В ясный солнечный день небо над нами выглядит ярко-синим. Вечером закат окрашивает небосвод в красные, розовые и оранжевые цвета. Почему небо имеет голубой цвет? Что делает закат красным?
Для ответа на эти вопросы нужно знать, что такое свет и из чего состоит атмосфера Земли.
Атмосфера
Атмосфера - это смесь газов и других частиц, окружающих землю. В основном атмосфера состоит из газообразных азота (78%) и кислорода (21%). Газ аргон и вода (в виде пара, капель и ледяных кристаллов) следующие по распространённости в атмосфере, их концентрация не превышает соответственно 0,93 % и 0,001%. В атмосфере Земли в небольших количествах содержатся и другие газы, а так же мельчайшие частицы пыли, сажи, пепла, пыльцы и соли, попадающей в атмосферу из океанов.
Состав атмосферы изменяется в небольших пределах в зависимости от места, от погоды и т.д. Концентрация воды в атмосфере увеличивается во время ливневых штормов, а так же вблизи океана. Вулканы способны выбросить огромное количество пепла высоко в атмосферу. Техногенные загрязнения могут так же добавить к обычному составу атмосферы различные газы или пыль и сажу.
Плотность атмосферы на низкой высоте у поверхности Земли является наибольшей, с увеличением высоты она плавно уменьшается. Между атмосферой и космосом отсутствует какая-либо ярко выраженная граница.
Световые волны
Свет является разновидностью энергии, перенос которой осуществляется с помощью волн. Кроме света, с помощью волн осуществляется перенос других видов энергий, например, звуковая волна является колебаниями воздуха. Световая волна является колебаниями электрических и магнитных полей, этот диапазон называется электромагнитным спектром.
Электромагнитные волны распространяются через безвоздушное пространство со скоростью 299,792 км/с. Скорость распространения этих волн называется скоростью света.
Энергия излучения зависит от длины волны и её частоты. Длина волны - это расстояние между двумя ближайшими вершинами (или впадинами) волны. Частота волны - это число колебаний волны за секунду. Чем длиннее волна, тем ниже её частота, и тем меньше энергии она несёт.
Цвета видимого света
Видимый свет является частью электромагнитного спектра, который может быть виден нашими глазами. Свет, испускаемый Солнцем или лампой накаливания может иметь белый цвет, но на самом деле он является смесью различных цветов. Можно увидеть различные цвета видимого спектра света, разложив его на составляющие с помощью призмы. Этот спектр так же можно наблюдать на небе в виде радуги, возникающей из-за преломления света Солнца в капельках воды, действующих как одна гигантская призма.
Цвета спектра смешиваются, непрерывно переходят один в другой. На одном конце спектр имеет красный или оранжевый цвета. Эти цвета плавно переходят в жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый цвета. Цвета имеют различные длины волн, разные частоты и различаются по энергиям.
Распространение света в воздухе
Свет распространяется через пространство по прямой до тех пор, пока на его пути нет препятствий. При входе световой волны в атмосферу свет продолжает распространяться прямолинейно до тех пор, пока на его пути не окажется пыль или молекулы газа. В этом случае то, что произойдёт со светом будет зависеть от его длины волны и размера частиц, оказавшихся на его пути.
Частицы пыли и капли воды имеют размеры гораздо больше, чем длина волны видимого света. Свет отражается в различных направлениях при столкновениях с этими крупными частицами. Различные цвета видимого света одинаково отражаются этими частицами. Отражённый свет кажется белым, так как он всё ещё содержит те же самые цвета, которые были в нём до отражения.
Молекулы газов имеют меньшие размеры, чем длина волны видимого света. Если световая волна сталкивается с ними, то результат столкновения может быть различным. Когда свет сталкивается с молекулой какого-либо газа, то часть его поглощается. Чуть позже молекула начинает излучать свет в различных направлениях. Цвет излучающегося света является тем же самым цветом, который был поглощён. Но цвета различных длин волн поглощаются по-разному. Любые цвета могут поглощаться, но более высокие частоты (голубой цвет) поглощаются гораздо сильнее, чем низкие частоты (красный цвет). Этот процесс называется рассеянием Рэлея, оно названо так в честь британского физика Джона Рэлея, открывшего это явление рассеяния в 1870-х годах.
Почему небо синее?
Небо имеет голубой цвет из-за рассеяния Рэлея. По мере продвижения света через атмосферу большая часть длинных волн оптического спектра проходит без изменений. Только незначительная часть красного, оранжевого и жёлтого цветов взаимодействует с воздухом.
Однако многие более короткие волны света поглощаются молекулами газов. После поглощения голубой цвет излучается во всех направлениях. Он рассеивается повсюду на небе. В каком бы направлении не посмотреть, часть из этого рассеянного синего света достигает наблюдателя. Так как синий свет виден повсюду над головой, то и небо выглядит голубым.
Если посмотреть в сторону горизонта, то небо будет иметь более бледный оттенок. Это является результатом того, что свет проходит большее расстояние в атмосфере до наблюдателя. Рассеянный свет снова рассеивается атмосферой, и меньше голубого цвета достигает глаз наблюдателя. Поэтому цвет неба у горизонта кажется бледнее или даже кажется совсем белым.
Чёрное небо и белое солнце
С Земли Солнце кажется жёлтым. Если бы мы находились в космосе или на Луне, то Солнце казалось бы нам белым. В космосе нет атмосферы, которая рассеивает солнечный свет. На Земле часть коротких волн солнечного света (голубой и фиолетовый цвета) поглощаются рассеянием. Оставшаяся часть спектра выглядят жёлтым цветом.
Кроме того, в космосе небо выглядит тёмным или чёрным вместо голубого. Это результат отсутствия атмосферы, следовательно свет никак не рассеивается.
Почему закат красный?
Когда Солнце клонится к закату, то солнечному свету приходится проходить большее расстояние в атмосфере, что бы достичь наблюдателя, соответственно больше солнечного света отражается и рассеивается атмосферой. Так как меньше прямого света достигает наблюдателя, то Солнце кажется менее ярким. Цвет Солнца так же кажется другим, он имеет диапазон цветов от оранжевого до красного. Это происходит из-за того, что рассеивается ещё больше коротковолновых цветов, голубого и зелёного. Остаются только длинноволновые составляющие оптического спектра, которые и достигают глаз наблюдателя.
Небо вокруг заходящего солнца может быть окрашено в разные цвета. Наиболее красивым небо бывает тогда, когда воздух содержит множество маленьких частиц пыли или воды. Эти частицы отражают свет во всех направлениях. В этом случае происходит рассеяние более коротких световых волн. Наблюдатель видит световые лучи более длинных волн, и поэтому небо кажется красным, розовым или оранжевым.
Более подробно об атмосфере
Что такое атмосфера?
Атмосфера - это смесь газов и других веществ, которые окружают Землю, в виде тонкой, в основном прозрачной оболочки. Атмосфера удерживается на месте благодаря притяжению Земли. Основными компонентами атмосферы являются азот (78,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%) и диоксид углерода (0.03%). Так же в атмосфере содержатся в небольших количествах вода (в разных местах её концентрация колеблется от 0% до 4%), твёрдые частицы, газы неон, гелий, метан, водород, криптон, озон и ксенон. Наука, которая изучает атмосферу, называется метеорологией.
Жизнь на Земле была бы невозможна без наличия атмосферы, которая поставляет кислород, необходимый нам для дыхания. Кроме того, атмосфера выполняет и другую важную функцию - она выравнивает температуру по всей планете. Если бы атмосферы не было, то в одних местах планеты могла бы быть испепеляющая жара, а в других местах сильнейший холод, диапазон температур мог бы колебаться от -170°C ночью до +120°C днём. Так же атмосфера защищает нас от вредного излучения Солнца и космоса, поглощая и рассеивая его.
От всего количества энергии Солнца, достигающей Земли, примерно 30% отражается облаками и земной поверхностью обратно в космос. Атмосфера поглощает примерно 19% излучения Солнца, и только 51% поглощается поверхностью Земли.
Воздух имеет вес, хотя мы и не сознаём этого, и не ощущаем давления воздушного столба. На уровне моря это давление имеет величину одну атмосферу, или 760 мм ртутного столба (1013 миллибар или 101,3 кПа). С увеличением высоты атмосферное давление быстро снижается. Давление падает в 10 раз при увеличении высоты на каждые 16 км. Это означает, что при давлении 1 атмосфера на уровне моря, на высоте 16 км давление будет равно 0,1 атм, а на высоте 32 км - 0,01 атм.
Плотность атмосферы в самых низших её слоях составляет 1,2 кг/м 3 . В каждом кубическом сантиметре воздуха содержится примерно 2,7*10 19 молекул. На уровне земли каждая молекула движется со скоростью около 1600 км/час, при этом частота столкновения с другими молекулами составляет 5 миллиардов раз в секунду.
Плотность воздуха также быстро падает с ростом высоты. На высоте 3 км плотность воздуха уменьшается на 30%. Люди, живущие вблизи уровня моря при поднятии на такую высоту испытывают временные проблемы с дыханием. Наибольшая высота, на которой постоянно проживают люди, составляет 4 км.
Строение атмосферы
Атмосфера состоит из разных слоёв, разделение на эти слои происходит по их температуре, молекулярному составу и электрическим свойствам. Эти слои не имеют ярко выраженных границ, они сезонно изменяются, и кроме того их параметры меняются на разных широтах.
Разделение атмосферы на слои в зависимости от их молекулярного состава
Гомосфера
- Нижние 100 км, включая Тропосферу, Стратосферу и Мезопаузу.
- Составляет 99% массы атмосферы.
- Молекулы не разделяются по молекулярному весу.
- Состав достаточно однороден, за исключением некоторых небольших локальных аномалий. Однородность поддерживается постоянным смешиванием, турбуленцией и турбулентной диффузией.
- Вода является одним из двух компонентов, распределённых неравномерно. Когда водяной пар поднимается вверх, он охлаждается и конденсируется, возвращаясь затем на землю в виде осадков - снега и дождя. Стратосфера сама по себе очень сухая.
- Озон является другой молекулой, распределение которой неравномерно. (Об озоновом слое в стратосфере читайте ниже.)
Гетеросфера
- Простирается выше гомосфераы, включает в себя Термосферу и Экзосферу.
- Разделение молекул этого слоя основано на их молекулярных массах. Более тяжёлые молекулы, такие как азот и кислород, концентрируются в нижней части слоя. Более лёгкие, гелий и водород, преобладают в верхней части гетеросферы.
Разделение атмосферы на слои в зависимости от их электрических свойств.
Нейтральная атмосфера
- Ниже 100 км.
Ионосфера
- Примерно выше 100 км.
- Содержит электрически заряженные частицы (ионы), возникающие при поглощении ультрафиолетового света
- Степень ионизации изменяется с высотой.
- Различные слои отражают длинные и короткие радиоволны. Это позволяет радиосигналам, распространяющимся по прямой, огибать сферическую поверхность земли.
- В этих атмосферных слоях происходят полярные сияния.
- Магнитосфера является верхней частью ионосферы, простирающейся примерно до высоты 70000 км, эта высота зависит от интенсивности солнечного ветра. Магнитосфера защищает нас от заряженных частиц высоких энергий солнечного ветра, удерживая их в магнитном поле Земли.
Разделение атмосферы на слои в зависимости от их температур
Высота верхней границы тропосферы зависит от сезонов и широты. Она простирается от земной поверхности до высоты примерно 16 км у экватора, и до высоты 9 км на Северном и Южном полюсах.
- Префикс "тропо" означает изменения. Изменение параметров тропосферы происходит из-за погодных условий - например, из-за перемещения атмосферных фронтов.
- С увеличением высоты температура падает. Тёплый воздух поднимается вверх, затем охлаждается и спускается обратно на Землю. Этот процесс называется конвекцией, он возникает в следствии движения воздушных масс. Ветры в этом слое дуют преимущественно вертикально.
- Этот слой содержит больше молекул, чем все другие слои, вместе взятые.
Стратосфера - простирается примерно от высоты 11 км до 50 км.
- Имеет очень тонкий слой воздуха.
- Префикс "страто" относится к слоям или разделению на слои.
- Нижняя часть Стратосферы довольно спокойная. Реактивные самолёты часто летают в нижней части Стратосферы для того, что бы обойти плохую погоду в Тропосфере.
- В верхней части Стратосферы дуют сильные ветры, известные как высотные струйные течения. Они дуют горизонтально со скоростями до 480 км/час.
- Стратосфера содержит "озоновый слой", расположенный на высоте примерно 12 до 50 км (в зависимости от широты). Хотя концентрация озона в этом слое всего 8 мл/м 3 , он очень эффективно поглощает вредные ультрафиолетовые лучи солнца, тем самым защищая жизнь на земле. Молекула озона состоит из трёх атомов кислорода. Молекулы кислорода, которыми мы дышим, содержат два атома кислорода.
- Стратосфера очень холодная, её температура составляет примерно -55°C в нижней части и возрастает с высотой. Увеличение температуры связано с поглощением ультрафиолетовых лучей кислородом и озоном.
Мезосфера - простирается до высот примерно 100 км.
- С увеличением высоты температура быстро растёт.
Термосфера - простирается до высот примерно 400 км.
- С увеличением высоты температура быстро возрастает из-за поглощения очень коротковолнового ультрафиолетового излучения.
- Метеоры, или "падающие звёзды", начинают сгорать на высотах примерно 110-130 км над поверхностью Земли.
Экзосфера - простирается на сотни километров за Термосферу, постепенно переходя в космическое пространство.
- Плотность воздуха здесь так низка, что применение понятия температуры теряет всякий смысл.
- При столкновении друг с другом молекулы часто улетают в космос.
Почему цвет неба голубой?
Видимый свет является разновидностью энергии, способной перемещаться через пространство. Свет от Солнца или лампы накаливания кажется белым, хотя в действительности он является смесью всех цветов. Основные цвета, из которых сложен белый цвет это красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета непрерывно переходят один в другой, поэтому кроме основных цветов имеется ещё огромное количество всевозможных оттенков. Все эти цвета и оттенки можно наблюдать на небе в виде радуги, возникающей в области повышенной влажности.
Воздух, заполняющий всё небо, является смесью мельчайших молекул газа и небольших твёрдых частиц, таких как пыль.
По мере того, как солнечный свет проходит сквозь воздух, он натыкается на молекулы и пыль. Когда свет сталкивается с молекулами газа, то может произойти отражение света в различных направлениях. Некоторые цвета, например, красный и оранжевый, напрямую достигают наблюдателя, непосредственно проходя через воздух. Но большая часть синего света переотражается от молекул воздуха во всех направлениях. Таким образом происходит рассеивание синего света по всему небу и оно кажется голубым.
Когда мы смотрим вверх, то некоторая часть этого голубого свет достигает наших глаза ото всех концов неба. Так как повсюду над головой нам виден синий цвет, то небо выглядит голубым.
В космическом пространстве отсутствует воздух. Так как там нет препятствий, от которых свет мог бы отражаться, то свет распространяется напрямую. Лучи света не рассеиваются, и "небо" выглядит тёмным и чёрным.
Эксперименты со светом
Первый эксперимент - разложение света в спектр
Для проведения этого эксперимента понадобится:
- небольшое зеркало, кусок белой бумаги или картона, вода;
- большой мелкий сосуд типы кюветы или миски, или пластиковая коробка из-под мороженого;
- солнечная погода и окно, выходящее на солнечную сторону.
Как проводить эксперимент:
- Наполните кювету или миску на 2/3 водой, и поставьте на пол или на стол так, что бы прямой солнечный свет достигал воды. Наличие прямого солнечного света является обязательным для правильного проведения эксперимента.
- Установите зеркало под водой так, что бы на него попадали солнечные лучи. Держите над зеркалом кусок бумаги так, что бы отражённые зеркалом лучи солнца попадали на бумагу, если необходимо, отрегулируйте их взаимное положение. Наблюдайте цветной спектр на бумаге.
Что происходит: вода и зеркало действуют как призма, разлагая свет на цветовые составляющие спектра. Это происходит потому, что лучи света, проходя из одной среды (воздуха) в другую (воду) изменяют свою скорость и направление. Это явление называется рефракцией. Различные цвета преломляются по-разному, фиолетовые лучи сильнее тормозятся и сильнее изменяют своё направление. Красные лучи замедляются и меняют своё направление в меньшей степени. Свет разделяется на составляющие цвета, и мы можем видеть спектр.
Второй эксперимент - моделирование неба в стеклянной банке
Материалы, необходимые для проведения эксперимента:
- прозрачный высокий стакан или прозрачная пластиковая либо стеклянная банка;
- вода, молоко, чайная ложка, фонарик;
- тёмная комната;
Проведение эксперимента:
- Наполнить стакан или банку на 2/3 водой, примерно 300-400 мл.
- В воду добавить от 0,5 до одной ложки молока, смесь взболтать.
- Взяв стакан и фонарик, перейти в тёмную комнату.
- Держите фонарик над стаканом с водой и направьте луч света на поверхность воды, посмотрите на стакан со стороны. При этом вода будет иметь синеватый оттенок. Теперь направьте фонарик на стакан сбоку, и посмотрите на луч света с другой стороны стакана, так что бы свет прошёл через воду. При этом у воды появится красноватый оттенок. Поместите фонарик под стакан и направьте луч света вверх, при этом смотря на воду сверху. При этом красноватый оттенок у воды будет выглядеть более насыщенным.
Что в этом эксперименте происходит: мелкие частицы молока, взвешенные в воде, рассеивают свет, идущий от фонарика точно так же, как частицы и молекулы в воздухе рассеивают солнечный свет. Когда стакан освещается сверху, то вода кажется голубоватой из-за того, что голубой цвет рассеивается во все стороны. Когда вы смотрите через воду непосредственно на свет, то свет фонаря кажется красным, так как часть синих лучей была удалена из-за рассеяния света.
Третий эксперимент - смешивание цветов
Вам понадобится:
- карандаш, ножницы, белый картон или кусок ватмана;
- цветные карандаши или фломастеры, линейка;
- кружка или большая чашка с диаметром в верхней части 7...10 см или штангенциркуль.
- бумажный стакан.
Как проводить эксперимент:
- Если нет штангенциркуля, то используйте кружку в качестве шаблона для рисования окружности на куске картона, вырежьте эту окружность. С помощью линейки разделите окружность на 7 приблизительно равных секторов.
- Раскрасьте эти семь секторов в цвета основные спектра - красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Старайтесь раскрасить диск как можно аккуратнее и равномернее.
- Проделайте отверстие в середине диска и насадите диск на карандаш.
- Проделайте отверстие в днище бумажного стаканчика, диаметр отверстия должен быть чуть больше диаметра карандаша. Переверните стаканчик вверх дном и вставьте в него карандаш с насаженным диском так, что бы грифель карандаша опирался на стол, отрегулируйте положение диска на карандаше так, что бы диск не касался дна стаканчика и находился над ним на высоте 0,5..1,5 см.
- Быстро раскрутите карандаш и смотрите на вращающийся диск, обратите внимание на его цвет. При необходимости проведите регулировку диска и карандаша так, что бы они могли легко вращаться.
Объяснение увиденного явления: цвета, которыми раскрашены секторы на диске, являются основными составляющими цветами белого света. Когда диск вращается достаточно быстро, то кажется, что цвета сливаются, и диск выглядит белым. Попробуйте поэкспериментировать с другими комбинациями цветов.
В ясный солнечный день небосвод над нами имеет ярко-синий цвет. Вечером, на закате, небо обретает приятный для глаза глубокий красный цвет с многочисленными оттенками. Так почему же небо днем голубое? Что делает закат красным? Каким образом прозрачный воздух переливается синими и красными оттенками в разное время суток?
Я представлю 2 ответа здесь: первый - более упрощенный для широкого читателя, второй - более научный и точный. Выберите уж сами, какой вам по душе.
1. Почему небо голубое, а не зеленое? Ответ для чайников
Свет от Солнца или лампы выглядит белым, но на самом деле белый цвет-это смесь всех 7 существующих цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового (рис. 1). Небо (атмосфера) наполнено воздухом. Воздух представляет собой смесь з крошечных молекул газа и небольших кусочков твердого материала, такого как, например, пыль. Так как солнечный свет проходит сквозь воздух, он сталкивается с частицами воздуха. Когда луч света попадает на молекулы газа, он может "отскочить" в другом направлении (рассеиваться).
Некоторые составные цвета белого света,такие как красный и оранжевый, проходят от Солнца к нам в глаза прямо, без рассеивания. Но большинство лучей голубого цвета "отскакивает" от частиц воздуха по всем направлениям. Таким образом, все небо оказывается буквально пронизанным голубыми лучами. Когда вы смотрите вверх, часть этого голубого света достигает глаза и вы видитеотовсюду над головой голубой свет! Вот,собственно, почему небо голубое!
Естественно, все упрощено по максимуму, но ниже представлен параграф, где более фундаментально описано свойство нашего с вами любимого неба над головой и причины, которые объясняют, почему все-таки цвет неба именно голубой, а не зеленый!
2. Почему небо голубое? Ответ для продвинутых
Давайте рассмотрим более детально природу света и цвета. Цвет, как все знают, - это свойство света, которое могут воспринимать и определять наши глаза и мозг. Свет от солнца - это большое количество белых лучей, которые состоят из всех 7 цветов радуги. Свет обладает свойством дисперсии (рис. 1). Всё освещается Солнцем, но некоторые предметы отражают лучи только одного цвета, например, синего, а другие предметы - только лучи желтого и тд. Таким образом человек определяет цвета. Итак, Солнце светит на Землю своими белыми лучами, но её окутывает атмосфера (толстый слой воздуха), и когда этот белый (состоящий из всех цветов) луч проходит через атмосферу, именно воздух рассеивает (распространяет) все 7 цветных лучей белого солнечного луча, но с большей силой именно его сине-голубые лучи (проще говоря, атмосфера буквально начинает светиться голубым цветом). Другие цвета напрямик попадают от Солнца к нам в глаза (рис 2).
Почему именно голубой цвет поддается наибольшему рассеиванию в атмосфере? Это природное явление, и описывается оно физическим законом Рэлея. Если объяснять проще, то существует формула, которую вывел Рэлей в 1871 году, и которая определяет, как зависит рассеивание света (луча) от цвета этого луча (то есть от такого свойства луча, как его длина волны). И так уж получилось, что наименьшую длину волны и соответственно наибольшее рассеивание имеет именно небесно-голубой цвет.
Почему во время восхода и Заката небо красное? На закате или восходе Солнце находится низко над горизонтом, из-за чего солнечные лучи наклонно падают
ют на Землю. Длина луча, естественно, многократно увеличивается (рис. 3), и поэтому на таком огромном расстоянии почти вся коротковолновая (сине-голубая) часть спектра рассеивается в атмосфере и не доходит до поверхности Земли. Доходит до нас только длинные волны, жёлто-красные. Как раз такой цвет и приобретает небо во время восхода заката. Вот почему небо кроме голубого и синего бывает и желтым и красным!
А сейчас для полного понимания всего вышесказанного несколько слов о том, что из себя представляет атмосфера.
Что такое атмосфера (небесный свод)?
Атмосфера представляет собой смесь молекул газа и других материалов, окружающих Землю. В основном атмосфера состоит из газов азота (78%) и кислорода (21%). Газы и вода (в виде паров, капель и ледяных кристаллов) являются наиболее распространенными составными частями атмосферы. Есть также небольшое количество других газов, а также множество мелких твердых частиц, таких как пыль, сажа, пепел, соль из океанов и тд. Состав атмосферы меняется в зависимости от географического положения, от погоды и многого другого. Где-то может быть больше воды в воздухе после ливня или рядом с океаном, где-то вулканы извергают большое количество частиц пыли высоко в атмосферу.
Атмосфера более плотная в своей нижней части, рядом с Землей. Она с высотой постепенно утончается. Не существует резкого разрыва между атмосферой и пространством. Вот почему мы видим переливы голубого и синего на небе, именно потому, что атмосфера на небе везде разная, имеет различную структуру и свойства.
Если коротко, то …»Солнечный свет, взаимодействуя с молекулами воздуха, рассеивается на разные цвета. Из всех цветов лучше всего к рассеиванию предрасположен именно голубой цвет. Получается, что он фактически захватывает воздушное пространство».
А теперь давайте подробнее
Только дети могут задавать настолько простые вопросы, на которые совершенно взрослый человек не знает, как ответить. Наиболее распространенный вопрос терзающий детские головы: «Почему небо синее?» Однако правильный ответ даже для себя знает не каждый родитель. Найти его поможет наука физика и ученые, пытающиеся ответить на него на протяжении не одной сотни лет.
Ошибочные объяснения
Люди на протяжении многих столетий искали ответ на этот вопрос. Люди древности считали, что такой цвет является любимым для Зевса и Юпитера. В свое время объяснения цвета неба волновали таких великих умов как Леонардо да Винчи и Ньютон. Леонардо да Винчи считал, что соединяясь между собой, тьма и свет образуют более светлый оттенок – синий. Ньютон связывал голубой цвет со скоплением в небе большого количества водяных капель. Однако, только в ХIX веке получилось прийти к правильному заключению.
Спектр
Чтобы ребенок понял правильное объяснение при помощи науки физики, первоначально ему нужно понять, что луч света представляет собой летящие на большой скорости частицы – отрезки электромагнитной волны. В потоке света длинные и короткие лучи движутся вместе, а человеческим глазом воспринимаются совместно как белый свет. Проникая в атмосфере через мельчайшие капли воды и пыли, они рассеиваются на все цвета спектра (радуги).
Джон Вильям Релей
Еще в 1871 году британский физик лорд Релей заметил зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны. Рассеяние света Солнца на неоднородностях атмосферы объясняет, почему небо голубое. Согласно закону Релея голубые солнечные лучи рассеиваются на много интенсивнее, чем оранжевые и красные, так как имеют меньшую длину волны.
Воздух возле поверхности Земли и высоко в небе состоит из молекул, из-за чего солнечный свет рассеивается еще высоко в воздушной атмосфере. Он доходит до наблюдателя со всех сторон, даже из самых отдаленных. Спектр рассеянного воздуха света заметно отличается от прямого солнечного света. Энергия первого передвинута на желто-зеленую часть, а второго – на синюю.
Чем интенсивнее рассеивание прямого солнечного света, тем более холодным будет казаться цвет. Наиболее сильное рассеивание, т.е. самая коротка волна — у фиолетового цвета, длинноволновое рассеивание – у красного. Поэтому во время заката Солнца отдаленные от него территории неба кажутся голубыми, а самые близкие – розовые или алые.
Рассветы и закаты
Во время заката и рассвета человек чаще всего видит розовые и оранжевые оттенки на небе. Это объясняется тем, что свет от Солнца проходит очень низко к поверхности земли. Из-за этого, путь который нужно совершить свету во время заката и рассвета намного длиннее, чем днем. По причине того, что лучи проходят наибольший путь через атмосферу, основная часть синего света рассеивается, поэтому свет солнца и близлежащих облаков кажутся человеку красноватыми или с розовым оттенком.
Ярко-багровые восходы и закаты обусловлены тем, что атмосфера просеивает длинные красные световые волны. (Фото кликабельно)
Несмотря на белизну солнечного света (то есть содержание им всех цветов спектра), небо в солнечный день кажется голубым. Это происходит благодаря тому, что солнечный свет, проходя через атмосферу, наталкивается на молекулы воздуха и пылинки, в результате чего выделяются световые волны различной длины.
Этот процесс называется просеиванием. В ясный день небо кажется голубым потому, что мелкие атмосферные частицы лучше пропускают короткие голубые волны, чем длинные красные. Однако на восходе или на закате - и особенно при запыленности воздуха - небо выглядит красным. Это объясняется тем, что солнечному свету приходится преодолевать гораздо большее расстояние, когда он проходит через атмосферу вблизи горизонта. Голубой свет полностью отражается глазом, в то время как крупные частицы пыли пропускают красный свет, что и вызывает прекрасное зрелище вечернего неба.
Просеивание красного света
Когда солнце находится над горизонтом, его свет преодолевает в атмосфере долгий путь. Синий свет отражается глазом. Красный свет отражается в меньшей степени и просеивается крупными частицами пыли в воздухе.
Рождение неба
Когда солнце находится в зените, его свет проникает через сравнительно тонкий слой атмосферы. В процессе, который называется просеиванием Рэлея, мелкие молекулы воздуха гораздо эффективнее отделяют синий свет, чем красный, и поэтому небо кажется голубым.
Солнечный спектр
Люди видят лишь малую долю света солнца, диапазон которого простирается от коротковолнового гамма-излучения до длинных радиоволн. Человеческий глаз способен воспринимать лишь узкий диапазон световых волн, от 380 до 770 нанометров (нм). Нанометр - это одна миллиардная часть метра.
Призма
Призма расщепляет солнечный свет на семь цветов, от красного до фиолетового, создает видимый свет.
«Почему небо голубое?» — это один из самых популярных детских вопросов. Но, к сожалению, не каждый взрослый может на него ответить. Во-первых, нужно обладать знаниями из области физики. А, во-вторых, уметь доступно объяснять сложную информацию маленькому ребенку.
Попытаемся коротко формулировать ответ на этот вопрос с точки зрения физики, но простым языком.
Почему небо голубое, можно объяснить несколькими пунктами:
Почему небо голубое — видео для детей
В интернете есть специальные видео и презентации для детей на тему: «Почему небо голубое?». Они созданы с учетом возраста, поэтому ответ на вопрос будет простым и понятным. Конечно, любое видео сначала нужно предварительно просмотреть. После просмотра можно поиграть ребенку в игру. Попросите его стать учителем и объяснить вам, почему небо голубое. Таким образом, вы сможете узнать, как усвоил информацию малыш. Кроме этого, возможность побыть взрослым доставит ребенку массу положительных эмоций.
Для примера несколько видео ниже.
Почему небо голубое — подробное объяснение
Познавательные короткие мультфильмы детям о том, почему небо голубое
Какого цвета Солнце, небо и тучи? Объяснение для детей с точки зрения физики
Почему небо голубое с точки зрения физики?
Ответить на этот вопрос пытались многие исследователи. Однако только в конце 19 века Д. Рэлей смог дать этому явлению самое лучшее объяснение. Солнце изучает лучи чистого прозрачного света. Следовательно - небо мы также должны видеть белым. Но по пути к земле солнечные лучи меняют свой оттенок. Это возможно благодаря тому, что белый цвет включает в себя спектр из 7 оттенков. Именно благодаря их соединению и получается белый цвет.
Почему же белый цвет распадается на оттенки, но видим мы при этом только голубой? Сначала ученые объясняли это особым составом воздуха, который состоит из большого количества химических компонентов. В земной атмосфере также есть пары воды, кристаллы льда, частички пыли и т.п. В самом верхнем слое формируется озон.
По мнению физиков, которые первыми занимались этим вопросов, молекулы озона и воды поглощают красные лучи, а голубые лучи - пропускают. Однако, сделав точные расчеты, ученые исключили такой вариант объяснения, поскольку в атмосфере просто не так много озона и воды, чтобы сделать небо голубым.
Спустя 70 лет ученый Д. Таиндалл сделал предположение, что свет рассеивается благодаря пыли и прочим частичкам, присутствующим в воздухе. Голубой свет рассеивается меньше всего, поэтому и создается явление голубого небосвода. Ученый утверждал, что если бы воздух был абсолютно чистым, то, небо казалось бы нам тоже белым.
Вскоре и Д. Рэлей пересмотрел свое отношение к тому, почему небо голубое. Он выдвинул предположение о том, что небо окрашивается в голубой свет не частичками дыма, смога или пыли, а непосредственно воздухом. Часть лучей доходит до Земли, не изменяя свой цвет. Но большая часть все же вступает в контакт с молекулами газа и поглощается ними.
При таком взаимодействии молекулы наполняются энергией, возбуждаются и снова излучают энергии в виде фотонов. Полученные таким образом фотоны могут иметь любой цвет. Они рассеиваются в любом направлении. Цвет лучей будет при этом зависеть от преобладания квантов того или иного оттенка. Во время столкновения фотонов и газовых молекул на один вторичный квант красного цвета приходится 8 квантов голубого. Отсюда ученый сделал вывод: мы видим небо голубым за счет преломления цвета из-за газовых молекул.
Как объяснить ребенку, почему небо голубое?
Маленькому ребенку информацию об интересующем его вопросе нужно подавать максимально просто и доступно. Самый оптимальный вариант - прибегнуть к помощи сказок и метафор. Чем меньше ребенок, тем меньше научной информации ему нужно давать. Рассмотрим, как объяснить ребенку, почему небо голубое в разном возрасте.
Объяснение для ребенка 2-3 лет
Малышу этого возраста сложно будет понять информацию о спектрах, длине волн и других премудростях физики. Расскажите ребенку о том, что на нашей Земле есть много различных водоемов: реки, моря, озера. Обязательно покажите ему их на рисунках. Когда на улице тепло и солнечно, то вода отражается на небесах, как будто в зеркальце. Водичка в реке и озере голубая, поэтому и небо тоже голубое. Можно взять любой предмет голубого цвета и продемонстрировать как он отражается в зеркале. А еще лучше подойти к водоему и поднести к нему зеркало. Ребенок увидит реальное подтверждение вашим словам.
Объяснение для ребенка 3-4 лет
Ребенку этого возраста объяснить все более реально. Можно рассказать ему о том, что белый цвет не очень простой. Он включает в себя сразу 7 других оттенков: оранжевый, зеленый, голубой, фиолетовый, синий, желтый и красный. Продемонстрируйте изображение радуги. Все лучи «добираются» к земле через плотный слой воздуха, как через решето. Каждый солнечный луч по пути разбрызгивается и разделяется на отдельные части. Однако голубой цвет самый стойкий, поэтому он сохраняется. Именно он и окрашивает небо в голубой цвет.
Объяснение для ребенка 4-5 лет
Воздух кажется нам прозрачным. Но он такой только вблизи. Но его настоящий цвет - голубой. Предложите ребенку посмотреть на небо. Объясните малышу, что воздух очень плотный, поэтому и кажется издали нам голубым. Чтобы наглядно продемонстрировать ему этот эффект, возьмите отрезок полиэтиленового пакета. Пакет сложите в несколько раз и дайте малышу в руки. Пусть он посмотрит через него на солнце и убедиться в том, что лучи поменяли прозрачность и оттенок.
Объяснение для ребенка 5-6 лет
Воздух - это смесь разный частичек (пара, пыли, газа). Они очень маленькие, поэтому увидеть их непросто. Сделать это можно только с помощью микроскопа. Лучи солнца состоят из 7 оттенков. Пробираясь через поток воздуха, они сталкиваются с маленькими частицами, поэтому и распадаются. Но голубой цвет - самый стойкий, поэтому небосвод и кажется нам именно таким.
А вот еще один вариант ответа. Солнечные лучи кажутся нам короткими и желтыми. Воздух, который находится вокруг нас, состоит из огромного количества частичек, которые мы не видим. Когда солнце посылает на Землю свои лучи, то до поверхности доходят не все из них. Лучи синего цвета самые коротенькие, они не успевают попасть к нам, поэтому растворяются по дороге и становятся голубыми.
Что ответить ребенку, если он задал вопрос неожиданно?
Маленькие «почемучки» в день задают родителям по несколько десятков вопросов. Ответить на них правдиво и доступно получается не всегда. Ведь не каждый родитель читает энциклопедии о технике, окружающем мире и прочих вещах, которые так интересны малышу. Уйти от разговора - не самый лучший вариант. Как поступить в этой ситуации?
Если вопрос «загнал вас в тупик», скажите ребенку, что ответите на него позже. Но свое обещание нужно обязательно сдержать, чтобы у малыша не отпало желание в познании этого мира. Полезно иметь под рукой детскую энциклопедию, которая даст ответы на многие вопросы.
Если ребенку интересна информация о небе, звездах, планетах и т.д., сходите с ним в планетарий. Опытные экскурсоводы просто и доступно расскажут маленькому исследователю об истории появления Земли, звездах, облаках, солнечной системе и т.д.
Выбирая информацию и ответ на вопрос ребенка, ориентируйтесь на его возраст. Если поиск ответа на детский вопрос занял много времени и заставил вас «попотеть», обязательно поблагодарите малыша за то, что вы тоже узнали много нового.
Почему закат красный?
Красные лучи самые длинные. Кроме этого, они меньше всего рассеиваются молекулами газа. Днем солнце поднимается высоко над землей. Солнечные лучи направляются вертикально. А вот вечером, небесное светило опускается за горизонт и освещает землю под углом. Именно поэтому лучам приходится проходить больший путь, чем в дневное время. Сине-голубой спектр поглощается в плотном слое атмосферы и не доходит до поверхности. А вот красно-желтые лучи, благодаря своей длине, достигают Земли и окрашивают небо в красный цвет.
Почему облака белые?
Почему небо голубое стало понятно. Но сразу же возникает закономерный вопрос: «Почему облака белые?». Чтобы дать оптимальный ответ, необходимо разобраться с тем, как они формируются. Влажный воздух, который содержит невидимый пар, нагревается в области земли и поднимается вверх. Вверху атмосферное давление меньше, чем возле земли, поэтому воздух расширяется и охлаждается.
Как только температура пара достигнет определенной температуры, его капельки конденсируются вокруг твердых частичек и крупиц пыли, которая есть в атмосфере. Таким образом, формируются облака. Частички воды довольно маленькие, но они намного больше, чем молекулы газа. Если лучи солнца встречаются с молекулами воздуха, то они рассеиваются. А если с водными каплями, то отражаются. При этом его естественный цвет сохраняется, поэтому он окрашивает белым цветом и молекулы облаков.
