. Det teorien spår vil skje: kvikksølvatomene i karet vil absorbere lyset som sendes ut av kvikksølvatomene i lampen.

Lys fra andre kilder, for eksempel en neonlampe, vil passere gjennom kvikksølvdampen uskadd. Kvikksølvatomer vil ikke engang ta hensyn til det. Den delen av lyset til kvikksølvlampen, som ble spredt i kvarts med en endring i bølgelengde, vil heller ikke absorberes.

Det var denne beleilige omstendigheten Mandelstam og Landsberg utnyttet.

Utrolig oppdagelse

I 1927 begynte avgjørende eksperimenter. Forskerne belyste kvartskrystallen med lyset fra en kvikksølvlampe og behandlet resultatene. Og ... de ble overrasket.

Resultatene av eksperimentet var uventede og uvanlige. Forskere har i det hele tatt ikke funnet det de forventet, ikke det som ble forutsagt av teorien. De oppdaget et helt nytt fenomen. Men hva? Og er ikke det en feil? Uventede frekvenser ble funnet i spredt lys, men mye høyere og lavere frekvenser. I spekteret av spredt lys dukket det opp en hel kombinasjon av frekvenser, som ikke var i lyset som falt inn på kvarts. Det var rett og slett umulig å forklare deres utseende med optiske inhomogeniteter i kvarts.

En grundig sjekk begynte. Eksperimentene ble utført feilfritt. De ble unnfanget så vittige, perfekte og oppfinnsomme at det var umulig å ikke beundre dem.

- Leonid Isaakovich løste noen ganger veldig vanskelige tekniske problemer så vakkert og noen ganger strålende enkelt, at hver enkelt av oss ufrivillig hadde et spørsmål: "Hvorfor skjedde dette ikke for meg før?" – sier en av de ansatte.

En rekke kontrolleksperimenter bekreftet hardnakket at det ikke var noen feil. I fotografiene av spekteret til det spredte lyset dukket det vedvarende opp svake og likevel ganske tydelige linjer, noe som indikerer tilstedeværelsen av "ekstra" frekvenser i det spredte lyset.

I mange måneder har forskere lett etter en forklaring på dette fenomenet. Hvor kom de "fremmede" frekvensene fra i det spredte lyset?!

Og dagen kom da en fantastisk innsikt gikk opp for Mandelstam. Det var en fantastisk oppdagelse, den som nå regnes som en av de viktigste funnene på 1900-tallet.

Men både Mandelstam og Landsberg kom til den enstemmige beslutningen om at denne oppdagelsen først kunne publiseres etter en solid verifikasjon, etter en uttømmende penetrasjon i fenomenets dybder. De siste eksperimentene har begynt.

Ved hjelp av solen

16. februar ble de indiske forskerne Ch.N. Raman og K.S. Krishnan sendte et telegram fra Calcutta til denne journalen med en kort beskrivelse av oppdagelsen hans.

I disse årene strømmet brev om de mest mangfoldige funnene til tidsskriftet «Priroda» fra hele verden. Men ikke hver rapport er bestemt til å skape begeistring blant forskere. Da problemet med brevet fra indiske forskere kom ut av trykk, var fysikerne veldig spente. Allerede én notetittel - " ny type sekundær stråling» – vekket interesse. Tross alt er optikk en av de eldste vitenskapene, det var ikke ofte mulig å oppdage noe ukjent i det på 1900-tallet.

Man kan forestille seg med hvilken interesse fysikerne i hele verden ventet på de nye brevene fra Calcutta.

Interessen deres ble i ikke liten grad drevet av selve personligheten til en av forfatterne av oppdagelsen, Raman. Dette er en mann med nysgjerrig skjebne og en enestående biografi, veldig lik Einsteins. Einstein var i sin ungdom en enkel gymlærer, og deretter ansatt ved patentkontoret. Det var i denne perioden han fullførte de viktigste av sine arbeider. Raman, en strålende fysiker, ble også etter uteksaminering fra universitetet tvunget til å tjene i finansdepartementet i ti år, og først etter det ble han invitert til avdelingen ved University of Calcutta. Raman ble snart den anerkjente lederen for den indiske fysikkskolen.

Kort tid før de beskrevne hendelsene ble Raman og Krishnan revet med av en merkelig oppgave. Deretter oppdaget lidenskapene som ble forårsaket i 1923 av oppdagelsen av den amerikanske fysikeren Compton, som, som studerte passasjen av røntgenstråler gjennom materie, ennå ikke hadde avtatt, at en del av disse strålene, som sprer seg bort fra den opprinnelige retningen, øker deres bølgelengde. Oversatt til optikernes språk kan vi si at røntgenstråler, som kolliderte med molekylene til et stoff, endret deres "farge".

Dette fenomenet ble lett forklart av kvantefysikkens lover. Derfor var Comptons oppdagelse et av de avgjørende bevisene på riktigheten av den unge kvanteteorien.

Noe lignende, men allerede i optikk, bestemte vi oss for å prøve. oppdage indiske forskere. De ønsket å føre lys gjennom et stoff og se hvordan dets stråler ville spre seg på molekylene til stoffet og om deres bølgelengde ville endre seg.

Som du kan se, villig eller ubevisst, satte indiske forskere seg den samme oppgaven som sovjetiske forskere. Men målene deres var forskjellige. Calcutta lette etter en optisk analogi av Compton-effekten. I Moskva - en eksperimentell bekreftelse av Mandelstams spådom om en endring i frekvens når lyset spres av fluktuerende inhomogeniteter.

Raman og Krishnan unnfanget et vanskelig eksperiment, siden den forventede effekten skulle være ekstremt liten. For eksperimentet var det nødvendig med en veldig sterk lyskilde. Og så bestemte de seg for å bruke solen og samle strålene med et teleskop.

Diameteren på linsen hans var lik atten centimeter. Forskerne ledet det oppsamlede lyset gjennom et prisme til kar der væsker og gasser ble plassert, grundig renset for støv og andre forurensninger.

Men for å oppdage den forventede lille forlengelsen av den spredte lysbølgen ved hjelp av hvitt sollys, som inneholder nesten alle mulige bølgelengder, var håpløs. Derfor bestemte forskerne seg for å bruke lysfiltre. De satte et blåfiolett filter foran linsen, og observerte det spredte lyset gjennom et gulgrønt filter. De bestemte med rette at det som passerer gjennom det første filteret setter seg fast i det andre. Tross alt absorberer det gulgrønne filteret de blåfiolette strålene som overføres av det første filteret. Og begge, plassert bak hverandre, må absorbere alt innfallende lys. Hvis imidlertid noen stråler faller inn i øyet til observatøren, vil det være mulig å si med sikkerhet at de ikke var i det innfallende lyset, men ble født i stoffet som studeres.

Columba

Raman og Krishnan fant faktisk stråler i spredt lys som passerte gjennom det andre filteret. De fikset de ekstra frekvensene. Det kan det i prinsippet være optisk effekt Compton. Det vil si at når det spres av molekylene til stoffet i karene, kan det blåfiolette lyset endre farge og bli gulgrønt. Men dette måtte fortsatt bevises. Det kan være andre årsaker som forårsaker utseendet av gulgrønt lys. For eksempel kan det vises som et resultat av luminescens - en svak glød som ofte oppstår i væsker og faste stoffer under påvirkning av lys, varme og andre årsaker. Det var åpenbart én ting - dette lyset ble født på nytt, det var ikke inneholdt i det innfallende lyset.

Forskerne gjentok eksperimentet med seks forskjellige væsker og to typer damper. De sørget for at verken luminescens eller andre årsaker spiller noen rolle her.

Det faktum at bølgelengden til synlig lys øker når det er spredt i materien, syntes Raman og Krishnan var etablert. Det så ut til at søket deres ble kronet med suksess. De oppdaget en optisk analogi til Compton-effekten.

Men for at forsøkene skulle få en ferdig form og konklusjonene skulle være overbevisende nok, måtte enda en del av arbeidet gjøres. Det var ikke nok å oppdage en endring i bølgelengden. Det var nødvendig å måle omfanget av denne endringen. Den første var med på å lage et lysfilter. Han var maktesløs til å gjøre det andre. Her trengte forskerne et spektroskop – en enhet som lar deg måle bølgelengden til lyset som studeres.

Og forskerne begynte på den andre delen, ikke mindre kompleks og møysommelig. Men hun levde også opp til deres forventninger. Resultatene bekreftet igjen konklusjonene fra den første delen av arbeidet. Bølgelengden viste seg imidlertid å være uventet stor. Mye mer enn forventet. Dette plaget ikke forskerne.

Hvordan ikke huske Columbus her? Han søkte å finne sjøveien til India og, da han så landet, var han ikke i tvil om at han hadde nådd målet. Hadde han grunn til å tvile på selvtilliten sin ved synet av de rødhudede innbyggerne og den nye verdenens ukjente natur?

Er det ikke sant at Raman og Krishnan, som forsøkte å oppdage Compton-effekten i synlig lys, bestemte seg for at de fant den ved å undersøke lyset som passerte gjennom deres væsker og gasser?! Nølte de da målingene viste en uventet stor endring i bølgelengden til de spredte strålene? Hvilken konklusjon trakk de av oppdagelsen?

Ifølge indiske forskere fant de det de lette etter. Den 23. mars 1928 fløy et telegram til London med en artikkel med tittelen "The Optical Analogy of the Compton Effect". Forskerne skrev: "Dermed er den optiske analogien til Compton-effekten åpenbar, bortsett fra at vi har å gjøre med en endring i bølgelengden som er mye større ..." Merk: "mye større ..."

Atomenes dans

Arbeidet til Raman og Krishnan ble møtt med en stående applaus blant forskere. Alle beundret med rette deres eksperimentelle kunst. For denne oppdagelsen ble Raman tildelt Nobelprisen i 1930.

Et fotografi av spekteret ble festet til brevet til de indiske forskerne, der linjene som viser frekvensen av det innfallende lyset og lyset spredt på molekylene til stoffet tok plass. Dette fotografiet, ifølge Raman og Krishnan, illustrerte oppdagelsen deres tydeligere enn noen gang.

Da Mandelstam og Landsberg så på dette bildet, så de en nesten nøyaktig kopi av bildet de hadde tatt! Men etter å ha blitt kjent med forklaringen hennes, innså de umiddelbart at Raman og Krishnan tok feil.

Nei, indiske forskere oppdaget ikke Compton-effekten, men et helt annet fenomen, det samme som sovjetiske forskere har studert i mange år ...

Mens spenningen forårsaket av oppdagelsen av indiske forskere vokste, var Mandelstam og Landsberg i ferd med å avslutte kontrolleksperimenter og oppsummere de siste avgjørende resultatene.

Og 6. mai 1928 sendte de en artikkel på trykk. Et fotografi av spekteret ble lagt ved artikkelen.

Forskerne skisserte kort historien til problemet og ga en detaljert tolkning av fenomenet de oppdaget.

Så hva var dette fenomenet som fikk mange forskere til å lide og knekke hodet?

Mandelstams dype intuisjon og klare analytiske sinn fikk forskeren umiddelbart til at de oppdagede endringene i frekvensen av spredt lys ikke kan være forårsaket av de intermolekylære kreftene som jevner ut tilfeldige repetisjoner av lufttetthet. Det ble klart for forskeren at årsaken utvilsomt ligger i selve molekylene til stoffet, at fenomenet er forårsaket av intramolekylære vibrasjoner av atomene som danner molekylet.

Slike svingninger skjer med mye mer høy frekvens enn de som følger med dannelsen og resorpsjonen av tilfeldige inhomogeniteter av mediet. Det er disse vibrasjonene av atomer i molekyler som påvirker det spredte lyset. Atomer, som det var, merker det, legger igjen spor på det, krypterer det med ekstra frekvenser.

Det var en vakreste gjetning, en dristig invasjon av menneskets tanker bortenfor sperringen av en liten festning av naturen - molekyler. Og denne utforskningen brakte verdifull informasjon om dens interne struktur.

Hånd i hånd

Så når man forsøkte å oppdage en liten endring i frekvensen av spredt lys forårsaket av intermolekylære krefter, ble det funnet en større endring i frekvens forårsaket av intramolekylære krefter.

For å forklare det nye fenomenet, som ble kalt "Raman spredning av lys", var det nok å supplere teorien om molekylær spredning laget av Mandelstam med data om effekten av vibrasjoner av atomer inne i molekyler. Det nye fenomenet ble oppdaget som et resultat av utviklingen av Mandelstams idé, formulert av ham tilbake i 1918.

Ja, ikke uten grunn, som akademiker S.I. Vavilov, "Naturen utstyrte Leonid Isaakovich med et helt uvanlig skarpsynt subtilt sinn, som umiddelbart la merke til og forsto det viktigste, som flertallet gikk forbi likegyldig. Dette er hvordan fluktuasjonsessensen til lysspredning ble forstått, og dette er hvordan ideen om en endring i spekteret under lysspredning dukket opp, som ble grunnlaget for oppdagelsen av Raman-spredning.

Deretter ble det hentet enorme fordeler fra denne oppdagelsen, den fikk verdifull praktisk anvendelse.

I oppdagelsesøyeblikket virket det bare som det mest verdifulle bidraget til vitenskapen.

Hva med Raman og Krishnan? Hvordan reagerte de på oppdagelsen av sovjetiske forskere, og på deres egne også? Forsto de hva de oppdaget?

Svaret på disse spørsmålene finnes i følgende brev fra Raman og Krishnan, som de sendte til pressen 9 dager etter publiseringen av artikkelen av sovjetiske forskere. Ja, de forsto at fenomenet de observerte ikke var Compton-effekten. Dette er Raman-spredning av lys.

Etter at brevene til Raman og Krishnan og artiklene til Mandelstam og Landsberg ble publisert, ble det klart for forskere over hele verden at ett og samme fenomen ble uavhengig og nesten samtidig gjort og studert i Moskva og Calcutta. Men Moskva-fysikere studerte det i kvartskrystaller, mens indiske fysikere studerte det i væsker og gasser.

Og denne parallelliteten var selvfølgelig ikke tilfeldig. Hun snakker om at problemet haster, dets store vitenskapelige betydning. Det er ikke overraskende at resultater nær konklusjonene til Mandelstam og Raman i slutten av april 1928 også ble oppnådd uavhengig av de franske forskerne Rocard og Kaban. Etter en tid husket forskerne at tilbake i 1923 hadde den tsjekkiske fysikeren Smekal teoretisk spådd det samme fenomenet. Etter arbeidet til Smekal dukket den teoretiske forskningen til Kramers, Heisenberg og Schrödinger opp.

Tilsynelatende bare en ulempe vitenskapelig informasjon man kan forklare det faktum at forskere fra mange land jobbet med å løse det samme problemet uten å vite det.

Trettisju år senere

Undersøkelser av Raman-spredning åpnet ikke bare et nytt kapittel i vitenskapen om lys. Samtidig ga de et kraftig våpen til teknologien. Industrien har fått en utmerket måte å studere egenskapene til materie.

Tross alt er frekvensene til Raman-spredning av lys avtrykk som er lagt over lyset av molekylene i mediet som sprer lyset. Og i forskjellige stoffer disse utskriftene er ikke de samme. Det var dette som ga akademiker Mandelstam rett til å kalle Raman-spredning av lys for «molekylets språk». De som kan lese sporene av molekyler på lysstrålene, bestemme sammensetningen av spredt lys, molekyler, ved å bruke dette språket, vil fortelle om hemmelighetene til strukturen deres.

På negativet til et fotografi av kombinasjonsspekteret er det ingenting annet enn linjer med varierende sorthet. Men fra dette fotografiet vil spesialisten beregne frekvensene av intramolekylære vibrasjoner som dukket opp i det spredte lyset etter at det passerte gjennom stoffet. Bildet vil fortelle om mange hittil ukjente sider indre liv molekyler: om deres struktur, om kreftene som binder atomer til molekyler, om atomenes relative bevegelser. Ved å lære å tyde Raman-spektrogrammer har fysikere lært å forstå det særegne «lette språket» som molekyler bruker for å beskrive seg selv. Så en ny oppdagelse tillot dypere penetrasjon inn i intern struktur molekyler.

I dag bruker fysikere Raman-spredning for å studere strukturen til væsker, krystaller og glassaktige stoffer. Kjemikere bruker denne metoden for å bestemme strukturen til forskjellige forbindelser.

Metoder for studie av materie, ved bruk av fenomenet Raman-spredning av lys, ble utviklet av laboratoriepersonale Institutt for fysikk oppkalt etter P.N. Lebedev Academy of Sciences of the USSR, ledet av akademiker Landsberg.

Disse metodene gjør det mulig å raskt og nøyaktig utføre kvantitative og kvalitative analyser av flybensiner, sprukne produkter, oljeraffineriprodukter og mange andre komplekse organiske væsker i fabrikklaboratoriet. For å gjøre dette er det tilstrekkelig å belyse stoffet som studeres og bestemme sammensetningen av lyset spredt av det med en spektrograf. Det virker veldig enkelt. Men før denne metoden viste seg å være veldig praktisk og rask, måtte forskerne jobbe hardt for å lage nøyaktig, sensitivt utstyr. Og det er derfor.

Av den totale mengden lysenergi som kommer inn i stoffet som studeres, er det kun en ubetydelig del - omtrent en ti milliarddel - som står for spredt lys. Og Raman-spredning står sjelden for to eller tre prosent av denne verdien. Tilsynelatende er dette grunnen til at Raman-spredningen forble ubemerket i lang tid. Og det er ikke overraskende at det å få de første fotografiene av Raman-spredning krevde eksponeringer som varte i titalls timer.

Moderne utstyr, laget i vårt land, lar deg få kombinasjonsspekter rene stoffer innen minutter og noen ganger til og med sekunder! Selv for analyse av komplekse blandinger, der individuelle stoffer er inkludert i en mengde på flere prosent, er en eksponering som ikke overstiger en time vanligvis tilstrekkelig.

Trettisju år har gått siden språket til molekyler registrert på fotografiske plater ble oppdaget, dechiffrert og forstått av Mandelstam og Landsberg, Raman og Krishnan. Siden den gang har det blitt utført et iherdig arbeid over hele verden for å kompilere en "ordbok" over molekylspråket, som optikere kaller katalogen over Raman-frekvenser. Når en slik katalog blir satt sammen, vil tolkningen av spektrogrammene bli betydelig lettere, og Raman-spredning av lys vil bli enda mer fullstendig til tjeneste for vitenskapen og industrien.

Fargen på himmelen forskjellige stater været er annerledes, og skifter fra hvitaktig til intens blått. Teorien som forklarer fargen på himmelen ble utviklet av Rayleigh.

I følge denne teorien forklares himmelens farge av det faktum at solstrålene, gjentatte ganger reflektert fra luftmolekyler og de minste støvpartiklene, er spredt i atmosfæren. Lysbølger av forskjellig lengde spres ulikt av molekyler: luftmolekyler sprer hovedsakelig den kortbølgelengde delen av det synlige solspekteret, dvs. blå, blå og fiolette stråler, og siden intensiteten til den fiolette delen av spekteret er liten sammenlignet med de blå og blå delene, virker himmelen blå eller blå.

Den betydelige lysstyrken på himmelhvelvet skyldes det faktum at jordens atmosfære har en betydelig tykkelse og lyset er spredt av et stort antall molekyler.

På store høyder, for eksempel ved observasjon med romskip, sjeldne lag av atmosfæren forblir over observatørens hode med færre molekyler som sprer lys, og følgelig avtar lysstyrken på himmelhvelvet. Himmelen virker mørkere, fargen endres med økende høyde. Himmelen virker mørkere, fargen endres fra mørk blå til mørk lilla med økende høyde. Åpenbart, i enda høyere høyder og utenfor atmosfæren, virker himmelen svart for observatøren.

Hvis luften inneholder et stort nummer av relativt store partikler, disse partiklene sprer også lengre lysbølger. I dette tilfellet får himmelen en hvitaktig farge. De store vanndråpene eller vannkrystallene som utgjør skyene sprer alle spektralfargene omtrent likt, og den overskyede himmelen er derfor en blekgrå farge.

Dette bekreftes av observasjonene, der de meteorologiske forholdene og den tilsvarende fargen på himmelen over byen Novokuznetsk ble notert.

De karakteristiske nyansene i himmelens farge 28.-29. november skyldes tilstedeværelsen industrielle utslipp, som er konsentrert i luften med en reduksjon i temperatur og fravær av vind.

Fargen på himmelen påvirkes også av naturen og fargen jordens overflate, samt tettheten til atmosfæren.

Den eksponentielle loven om reduksjon i atmosfærens tetthet med høyden.

Den barometriske formelen beskriver reduksjonen i atmosfærens tetthet med høyden inn generelt; den tar ikke hensyn til vind, konveksjonsstrømmer, temperaturendringer. I tillegg bør høyden ikke være for høy til at avhengigheten av akselerasjonen g av høyden kan neglisjeres.

Den barometriske formelen er assosiert med navnet til den østerrikske fysikeren Ludwig Boltzmann. Men de første indikasjonene på den eksponentielle karakteren av reduksjonen i lufttetthet med høyden var faktisk inneholdt i Newtons forskning på brytningen av lys i atmosfæren og ble brukt til å kompilere en oppdatert brytningstabell.

Grafene som er gitt viser hvordan i løpet av studien astronomisk brytning ideer om den generelle karakteren av endringen i atmosfærens brytningsindeks med høyden ble raffinert.

samsvarer med Keplers teori
original Newtonsk brytningsteori
raffinert newtonsk og moderne teori lysbrytning i atmosfæren

Bryting av lys i atmosfæren

Atmosfæren er et optisk inhomogent medium, så banen til en lysstråle i atmosfæren er alltid noe krumlinjet. Bøyning av lysstråler når de passerer gjennom atmosfæren kalles lysbrytning i atmosfæren.

Det skilles mellom astronomisk og terrestrisk brytning. I det første tilfellet vurderer vi krumningen av lysstråler som kommer til en jordisk observatør fra himmellegemer. I det andre tilfellet vurderes krumningen av lysstråler som kommer til observatøren fra jordiske objekter. I begge tilfeller, på grunn av krumningen til lysstrålene, kan observatøren se objektet i feil retning, noe som tilsvarer virkeligheten; objektet kan virke forvrengt. Det er mulig å observere et objekt selv når det faktisk er under horisontlinjen. Dermed lysbrytningen i jordens atmosfære kan føre til en slags optisk illusjon.

La oss anta at atmosfæren består av et sett med optisk ensartede horisontale lag med samme tykkelse; brytningsindeksen hopper fra ett lag til et annet, og øker gradvis i retning fra de øvre lagene til de nedre. En slik rent spekulativ situasjon er vist.

I virkeligheten endres ikke atmosfærens tetthet, og dermed dens brytningsindeks, med høyden i hopp, men kontinuerlig. Derfor er banen til lysstrålen ikke en brutt linje, men en buet linje.

Anta at strålen vist på figuren går til observatøren fra et eller annet himmelobjekt. Hvis det ikke var lysbrytning i atmosfæren, ville dette objektet vært synlig for observatøren i en vinkel ά. På grunn av brytning ser observatøren objektet ikke i en vinkel ά, men i en vinkel φ. Siden φ ά, ser objektet ut til å være høyere over horisonten enn det egentlig er. Med andre ord, den observerte senitavstanden til objektet er mindre enn den faktiske senitavstanden. Forskjellen Ώ = ά - φ kalles brytningsvinkelen.

I følge moderne data maksimal vinkel brytningen er 35".

Når en observatør ser på solnedgangen og ser hvordan den nedre kanten av stjernen berørte horisonten, i virkeligheten dette øyeblikket denne kanten er allerede 35" under horisontlinjen. Det er interessant at den øvre kanten av solskiven løftes av brytning svakere - bare 29" . Derfor ser solnedgangen ut til å være litt flatt vertikalt.

Fantastiske solnedganger

Med tanke på lysbrytningen, er det nødvendig å ta hensyn til, sammen med den systematiske endringen i lufttetthet med høyden, også serien tilleggsfaktorer, hvorav mange har nok tilfeldig karakter. Vi snakker om innflytelsen på luftens brytningsindeks av konveksjonsstrømmer og vind, lufttemperatur på forskjellige punkter i atmosfæren over forskjellige deler av jordens overflate.

Funksjoner ved atmosfærens tilstand og fremfor alt egenskapene til oppvarmingen av atmosfæren i dens nedre lag over forskjellige deler av jordens overflate fører til særegenheten til de observerte solnedgangene.

Blind kjørefelt. Noen ganger ser det ut til at solen ikke går ned over horisonten, men over en usynlig linje over horisonten. Dette fenomenet observeres i fravær av uklarhet i horisonten. Hvis du på dette tidspunktet klatrer til toppen av bakken, så kan du observere et enda mer merkelig bilde: nå går solen ned utenfor horisontlinjen, men samtidig ser solskiven ut til å være kuttet som av en horisontal "blind stripe", hvis posisjon i forhold til horisontlinjen forblir uendret. Disse uvanlige solnedgangene kan sees, ifølge øyenvitner, på forskjellige måter geografiske områder, for eksempel i landsbyen Bolshoy Kamen, Primorsky-territoriet og byen Sochi, Krasnodar-territoriet.

Et slikt bilde blir observert hvis luften nær selve jorden viser seg å være kald, og et lag med relativt varm luft er plassert over. I dette tilfellet endres brytningsindeksen til luft med høyden omtrent som vist i grafen; overgangen fra det nedre kalde luftlaget til det varme laget over det kan føre til et ganske kraftig fall i brytningsindeksen. La oss for enkelhets skyld anta at denne nedgangen skjer brått og at det derfor mellom kulde og varme lag det er et klart definert grensesnitt plassert i en viss høyde h1 over jordens overflate. I figuren angir nx brytningsindeksen til luft i det kalde laget, og nt angir brytningsindeksen til luft i det varme laget nær grensen til det kalde.

Brytningsindeksen til luft skiller seg veldig lite fra enhet, derfor, for større klarhet, vertikal akse denne figuren plotter ikke verdiene til selve brytningsindeksen, men dens overskudd over enhet, dvs. forskjell n-1.

Bildet av endringen i brytningsindeksen, vist i fig. 4b), ble brukt til å konstruere strålebanen i fig. 5, som viser en del av jordklodens overflate og laget med kald luft ved siden av den med tykkelse hο.

Hvis φ økes gradvis, starter fra null, vil vinkelen α2 også øke. La oss anta at ved en eller annen verdi φ = φ´ blir vinkelen α2 lik begrensende vinkelαο som tilsvarer den komplette indre refleksjon på grensen til kalde og varme lag; i dette tilfellet sin α1 = 1. Vinkelen αο tilsvarer strålen BA i figur 5; den danner en vinkel β = 90˚ - φ´ med horisontalen. Observatøren vil ikke motta stråler som kommer inn i det kalde laget på punkter hvis vinkelhøyde over horisonten er mindre enn vinkelhøyden til punkt B, dvs. mindre enn vinkelen β. Dermed blir blindstreken forklart.

Grønn stråle. En veldig effektiv blits kalles en grønn stråle. grønt lys observert noen ganger ved solnedgang og soloppgang. Varigheten av blitsen er bare 1-2 sekunder. Fenomenet er som følger: hvis solen går ned på en klar himmel, så med tilstrekkelig gjennomsiktighet av luften, kan man noen ganger observere hvordan det siste synlige punktet på solen raskt endrer farge fra blekgul eller oransjerød til knallgrønn. Ved soloppgang kan det samme fenomenet observeres, men med omvendt rekkefølge av vekslingen av farger.

Utseendet til den grønne strålen kan forklares hvis vi tar hensyn til endringen i brytningsindeksen med lysets frekvens.

Vanligvis øker brytningsindeksen med økende frekvens. Stråler med høyere brytningsfrekvens er sterkere. Dette betyr at blågrønne stråler gjennomgår sterkere brytning sammenlignet med røde stråler.

La oss anta at det er lysbrytning i atmosfæren, men ingen spredning av lys. I dette tilfellet må de øvre og nedre kantene av solskiven nær horisonten være farget i regnbuens farger. La det bare være to farger i spekteret av sollys - grønn og rød; Den "hvite" solskiven kan i dette tilfellet sees på som grønne og røde skiver lagt over hverandre. Brytningen av lys i atmosfæren hever den grønne skiven over horisonten inn mer enn rødt. Derfor må observatøren se solnedgangen som vist i fig. 6a). Den øverste kanten av solskiven ville være grønn og den nederste rød; i den sentrale delen av disken vil en blanding av farger bli observert, dvs. hvitt ville dukke opp.

I virkeligheten kan ikke spredningen av lys i atmosfæren ignoreres. Det fører til at stråler med høyere frekvens faller ut av lysstrålen som kommer fra solen mer effektivt. Så den grønne kanten på toppen av disken vil ikke være synlig, og hele disken vil ikke se hvit ut, men rødlig. Hvis imidlertid nesten hele solskiven har gått utover horisonten, gjenstår bare dens øverste kant, og samtidig været er klart og rolig, luften er ren, så i dette tilfellet kan observatøren se den knallgrønne kanten av solen sammen med en spredning av lyse grønne stråler

Vi er alle vant til at fargen på himmelen er en variabel egenskap. Tåke, skyer, tid på dagen - alt påvirker fargen på kuppelen over hodet. Den daglige endringen opptar ikke hodet til de fleste voksne, noe som ikke kan sies om barn. De lurer stadig på hvorfor himmelen er blå når det gjelder fysikk eller hva som gjør solnedgangen rød. La oss prøve å forstå disse ikke de mest enkle spørsmålene.

foranderlig

Det er verdt å starte med svaret på spørsmålet om hva himmelen faktisk er. I eldgamle verden det ble virkelig sett på som en kuppel som dekket jorden. I dag er det imidlertid knapt noen som vet at uansett hvor høyt en nysgjerrig oppdagelsesreisende reiser seg, vil han ikke kunne nå denne kuppelen. Himmelen er ikke en ting, men snarere et panorama som åpner seg når det sees fra planetens overflate, et slags utseende vevd av lys. Dessuten, hvis du observerer fra forskjellige punkter, kan det se annerledes ut. Så, fra det som har hevet seg over skyene, åpner det seg en helt annen utsikt enn fra jorden på denne tiden.

En klar himmel er blå, men så snart skyer renner inn, blir den grå, blyaktig eller off-white. Nattehimmelen er svart, noen ganger kan du se rødlige områder på den. Dette er en refleksjon av den kunstige belysningen i byen. Årsaken til alle disse endringene er lys og dets interaksjon med luft og partikler. ulike stoffer i han.

Fargens natur

For å svare på spørsmålet om hvorfor himmelen er blå fra et fysikksynspunkt, må du huske hvilken farge det er. Det er en bølge viss lengde. Lyset som kommer fra solen til jorden blir sett på som hvitt. Selv fra Newtons eksperimenter er det kjent hva en stråle med syv stråler er: rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og fiolett. Farger varierer i bølgelengde. Det rød-oransje spekteret inkluderer bølger som er de mest imponerende i denne parameteren. deler av spekteret er preget av en kort bølgelengde. Nedbrytningen av lys til et spektrum skjer når det kolliderer med molekyler av ulike stoffer, mens noen av bølgene kan absorberes, og noen kan spres.

Undersøkelse av årsaken

Mange forskere har forsøkt å forklare hvorfor himmelen er blå når det gjelder fysikk. Alle forskere har forsøkt å oppdage et fenomen eller en prosess som sprer lys i planetens atmosfære på en slik måte at bare blått når oss som et resultat. De første kandidatene til rollen som slike partikler var vann. Det ble antatt at de absorberer rødt lys og sender blått lys, og som et resultat ser vi den blå himmelen. De påfølgende beregningene viste imidlertid at mengden av ozon, iskrystaller og vanndampmolekyler som er i atmosfæren ikke er nok til å gi himmelen en blå farge.

Årsak til forurensning

På neste forskningsstadium foreslo John Tyndall at rollen til de ønskede partiklene spilles av støv. Blått lys har størst motstand mot spredning, og er derfor i stand til å passere gjennom alle lag med støv og andre suspenderte partikler. Tyndall gjennomførte et eksperiment som bekreftet hans antagelse. Han laget en modell av smog i laboratoriet og belyste den med sterkt hvitt lys. Smog fikk en blå nyanse. Forskeren kom med en utvetydig konklusjon fra studien: himmelens farge bestemmes av støvpartikler, det vil si at hvis jordens luft var ren, så lyste ikke blå himmel, men hvit himmel lyste over folks hoder.

Herrens studie

Det siste punktet på spørsmålet om hvorfor himmelen er blå (fra et fysikksynspunkt) ble satt av den engelske forskeren, Lord D. Rayleigh. Han beviste at det ikke er støv eller smog som maler rommet over hodene våre i en nyanse som er kjent for oss. Det er i selve luften. Gassmolekyler absorberer de største, og først og fremst de lengste, bølgelengdene tilsvarende rødt. Det blå forsvinner. Det er nettopp dette som i dag forklarer hvilken farge himmelen vi ser i klart vær.

De oppmerksomme vil legge merke til at, etter forskernes logikk, bør kuppelen over hodet være lilla, siden det er denne fargen som har den korteste bølgelengden i det synlige området. Dette er imidlertid ikke en feil: andelen fiolett i spekteret er mye mindre enn blått, og det menneskelige øyet er mer følsomt for sistnevnte. Faktisk er det blå vi ser et resultat av å blande blått med lilla og noen andre farger.

solnedganger og skyer

Det vet alle i annen tid dag kan du se forskjellige farger på himmelen. Bilder av de vakreste solnedgangene over havet eller innsjøen er en flott illustrasjon på dette. Alle slags nyanser av rødt og gult kombinert med blått og mørkeblått gjør et slikt opptog uforglemmelig. Og det forklares med den samme spredningen av lys. Faktum er at under solnedgang og daggry må solstrålene overvinne en mye lengre vei gjennom atmosfæren enn på høyden av dagen. I dette tilfellet er lyset fra den blågrønne delen av spekteret spredt inn forskjellige sider og skyer nær horisonten blir rødlige.

Når skyer dekker himmelen, endres bildet fullstendig. ute av stand til å overvinne det tette laget, og mest av de når bare ikke bakken. Strålene som klarte å passere gjennom skyene møtes med vanndråper med regn og skyer, som igjen forvrenger lyset. Som et resultat av alle disse transformasjonene når jorden hvitt lys, hvis skyene er små i størrelse, og grå når himmelen er dekket av imponerende skyer, og absorberer en del av strålene på nytt.

Andre himmel

Interessant nok på andre planeter solsystemet sett fra overflaten kan man se himmelen, veldig forskjellig fra jorden. På romobjekter som er fratatt en atmosfære, når solstrålene fritt overflaten. Som et resultat er himmelen her svart, uten noen fargetone overhodet. Et slikt bilde kan sees på Månen, Merkur og Pluto.

Marshimmelen har en rød-oransje fargetone. Årsaken til dette ligger i støvet, som er mettet med planetens atmosfære. Den er malt i forskjellige nyanser av rødt og oransje. Når solen stiger over horisonten, blir marshimmelen rosarød, mens den delen av den som umiddelbart omgir stjerneskiven virker blå eller til og med lilla.

Himmelen over Saturn har samme farge som på jorden. Akvamarinhimmelen strekker seg over Uranus. Årsaken ligger i metandisen som ligger i de øvre planetene.

Venus er skjult for forskeres øyne av et tett lag med skyer. Det tillater ikke strålene fra det blågrønne spekteret å nå overflaten av planeten, så himmelen her er guloransje med en grå stripe langs horisonten.

Studiet av dagrommet over hodet avslører ikke mindre underverk enn studiet av stjernehimmelen. Å forstå prosessene som skjer i skyene og bak dem hjelper til med å forstå årsaken til ting som er ganske kjent for den gjennomsnittlige personen, som imidlertid ikke alle kan forklare med en gang.

Hvorfor himmelen er blå. Hvorfor er solen gul? Disse spørsmålene, så naturlige, har dukket opp foran mennesket siden antikken. For å få en riktig forklaring på disse fenomenene tok det imidlertid innsatsen til fremstående forskere fra middelalderen og senere, opp til sent XIX V.

Hvilke hypoteser fantes? Hvilke hypoteser ble ikke fremsatt til forskjellige tider for å forklare fargen på himmelen. 1 hypotese Når han observerte hvordan røyken mot bakgrunnen av en mørk peis får en blåaktig farge, skrev Leonardo da Vinci: ... lyshet over mørke blir blått, desto vakrere, jo mer utmerket lys og mørke er. Goethe holdt seg til ca. samme synspunkt, som ikke bare var verdensomspennende kjent poet, men også sin tids største naturviter. Imidlertid viste en slik forklaring av fargen på himmelen seg å være uholdbar, siden, som det ble klart senere, kan blanding av svart OG hvitt bare gi gråtoner, ikke farger. Den blå fargen på røyk fra en peis skyldes en helt annen prosess.

Hvilke hypoteser fantes? Hypotese 2 Etter oppdagelsen av interferens, spesielt i tynne filmer, prøvde Newton å bruke interferens for å forklare fargen på himmelen. For å gjøre dette måtte han innrømme at vanndråpene er i form av tynnveggede bobler, som såpebobler. Men siden vanndråpene i atmosfæren faktisk er kuler, sprakk denne hypotesen snart som en såpeboble.

Hvilke hypoteser fantes? 3 hypotese Forskere XVIII V. Mariotte, Bouguer, Euler mente at den blå fargen på himmelen forklares av den egen fargen til luftens bestanddeler. En slik forklaring fikk til og med en viss bekreftelse senere, allerede på 1800-tallet, da det ble slått fast at flytende oksygen er blått, og flytende ozon er blått. Nærmest riktig forklaring fargen på himmelen nærmet seg OB Saussure. Han mente at hvis luften var helt ren, ville himmelen være svart, men luften inneholder urenheter som reflekterer overveiende blått (spesielt vanndamp og vanndråper).

Resultater av studien: Den første til å lage en slank, streng matematisk teori molekylær spredning av lys i atmosfæren, var den engelske vitenskapsmannen Rayleigh. Han mente at spredningen av lys ikke skjer på urenheter, slik forgjengerne trodde, men på selve luftmolekylene. For å forklare fargen på himmelen presenterer vi bare én av konklusjonene til Rayleighs teori:

Resultater av studien: fargen på blandingen av spredte stråler vil være blå Lysstyrken eller intensiteten til det spredte lyset varierer omvendt med fjerde potens av bølgelengden til lyset som faller inn på spredningspartikkelen. Dermed er molekylær spredning ekstremt følsom for den minste endring i lysets bølgelengde. For eksempel er bølgelengden til fiolette stråler (0,4 mikron) omtrent halvparten av bølgelengden til røde stråler (0,8 mikron). Derfor vil fiolette stråler spres 16 ganger sterkere enn røde, og med lik intensitet av de innfallende strålene vil det være 16 ganger flere av dem i det spredte lyset. Alle andre fargede stråler i det synlige spekteret (blå, cyan, grønn, gul, oransje) vil bli inkludert i det spredte lyset i mengder omvendt proporsjonal med fjerde potens av bølgelengden til hver av dem. Hvis nå alle fargede spredte stråler er blandet i dette forholdet, vil fargen på blandingen av spredte stråler være blå

Litteratur: S.V. Zvereva. I sollysets verden. L., Gidrometeoizdat, 1988

Hvorfor er himmelen blå? Det er vanskelig å finne svar på et så enkelt spørsmål. Mange forskere har undret seg over svaret. Den beste løsningen på problemet foreslått for rundt 100 år siden engelsk fysiker Lord John Rayleigh.

Solen sender ut et blendende rent hvitt lys. Så fargen på himmelen skal være den samme, men den er fortsatt blå. Hva skjer med hvitt lys i jordens atmosfære?

Hvitt lys er en blanding av fargede stråler. Med et prisme kan vi lage en regnbue.

Prismet bryter ned den hvite strålen til fargede striper:

■rød

■oransje

■ Gul

■ Grønn

■ Blått

■ Lilla

Ved å kombinere sammen danner disse strålene igjen hvitt lys. Det kan antas at sollys først deles i fargede komponenter. Så skjer det noe, og bare blå stråler når jordens overflate.

Så hvorfor er himmelen blå?

Det er flere mulige forklaringer. Luften rundt jorden er en blanding av gasser: nitrogen, oksygen, argon og andre. Atmosfæren inneholder også vanndamp og iskrystaller. Støv og andre ting henger i luften små partikler. Ozonlaget er i den øvre atmosfæren. Kan dette være årsaken? Noen forskere mente at ozon- og vannmolekyler absorberer røde stråler og overfører blå. Men det viste seg at det rett og slett ikke var nok ozon og vann i atmosfæren til å farge himmelen blå.

I 1869 en engelskmann John Tyndall antydet at støv og andre partikler sprer lys. Blått lys er minst spredt og passerer gjennom lag av slike partikler for å nå jordoverflaten. I laboratoriet sitt skapte han en modell av smog og belyste den med en knallhvit stråle. Smogen ble dypblå. Tyndall bestemte at hvis luften var helt ren, ville ingenting spre lyset, og vi kunne beundre den lyse hvite himmelen. Lord Rayleigh støttet også denne ideen, men ikke lenge. I 1899 publiserte han sin forklaring:

Det er luften, ikke støv eller røyk, som farger himmelen blå.

Grunnleggende teori om den blå fargen på himmelen

En del av solstrålene passerer mellom gassmolekylene uten å kollidere med dem og når jordoverflaten uforandret. Den andre, for det meste, absorberes av gassmolekyler. Når fotoner absorberes, eksiteres molekylene, det vil si at de lades med energi, og sender den ut i form av igjen fotoner. Disse sekundære fotonene har forskjellige bølgelengder og kan ha en hvilken som helst farge fra rød til lilla. De sprer seg i alle retninger: til jorden og til solen og til sidene. Lord Rayleigh foreslo at fargen på den utsendte strålen avhenger av overvekten av kvanter av en eller annen farge i strålen. Når et gassmolekyl kolliderer med solfotoner, er det åtte blå kvanter for ett sekundært rødt kvante.

Hva er resultatet? Intens blått lys strømmer bokstavelig talt ned over oss fra alle retninger fra milliarder av atmosfæriske gassmolekyler. Dette lyset har fotoner av andre farger blandet inn, så det har ikke en ren blå nyanse.

Hvorfor er solnedgangen rød da?

Men himmelen er ikke alltid blå. Spørsmålet dukker naturligvis opp: om vi ser hele dagen blå himmel Hvorfor er solnedgangen rød? Rødt er minst diffundert 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 Dessuten at det går over på dagtid når solen står høyt. På grunn av dette blir det blå-blå spekteret absorbert i et tykt lag av atmosfæren, og når ikke jorden. Og lengre lysbølger av det rød-gule spekteret når jordoverflaten, og farger himmelen og skyene i de røde og gule fargene som er karakteristiske for solnedgang.

vitenskapelig forklaring

Ovenfor har vi gitt en sammenlignende enkelt språk. Nedenfor vil vi sitere begrunnelsen ved å bruke vitenskapelige termer og formler.

Utdrag fra Wiki:

Himmelen ser blå ut fordi luft sprer lys med kort bølgelengde mer enn lys med lang bølgelengde. Intensiteten til Rayleigh-spredning, på grunn av fluktuasjoner i antall luftgassmolekyler i volumer i forhold til bølgelengdene til lys, er proporsjonal med 1 / λ 4, λ er bølgelengden, dvs. den fiolette delen av det synlige spekteret er spredt omtrent 16 ganger mer intenst enn rødt. Siden blått lys har en kortere bølgelengde, på slutten av det synlige spekteret, sprer det seg mer i atmosfæren enn rødt. På grunn av dette er delen av himmelen utenfor solens retning blå (men ikke lilla, siden solspektrum ujevn og intensiteten av den fiolette fargen i den er mindre, og også på grunn av den lavere følsomheten til øyet for fiolett og mer for blått, noe som irriterer ikke bare de blåsensitive kjeglene i netthinnen, men også de som er følsomme for rødt og grønne stråler).

Under solnedgang og daggry beveger lyset seg tangentielt til jordens overflate, slik at banen krysset av lys i atmosfæren blir mye større enn om dagen. På grunn av dette blir det meste av det blå og jevne grønne lyset spredt fra direkte sollys, så det direkte lyset fra solen, samt skyene den lyser opp og himmelen nær horisonten, blir røde.

Sannsynligvis, med en annen sammensetning av atmosfæren, for eksempel på andre planeter, kan fargen på himmelen, inkludert ved solnedgang, være annerledes. For eksempel er fargen på himmelen på Mars rød-rosa.

Spredning og absorpsjon er hovedårsakene til demping av lysintensiteten i atmosfæren. Spredning varierer som en funksjon av forholdet mellom diameteren til spredningspartikkelen og bølgelengden til lyset. Når dette forholdet er mindre enn 1/10, oppstår Rayleigh-spredning, hvor spredningskoeffisienten er proporsjonal med 1/λ 4 . For større verdier av forholdet mellom størrelsen på spredningspartiklene og bølgelengden, endres spredningsloven i henhold til Gustave Mie-ligningen; når dette forholdet er større enn 10, er lovene for geometrisk optikk gjeldende med tilstrekkelig nøyaktighet for praksis.