В заметке 'Небо красно-голубое' 24 IV 2924, в 'Post Scriptum' к ней, я привёл, мне представляется, окончательное решение всех проблем, связанных с голубизной дневного неба, и его красным цветом при восходе и закате солнца.
В этом приложении к заметке я дал верное объяснение, но чуть несобранное, не оформленное чётко, поэтому решил дать снова окончательный и исчерпывающий ответ на все вопросы, могущие возникнуть в связи с указанными цветами неба.
Сначала определим три известных в физике фактора, которые по своей природе могли бы определять цвет неба.
Первый - идея английского физика Тиндаля: Мелкая пыль, висящая в воздухе
Второй - идея английского физика Релэя: Молекулы воздуха.
Третий - идея российского, а позже советского, физика Мандельштама: Флюктуации плотности воздуха, возникающие из-за хаотического Брауновского движения молекул.
Все три идеи основаны на нескольких фундаментальных понятиях:
Белый свет - это комбинация световых волн разной длины волны, от тёмнокрасного до тёмнофиолетового или фотонов разной энергии, спектр солнечного света, известный ещё Ньютону.
Второе - что цвет неба обусловлен избирательным рассеянием волн или фотонов с определённой длиной волны.
Третье - свет рассеивается ИЗБИРАТЕЛЬНО, то есть НЕОДИНАКОВО для всех частей спектра, только на частицах, размер которых гораздо меньше длины волны любого цвета. И рассеяние это происходит согласно закону Релэя, обратно пропорционально длине световой волны: Длинней световая волна - тёмнокрасного цвета. нижний предел вИдения нашего зрения 7400 Ангстрем (Аннгстрем - одна стомиллионная сантиметра) и до тёмнофиолетового - верхней границы нашего зрения 3800 А.
То есть волны отличаются по длине примерно в два раза. В соответствии с законом Релэя тёмнофиолетовый, коротковолновый, свет рассеивается на мелких частичках в четвёртой степени больше, чем красный, то есть примерно в 16 раз (два в четвёртой степени).
На частицах, близких и бОльших по размеру к длинам волн, весь спектр рассеивается равномерно и мы видим снова белый свет.
Необходимо также учитывать и степень представления каждого цвета в спектре. Солнце - жёлтый карлик, ибо максимум его видимого излучения лежит в жёлтой части спектра.
Идея Тиндаля.
Что говорит за неё?
Сам Тиндаль получил химически смесь очень мелких и однородных по размерам частиц из паров соляной кислоты и нитроизобутана, которая в рассеянном свете светилась голубизной, по яркости превосходяшей голубизну итальянского неба. Тиндаль думал, что мелкая пыль в атмосфере и даёт эту голубизну.
Что говорит против?
Да, в природной пыли действительно присутствуют частички, настолько мелкие, что они, как в опытах Тиндаля, могли бы рассеивать преимущественно только сине-голубой свет. Но процентуально по отношению к общей массе пыли, постоянно висящей в воздухе, их очень мало. Большинство частиц , имеет размеры от нескольких микрон и меньше, но не намного.
(Для того, чтобы быть постоянно взвешенными в воздухе за счёт непрерывного Брауновского движения, частицы должны иметь размеры, не больше нескольких микрон. (Микрон -одна десятитысячная сантиметра! А, повторяю, Ангстрем - одна стомиллионная!)
Второе 'против' - это разная запылённость атмосферы над городами и сельской местностью.
Над городами запылённость во много раз больше и, если бы идея Тиндаля была верна, то именно над городами небо светилось бы чистой и яркой голубизной. На самом деле, всё как раз наоборот. Небо над городами в солнечный день слегка белесоватое, из-за пыли, а никак не ярко и чисто голубое.
Третье 'против' - если рассматривать освещённую солнечным светом атмосферу 'в разрезе', с высоко летящего самолёта или спутника, то, поскольку воздух запылёи н тем больше, чем он ближе к поверхности Земли, то максимум голубизны как раз должен быть именно внизу, у поверхности. Снимки же показывают белесый слой у земной поверхности, а голубизна нарастает как раз с многокилометровой высотой, постепенно переходя в черноту космического пространства.
Четвёртое - в случае избирательного рассеяния света на пылинках, пылевая буря должна порождать яркое голубое сияние, чего на практике никогда не наблюдалось, как равно и ярко голубой туман!
(Цветной туман наличествует только в возбуждённом приличными дозами спиртного воображении поэтов:
'И снова в золотом тумане
Как будто неземной аккорд'
А Блок, Авиатор
'Сквозь туман кремнистый путь блестит'
'Спит земля в тумане голубом'
М.Лермонтов. Выхожу один я на дорогу
'Плавают в сиреневом тумане
Мёртвые немые корабли'
А. Вертинский)
Пятое - красные рассветы и закаты конвенционально объясняются тем, что, де, свет Солнца распространяется близ земной поверхности и проходит к нам через толстые слои запылённой атмосферы, которая и производит 'селекцию' по длинам волн. Красные лучи, самые длиноволновые, рассеиваются в пыльной атмосфере во много раз меньше синих, потому и получаются рассветы и закаты красными.
Но тогда пыли следует отказать и во всех предыдущих 'недостатках', которые, тем не менее, наличествуют!
Раз пыль рассеивает лучи по закону Релэя, то все вышеупомянутые факты и соображения следует отвергнуть и, вопреки теории и практике, признать пыль созидателем и голубого и красного неба!
Ибо одно из двух, если пыль рассеивает лучи по-разному, то она должна создавать и голубой цвет, а не только красный, или она НЕ МОЖЕТ вообще производить избирательного рассеяния по длинам волн!
Идея Релэя.
Что говорит за неё?
Первое, что молекулы воздуха, основных газов его составляющих азота и кислорода, по своим размерам - несколько Ангстрем, хорошо подходят для рассеяния света по закону Релея! Они действительно очень малы по сравнению с длиной световых волн. Поэтому они и рассеивают голубой свет намного лучше красного.
Что против?
Мандельштам теоретически доказал, что молекулы воздуха при нормальной плотности, давлении и температуре расположены настолько плотно друг к другу, что НЕ МОГУТ быть индивидуальными рассеивателями световых волн. Этим одним вся идея Релэя становилась неверной.
Идея Мандельштама.
Что говорит за неё?
Свет, согласно его идее, рассеивается НЕ НА ОТДЕЛЬНЫХ МОЛЕКУЛАХ (смотри выше - почему), а на их хаотически возникающих скоплениях-разряжениях, то есть на флюктуациях плотности воздуха. Чем больше плотность, тем больше флюктуаций в единице объёма. Сами эти мгновенно возникающие и исчезающие 'сжатия-разряжения' по размерам тоже очень маленькие и поэтому могут рассеивать свет по закону Релэя.
Что против?
Первое - для интенсивного рассеяния световых волн необходимо сильно различие в 'оптических плотностях' указанных флюктуаций. Если это частицы пыли, то на них могли бы сильно рассеиваться волны света. Если говорить об отдельных молекулах, летающих в пустоте, то тоже каждая - может быть индивидуальным рассеивающим центром. А, вот спонтанно возникающие точечные колебания плотности воздуха, НАВРЯД ЛИ могут по плотности СИЛЬНО отличаться от средней плотности окружающего воздуха.
Второе - относящееся к первому. Коль скоро этот процесс случайный, вероятностный, то чем больше молекул должны столкнуться в данном маленьком объёме, чтобы создать существенно изменённую плотность воздуха, тем меньше вероятность такого события. А чем меньше молекул должно оказаться в данном объёме в данный миг, тем это совпадение более вероятно. Из этого рассуждения следует, что для сильных колебаний плотности в малом объёме в данный миг должно чисто случайно оказаться МНОГО молекул, что противоречит законам вероятностей.
Или много молекул, но таких флюктуаций будет слишком мало, для рассеяния большого количества световых волн, или мало молекул, но гораздо в больших количествах но тогда, из-за малого отличия плотности флюкутации от средней оптической плотности окружающего воздуха, рассеяние будет крайне слабым по интенсивности.
Третье - снова, смотрим на 'разрез атмосферы'. Если бы идея Мандельштама была верна, то атмосфера светилась бы ярким голубым светом именно вблизи поверхности Земли (там плотность воздуха больше -- флюктуаций больше...) Но опять прилегающий многокилометровый слой воздуха имеет отчётливо белесый, а никак не голубой оттенок! И лишь где-то высоко вдруг появлятся яркая голубизна.
Резюме.
Первое - вынужденно отбрасываем идею Тиндаля о пыли, ибо она по бОльшей части состоит из частичек равных и гораздо бОльших чем длины световых волн и она способна лишь добавить некую белесость цвету неба, что и наблюдается на практике.
Второе - идея Релэя ВЕРНА, и именно она объясняет хорошо голубой цвет ВЕРХНИХ СЛОЁВ АТМОСФЕРЫ, которые и создают это голубое рассеяние. Дело в том, что с высотой плотность атмосферы уменьшается, то есть молекулы воздуха РЕДЕЮТ, и летая в относительной пустоте МОГУТ БЫТЬ сильными индивидуальными рассеивателями волн по закону Релэя!
Но только на большой высоте.
В пользу ЭТОГО ОБЪЯСНЕНИЯ говорит и такой общеизвестный факт: Мы с земли видим высоко летящий самолёт НА ФОНЕ голубого неба. Если бы вся атмосфера светилась бы голубизной, и чем ближе к поверхности, тем сильней, мы бы просто не могли видеть нечто, летящее на высоте 12-16 км, а в Тропосфере (слое толщиной в 16 км) сосредоточены 90% всей массы атмосферы!
Идея Мандельштама тоже ВЕРНА, но она-то как раз объясняет не голубизну неба, а его красноту на рассвете и закате.!
Свет Солнца при этом проходит через толстые слои ПЛОТНОГО воздуха, где много флюктуаций, но из-за малого различия их оптической плотности по сравнению со средней у плотного воздуха, интенсивность рассеянного ими света весьма мала и лишь очень толстые слои таких флюктуаций могут реально дать заметный эффект селекции волн по их длинам. Поэтому красные волны и проходят через толстые слои флюктуаций, а голубые слабо рассеиваются. Снимки атмосферы 'в разрезе' показывают лёгкий голубой оттенок части атмосферы у края диска Земли. Это и есть слабенькое рассеяние Мандельштама. Глядя по вертикали мы видим слой воздуха лишь в несколько десятков, а не сотен и тысяч километров, и там главную роль в голубизне играет верхний слой разряжённого воздуха, отдельных молекул, рассеивающих свет по закону Релэя.
22 VI 2024
P.S. Забыл дописать, что свет, рассеянный молекулами разряжённого воздуха, поляризован, то есть направления векторов его электрической и магнитной индукции занимает в пространстве вполне определённое у всех волн или фотонов положение. В этом легко может убедиться каждый, если будет рассматривать голубое небо через поляризатор, которым может быть выбранный из любой детской игрушки с экраном из жидких кристаллов верхний слой прозрачной пластмассы. Вращая такой кусочек вокруг оси, перпендикулярной его плоскости, интересующийся заметит сильные изменения яркости неба от голубого до тёмносинего.
Чем вызвана такая поляризация рассеянного света?
Влиянием на молекулы геоэлектрического и геомагнитного полей. Поскольку молекула - это не нечто застывшее на века, а вполне активно функционирующий механизм, в котором атомы связаны друг с другом общими обменными электронами внешних оболочек. Так что они представляют собой не диполи и не квадруполи, а триполи. Где по краям находятся положительные ионы, а в серединке - отрицательные пульсирующие заряды. Естественно, такие молекулы обладают своими достаточно сложными по форме электрическим и магнитным полями и поэтому указанные геополя могут поворачивать их, располагая все молекулы опрелелённым образом, с определённой ориентацией в пространстве, а значит и рассеянное такими молекулами излучение тоже имеет упорядоченный поляризованный характер.