Потрясающие оранжевые и красные цвета, которые часто окрашивают небо во время восхода и заката, вызваны рассеиванием солнечного света при прохождении через атмосферу. Этот процесс рассеивания преимущественно удаляет более короткие длины волн фиолетового и синего света из луча солнечного света, оставляя позади более длинные длины волн оранжевого и красного.
Основная причина этого явления заключается в том, что более короткие длины волн фиолетового и синего света более склонны к рассеиванию в атмосфере по сравнению с более длинными длинами волн оранжевого и красного. Когда солнце опускается за горизонт во время заката или появляется над горизонтом во время восхода, его свету приходится проходить через большую атмосферу по сравнению с тем, когда оно находится выше в небе. Эта увеличенная глубина атмосферы подчеркивает рассеивание более коротких длин волн синего и фиолетового света с пути солнечного света, позволяя более длинным длинам волн оранжевого и красного проходить относительно беспрепятственно.
В этой статье мы более подробно рассмотрим физику, лежащую в основе того, почему восходы и закаты часто кажутся оранжевыми и красными. Мы рассмотрим, как состав атмосферы, зависящее от длины волны рассеяние света и угол наклона солнца играют роль в создании этих красочных сцен на небе. Более глубокое понимание задействованной оптики не только удовлетворяет интеллектуальное любопытство относительно этого ежедневного явления, но и позволяет зрителям оценить восходы и закаты на еще более глубоком уровне.
Основная причина того, что закаты и восходы часто кажутся оранжевыми или красными, кроется в земной атмосфере. Наша атмосфера состоит из различных газов, водяного пара, пыли и других частиц. Эта смесь рассеивает солнечный свет во всех направлениях до, во время и после восхода и захода солнца.
За рассеяние света в атмосфере отвечают три основных механизма:
Этот тип рассеяния происходит, когда частицы в атмосфере, которые меньше длин волн видимого света (например, молекулы азота и кислорода), взаимодействуют с входящим лучом солнечного света. Согласно принципам рэлеевского рассеяния, более короткие длины волн света рассеиваются гораздо сильнее, чем более длинные. Фиолетовый и синий свет имеют длины волн около 400-500 нанометров, в то время как оранжевый и красный свет имеют более длинные волны от 600 до 700 нанометров. Это означает, что фиолетовый и синий свет рассеиваются примерно в 3-4 раза больше, чем оранжевый или красный свет молекулами воздуха во время их прохождения через атмосферу.
Этот тип рассеяния происходит, когда частицы в атмосфере, которые примерно того же размера или больше, чем длины волн видимого света (например, капли воды, пыль, дым или частицы загрязнения), взаимодействуют с входящим солнечным светом. Рассеяние Ми показывает меньшую зависимость от длины волны по сравнению с рэлеевским рассеянием, поэтому оно рассеивает все цвета видимого света более равномерно. Но он все еще имеет тенденцию рассеивать более короткие длины волн немного больше, чем более длинные.
Определенные газы в атмосфере, такие как озон, предпочтительно поглощают определенные длины волн ультрафиолетового и фиолетового света при прохождении солнечного света. Это обеспечивает еще один фильтр, который удаляет более короткие длины волн из луча солнечного света.
Вместе, объединенные эффекты рэлеевского рассеяния, рассеяния Ми и газового поглощения удаляют большую долю более коротких фиолетовых и синих длин волн по сравнению с более длинными оранжевыми и красными длинами волн. Этот процесс фильтрации подчеркивает оранжевый и красный цвета, которые могут проходить относительно беспрепятственно через атмосферу во время восходов и закатов.
Другим ключевым фактором, который подчеркивает оранжевые и красные цвета во время восходов и закатов, является низкий угол, под которым солнечный свет проходит через атмосферу.
Когда солнце находится высоко над головой около полудня, его свет должен пройти только через короткий участок атмосферы. Но во время восходов и закатов солнечный свет проходит через атмосферу под очень малым углом и, следовательно, должен пройти через большую толщу атмосферных газов и частиц, прежде чем достичь наблюдателя на земле.
| Угол падения солнечного света | Глубина пройденной атмосферы |
|---|---|
| Высоко над головой в полдень | Короткая глубина |
| Низкий угол во время восхода/заката | Большая глубина |
Это преувеличенное прохождение через большее количество рассеивающих атмосферных молекул и частиц отфильтровывает еще больше коротких фиолетовых и синих длин волн на восходе и закате по сравнению с полуднем. Это оставляет большую долю оранжевого и красного света, проходящего относительно нерассеянным, усиливая теплые цвета, наблюдаемые в это время.
На самом деле, наибольшая интенсивность оранжевого и красного цветов часто наблюдается, когда солнце находится на 5-6 градусов ниже горизонта. Под этим углом солнечный свет, проходящий сбоку через атмосферу, имеет самую длинную длину пути через газы и частицы, чтобы максимизировать предпочтительное рассеяние коротковолнового синего света.
Состав атмосферы также играет ключевую роль в усилении оранжевого и красного цветов восхода и заката. По сравнению с азотными и кислородными газами водяной пар конденсируется в гораздо более крупные жидкие капли, а твердые частицы в воздухе могут принимать форму пыли, дыма или загрязняющих частиц диаметром до микрона (одной миллионной метра).
Согласно принципам рассеяния Ми, эти более крупные частицы показывают повышенное рассеивание всех цветов более равномерно. Но они все равно имеют тенденцию рассеивать фиолетовый и синий свет немного больше, чем оранжевый или красный.
Поэтому, когда в атмосфере больше водяного пара, пыли, дыма или загрязняющих частиц, усиленное рассеяние Ми удаляет еще больше коротковолнового фиолетового и синего света по сравнению с чистым сухим воздухом. Этот эффект фильтрации еще больше усиливает оранжевые и красные оттенки, наблюдаемые во время восходов и закатов. Места с более высокой влажностью и твердыми частицами, такие как города или тропический климат, часто демонстрируют более глубокие оранжевые и красные цвета по этой причине.
Высота наблюдателя над уровнем моря также значительно влияет на окраску, наблюдаемую на восходе и закате. На больших высотах в менее плотной атмосфере меньше рассеивающих частиц по сравнению с уровнем моря. Это означает, что меньше коротковолнового синего и фиолетового света удаляется из луча солнечного света.
Соответственно, восходы и закаты, наблюдаемые с вершин гор или самолетов, будут казаться менее интенсивно оранжевыми и красными по сравнению с теми, которые видны на уровне моря или на суше ниже. На очень больших высотах эффект уменьшается настолько, что иногда вместо него доминирует рассеянный белый свет.
Не только принципы атмосферной оптики объясняют оранжевые и красные цвета восхода и заката, но и механика человеческого зрения также играет ключевую роль.
Во-первых, зрительная система глаз и мозга человека гораздо более чувствительна к слабому освещению при более низких уровнях освещенности. Поэтому, хотя оранжевые и красные оттенки во время восхода и заката менее интенсивны по сравнению с полуденным светом, наши глаза воспринимают их более интенсивными и яркими на фоне более темного неба.
Во-вторых, эффекты цветового контраста усиливают видимость теплых цветов на холодном фоне. Таким образом, присутствие оранжевых и красных цветов на темно-синем небе в сумерках обеспечивает высокий цветовой контраст, который делает их еще более выделяющимися для наблюдателя.
Наконец, область сетчатки, где плотность палочковых фоторецепторов достигает пика (отвечающих за ночное зрение), также совпадает с областью, наиболее чувствительной к длинам волн красного света. Таким образом, при слабом освещении восхода и заката палочки усиливают наше восприятие доминирующих красных длин волн.
Подводя итог, можно сказать, что цвета восхода и заката возникают из-за сложного танца между солнечным светом и атмосферой Земли. Газы и частицы атмосферы преимущественно рассеивают более короткие длины волн фиолетового и синего света от луча солнечного света, позволяя более длинным длинам волн оранжевого и красного легче проходить в направлении наблюдателя. Низкий угол солнечного света в это время максимизирует его путь через атмосферу, усиливая этот эффект рассеивания. Более высокая влажность и твердые частицы дополнительно фильтруют короткие длины волн. Факторы человеческого визуального восприятия также усиливают яркость оранжевого и красного на фоне более темного сумеречного неба. Более глубокое понимание всех этих взаимодействующих факторов позволяет зрителям лучше оценить потрясающие вспышки цвета, которые украшают ранние утра и вечера.