Четыре элемента цветов воздуха относятся к основным цветам, которые можно увидеть в радуге, восходах, закатах и других атмосферных оптических явлениях. Эти четыре элемента — красный, желтый, зеленый и синий. Понимание этих основных компонентов может помочь объяснить, почему мы видим цвета, которые видим в небе.
Красный цвет — это самый длинноволновый видимый цвет в цветовом спектре. Он имеет диапазон длин волн около 620–750 нанометров. Красный — один из трех основных цветов, то есть его нельзя создать путем смешивания других цветов. В атмосфере красные оттенки создаются, когда солнечный свет проходит через частицы пыли или загрязнения в воздухе. Частицы и загрязнения рассеивают синий свет, оставляя после себя более длинные красные волны. Драматические красные восходы и закаты происходят, когда солнечному свету приходится проходить через большую часть атмосферы вблизи горизонта, рассеивая еще больше синего света. Красные полярные сияния также вызваны энергичными частицами солнечных бурь, сталкивающимися с кислородом в верхних слоях атмосферы на определенной длине волны, соответствующей красному цвету.
Желтый — это цвет средней длины волны в видимом спектре света с диапазоном около 570-590 нанометров. Он расположен между красной и зеленой частями спектра. Желтый считается одним из трех основных цветов наряду с красным и синим. В атмосфере желтые оттенки создаются, когда солнечный свет, содержащий полный видимый спектр, проходит через полупрозрачную или тонкую завесу частиц или облаков. Частицы рассеивают часть синего света, пропуская другие цвета, такие как желтый. Желтые восходы и закаты происходят, когда в воздухе находится умеренное количество частиц, которые отфильтровывают только часть синего света. Желтые полярные сияния могут образовываться, когда энергичные частицы сталкиваются с молекулами кислорода и азота на определенных длинах волн, связанных с желтым цветом.
Зеленый цвет имеет длину волны в диапазоне примерно от 490 до 560 нанометров, что делает его средним цветом в спектре видимого света. Он находится между синим и желтым. Зеленый считается одним из трех основных дополнительных цветов. В небе зеленые оттенки образуются, когда солнечный свет проходит через толстые слои атмосферы, содержащие капли воды, кристаллы льда или молекулы воздуха. Капли и кристаллы рассеивают большую часть более длинных красных длин волн, позволяя проходить средним зеленым длинам волн. Глубокие зеленые полярные сияния возникают, когда энергичные частицы взаимодействуют с молекулами кислорода на высотах, которые соответствуют зеленому цвету. Зеленый цвет обычно наблюдается в атмосферной оптике, такой как радуги, гало, глории и короны, вызванные отражением и преломлением солнечного света через капли воды.
Синий цвет имеет самые короткие длины волн видимого света, составляющие около 450-495 нанометров. Это один из трех основных цветов. Синие оттенки доминируют на дневном небе, потому что более короткие синие волны легче рассеиваются молекулами азота и кислорода в верхних слоях атмосферы. Это придает атмосфере ее характерный синий цвет. На восходе и закате солнце находится ниже над горизонтом, и его свет должен проходить через большее количество воздуха. Большая часть синего света рассеивается, позволяя вместо этого видеть красные, оранжевые и желтые цвета. Синие полярные сияния образуются, когда энергичные частицы ударяют молекулы азота на высотах, соответствующих синей части спектра. Синий — наиболее часто наблюдаемый цвет в радуге, гало и глории из-за того, как легко капли воды рассеивают синие длины волн.
Хотя красный, желтый, зеленый и синий представляют собой первичные элементы, они могут смешиваться, создавая широкий спектр вторичных и третичных цветов. Вот несколько примеров того, как четыре элемента сочетаются в атмосфере:
Понимая причины четырех основных цветов воздуха и то, как они смешиваются, мы получаем представление о видимой красоте и науке в нашем небе.
Основной способ образования четырех цветовых элементов воздуха — это рассеяние. Рассеивание относится к перенаправлению волн электромагнитного излучения, таких как солнечный свет, при их взаимодействии с частицами или молекулами в атмосфере. Частицы разных размеров рассеивают волны разной длины, создавая различные цвета.
Существует два основных типа рассеяния:
В верхних слоях атмосферы рэлеевское рассеяние молекулами азота и кислорода рассеивает большое количество синего света во всех направлениях, придавая небу голубой цвет. В нижних слоях атмосферы рассеяние Ми становится доминирующим по мере увеличения размера частиц. Это приводит к большему рассеиванию красного и желтого цветов, что приводит к красочным восходам, закатам и оптическим явлениям, таким как радуга.
Прозрачность воздуха может существенно влиять на интенсивность и насыщенность цветов, которые мы видим. Чистый воздух позволяет солнечному свету проходить относительно свободно, сохраняя светло-голубой цвет неба в течение дня. Затуманенный и загрязненный воздух содержит больше твердых частиц, таких как пыль, дым и загрязнения, которые рассеивают и поглощают больше света, размывая и делая небо белым. По мере увеличения количества твердых частиц вблизи восхода и заката рассеивается больше синего света, что позволяет более насыщенным красным, оранжевым и желтым цветам просвечивать.
Вот таблица, сравнивающая ясные и дымчатые условия воздуха:
| Состояние воздуха | Дневное небо | Восход/закат |
|---|---|---|
| Прозрачный | Ярко-голубой | Бледно-желтый, розовый |
| Дымчатый | Молочно-бело-голубой | Ярко-оранжевый, красный |
Это демонстрирует, как увеличение дымки и твердых частиц смещает баланс с более коротких длин волн, таких как синий, на более длинные волны, такие как красный.
Угол, под которым солнечный свет проходит через атмосферу, также существенно влияет на цвета, которые мы видим, изменяя длину пути, который должен пройти свет. В полдень, когда солнце высоко над головой, солнечный свет проходит только через 1-2 толщины атмосферы. Но вблизи восхода и заката солнечному свету приходится проходить через 5-10 раз большую толщину атмосферы, поскольку он входит и выходит под небольшим углом.
Эта увеличенная длина пути усиливает рассеяние, особенно более коротких синих длин волн. При большем удалении синего света вместо этого становятся видны яркие красные, оранжевые и желтые цвета. Угол обзора объясняет, почему мы не видим эти цвета в полдень, но заметно во время восхода и заката, когда солнечный свет находится низко над горизонтом.
Положение Солнца относительно наблюдателя также влияет на видимые цвета. На закате солнечный свет рассеивается через атмосферу в направлении наблюдателя, что позволяет увидеть больше длинных красных волн. На восходе солнца солнечный свет движется в противоположном направлении, поэтому вместо этого наблюдателя достигает больше коротких синих волн. Это придает восходам отчетливый голубоватый оттенок по сравнению с более насыщенными красными и оранжевыми цветами закатов.
Кроме того, время года влияет на угол падения солнечных лучей. Зимой солнце находится ниже в небе. Проходя через большую часть атмосферы с большой длиной пути, оно кажется более красно-оранжевым. Летом более высокий угол падения солнечных лучей создает более глубокое синее небо с более слабыми восходами и закатами.
Облака действуют как дополнительные частицы, которые могут рассеивать и поглощать проходящий через них свет. Различные слои и составы облаков создают уникальные эффекты для цветов, которые мы видим.
Многослойные облака также фильтруют свет сложным образом. Тонкие высокие облака в сочетании с низкими облаками могут создавать яркие малиново-красные восходы и закаты, дважды фильтруя разные цвета.
Погодные условия перемещают воздушные массы, содержащие различную влажность, аэрозоли и частицы, над головой, изменяя внешний вид неба. Сухие, чистые воздушные массы обычно создают более светлое голубое небо и более слабые восходы/закаты. Но влажный, нестабильный воздух перед штормами создает драматические желтые, оранжевые и красные цвета, поскольку частицы быстро накапливаются.
Некоторые примеры включают:
Понимая типичные свойства воздушных масс, погодные условия могут дать подсказки для прогнозирования изменений цвета в течение дня.
Высота над уровнем моря также играет ключевую роль в наблюдаемых цветах. На больших высотах меньше воздуха находится над наблюдателем, поэтому рассеивание света меньше. Это приводит к более темным голубым дням неба и более насыщенным восходам и закатам.
Наоборот, на уровне моря присутствует больше молекул воздуха, рассеивающих свет. Это создает более бледно-голубое дневное небо, но также яркие красные восходы и закаты, поскольку больше синего света отфильтровывается около горизонта.
В таблице ниже сравниваются типичные цветовые эффекты на разных высотах:
| Высота | Дневное небо | Восход/закат |
|---|---|---|
| Уровень моря | Бледно-голубой | Интенсивный красный |
| 1000 футов (300 м) | Средне-синий | Ярко-оранжевый |
| 5000 футов (1500 м) | Глубокий синий | Ярко-желтый |
| 10 000 футов (3000 м) | Очень темно-синий | Бледно-розовый |
Эти узоры демонстрируют, как более разреженный воздух и меньшее рассеивание на высоте позволяют цветам казаться более насыщенными и отчетливыми в течение дня, но с более слабыми восходами и закатами.
Широта также влияет на воспринимаемые цвета, изменяя угол, под которым солнечный свет проходит через атмосферу. В низких широтах ближе к экватору солнце проходит выше по небу даже во время восхода и заката. При более пологом пути происходит меньше рассеивания, поэтому небо кажется лазурно-голубым, а восходы/закаты приобретают бледно-оранжевый оттенок.
Но в более высоких широтах дальше на север или юг солнце находится ниже в небе, даже в полдень. Солнечный свет проходит через атмосферу под более крутым углом, усиливая рассеивание и окрашивая небо в молочно-белый цвет вблизи горизонта в течение дня. Это также вызывает яркие малиновые восходы и закаты, удаляя больше синего света.
В таблице ниже обобщены типичные цветовые эффекты на разных широтах:
| Широта | Дневное небо | Восход/закат |
|---|---|---|
| Экватор | Глубокий лазурно-синий | Бледно-оранжевый |
| 30° с.ш. | Средне-голубой | Золотисто-желтый |
| 60° с.ш. | Беловатый горизонт | Красно-фиолетовый |
| Полярные регионы | Молочно-бело-голубой | Огненно-красно-оранжевый |
Эти узоры показывают, как места с более высокими широтами испытывают большую интенсивность цвета из-за повышенного рассеивания от более низкого положения солнца.
Подводя итог, можно сказать, что взаимодействие четырех элементов красного, желтого, зеленого и синего в атмосфере создает красочные виды, которыми мы наслаждаемся. Оттенки и смеси этих основных цветов определяются такими факторами, как прозрачность воздуха, угол обзора, положение солнца, слои облаков, погодные условия, высота и широта. Понимание этих элементов открывает окно в более глубокую науку о свете и оптике, происходящих вокруг нас каждый день.
В следующий раз, когда вы станете свидетелем потрясающего восхода, заката, радуги или полярного сияния, подумайте о сложных эффектах рассеивания, создающих шедевр перед вашими глазами. Оценивая красоту и научность картины природы в небе, мы становимся более проницательными наблюдателями нашего мира.