Niebo jest niebieską fizyką. Jak wytłumaczyć dziecku, dlaczego niebo jest niebieskie. Podział atmosfery na warstwy w zależności od ich właściwości elektrycznych

Istnieją miliony pytań, na które jako dzieci nie otrzymujemy odpowiedzi, a jako dorośli po prostu wstydzimy się je zadać. Jeden z tych pytania bez odpowiedzi: „dlaczego niebo jest niebieskie”. I wszystko byłoby dobrze, można żyć bez tej wiedzy, ale gdy dziecko zaczyna zadawać rodzicom takie podchwytliwe pytania, często się wstydzą i zaczynają zmieniać temat. Potem dziecko dorasta, nie znając odpowiedzi, ma własne dzieci i wszystko się powtarza. Przerwijmy to „błędne koło” i znajdźmy powody, dla których niebo jest niebieskie. Rozważmy tę kwestię ze wszystkich możliwych punktów widzenia.

Zjawisko błękitnego nieba z punktu widzenia fizyki

Wyjaśnijmy to sobie jasno: niebo jest niebieskie, ponieważ ziemska atmosfera rozprasza światło słoneczne. Do tego właśnie sprowadzają się wszystkie badania prowadzone na przestrzeni ostatnich 200-300 lat. Rozważmy kilka aksjomatów, które wpływają na zjawisko błękitnego nieba:

1. Białe światło słońca to połączenie różnych strumieni kolorów. Kolor biały nie istnieje „osobno”. Jak wszyscy wiedzą, jest tylko 7 kolorów (czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy), pozostałe kolory uzyskuje się jedynie poprzez ich połączenie. Kolor biały uzyskuje się poprzez połączenie wszystkich siedmiu kolorów. Warto wziąć pod uwagę, że są to kolory, które potrafimy rozróżnić okiem.
2. Atmosfera nie jest pusta, składa się z wielu gazów: azotu (78%), tlenu (21%), dwutlenku węgla, wody w różnych jej stanach (para wodna, kryształki lodu). Wokół nas unosi się także mnóstwo pyłu i pierwiastków różnych metali. Wszystkie zniekształcają białe światło słońca.
3. Powietrze, które nas otacza i którym oddychamy, jest w rzeczywistości nieprzejrzyste. Przynajmniej w dużych ilościach. Przecież nie żyjemy w próżni.

Wyjdziemy dalej od tych trzech faktów.

Fabuła

Już w XIX wieku naukowiec John Tyndall przeprowadził badania, które udowodniły, że widzimy błękit nieba dzięki cząstkom znajdującym się w atmosferze. W swoim laboratorium sztucznie stworzył mgłę z cząstek pyłu i skierował na nią jasną białą wiązkę - kolor mgły zmienił się na niebieskawy. 30 lat później, w 1899 roku, fizyk Rayleigh obalił badania swojego poprzednika i opublikował dowody na to, że niebo jest niebieskie dzięki cząsteczkom powietrza, a nie kurzu. Zjawisko to nazywa się „ rozproszone promieniowanie nieba„Szczegółowo można o tym przeczytać w Wikipedii.

Powodem, dla którego niebo wydaje się niebieskie, jest to, że powietrze rozprasza światło o krótkich falach bardziej niż światło o długich falach. Ponieważ światło niebieskie ma krótszą długość fali, na końcu widma widzialnego jest bardziej rozpraszane w atmosferze niż światło czerwone. (Źródło: Wikipedia)

Czym jest światło? Światło to strumień fotonów, niektóre możemy wykryć naszymi oczami, a innych nie. Widzimy więc na przykład standardowe spektrum kolorów, ale nie widzimy ultrafioletu, który również emituje słońce. To, jaki kolor ostatecznie zobaczymy, zależy od „długości fali” tego strumienia. Kolor, jaki uzyskasz, zależy od tej długości fali.

Więc oto jest. Ustaliliśmy, że słońce wysyła nam kwanty o długości fali odpowiadającej bieli, ale w jaki sposób zmienia się ona w kolor niebieski, przechodząc przez atmosferę? Spójrzmy na przykład tęczy. Tęcza jest bezpośrednim przykładem załamania światła i jego podziału na widmo. Możesz stworzyć własną tęczę za pomocą szklanego pryzmatu w domu. Nazywa się rozkładem koloru na widmo dyspersja.

Zatem nasze niebo działa jak pryzmat. Większość światła białego zmienia swoją długość fali, gdy przechodzi przez cząsteczki gazu w atmosferze. W rezultacie fotony „wychodzące” z cząsteczek mają inną barwę. Ten kolor może być fioletowy, czerwony lub niebieski.

Dlaczego widzimy kolor niebieski, a nie czerwony?

To, jaki kolor zobaczymy, gdy światło przechodzi ze Słońca na Ziemię, zależy od tego, które fotony dominują. Na przykład, gdy światło przechodzi przez atmosferę, liczba kwantów niebieskich jest 8 razy większa niż czerwonych, a fioletowych 16 razy! Dzieje się tak ze względu na bardzo różne długości fal, dlatego fiolet i błękit są silnie rozproszone, natomiast czerwień i żółć są rozproszone znacznie gorzej. W oparciu o tę teorię niebo powinno być fioletowe, ale tak nie jest. Wynika to z faktu, że fiolet jest postrzegany przez ludzkie oko znacznie gorzej niż kolor niebieski. Dlatego niebieskie niebo.

Film o tym, dlaczego niebo jest niebieskie:

Dlaczego niebo w ciągu dnia jest niebieskie, a zachód słońca czerwony?

Wszystko znowu wiąże się z dyspersją kolorów. Kąt padania białego światła słonecznego staje się mniejszy, a światło przechodzi przez więcej cząsteczek powietrza, długość fali światła wzrasta. Ta ilość wystarczy, aby rozproszyć się do czerwonego koloru.

Odpowiedź na pytanie, dlaczego niebo jest niebieskie dla dzieci

Jeśli dziecko zadało Ci pytanie dotyczące błękitnego nieba, oczywiście nie powiesz mu o dyspersji, widmach i fotonach. Wystarczy zacytować z książki dla dzieci „100 dziecięcych powodów” Tatyany Yatsenko:

Zwykle rysujemy promienie słoneczne na żółto. Ale w rzeczywistości światło słońca jest białe i składa się z siedmiu kolorów. Są to kolory tęczy: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy. Powietrze nie przepuszcza wszystkich kolorów, jedynie błękit, indygo i fiolet. Malują niebo.

To by wystarczyło. Na naszej stronie można także pobrać prezentację na temat: „Dlaczego niebo jest niebieskie” pod linkiem: Może przydać się na zajęciach w szkole.

Mówiąc prościej, niebo jest niebieskie, ponieważ gdy światło ulega rozkładowi, najbardziej rozprasza się fiolet, a najmniej kolor czerwony.

Światło przez pryzmat

Jak wiadomo, białe światło składa się z siedmiu podstawowych kolorów, które zmieniają się wraz ze zmniejszaniem się długości fali światła: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, cyjan, indygo i fioletowy. I na przykład astronauci na orbicie widzą olśniewające białe Słońce na tle czarnego nieba. Tak właśnie powinno być: składniki białego światła docierają do nich w pozbawionej powietrza przestrzeni bez zniekształceń, natomiast do Ziemi docierają przez „filtr” atmosfery.

Jeśli przyjrzymy się bardziej szczegółowo, musimy zrozumieć, co to jest rozproszone promieniowanie nieba- promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni ziemi po rozproszeniu przez cząsteczki lub cząstki stałe w atmosferze. Z całego promieniowania słonecznego rozproszonego w atmosferze około dwie trzecie ostatecznie dociera do Ziemi w postaci promieniowania rozproszonego (jeśli Słońce znajduje się wysoko nad horyzontem, co najmniej 25% padającego promieniowania jest rozproszone).

Główne mechanizmy rozpraszania światła w atmosferze (rozpraszanie Rayleigha, rozpraszanie Mie) mają charakter elastyczny, to znaczy kierunek promieniowania zmienia się bez zmiany długości fali.

Powodem, dla którego niebo wydaje się niebieskie, jest to, że powietrze rozprasza światło o krótkich falach bardziej niż światło o długich falach. Intensywność rozpraszania Rayleigha, spowodowanego fluktuacjami liczby cząsteczek gazów powietrznych w objętościach proporcjonalnych do długości fal światła, jest proporcjonalna do 1/λ 4, λ to długość fali, tj. fioletowa część widma widzialnego jest rozproszona w przybliżeniu 16 razy intensywniej niż czerwień. Ponieważ światło niebieskie ma krótszą długość fali, na końcu widma widzialnego jest bardziej rozpraszane w atmosferze niż światło czerwone. Z tego powodu obszar nieba poza kierunkiem Słońca ma kolor niebieski (ale nie fioletowy, ponieważ widmo słoneczne jest nierówne, a intensywność fioletowego koloru jest w nim mniejsza, a także ze względu na niższą czułość oka na kolor fioletowy i większa wrażliwość na kolor niebieski, co drażni nie tylko osoby wrażliwe na czopki barwne niebieskie w siatkówce, ale także wrażliwe na promienie czerwone i zielone).

Podczas zachodu i świtu światło wędruje stycznie do powierzchni Ziemi, przez co droga, którą światło pokonuje w atmosferze, staje się znacznie dłuższa niż w ciągu dnia. Z tego powodu większość niebieskiego, a nawet zielonego światła jest rozpraszana przez bezpośrednie światło słoneczne, dlatego bezpośrednie światło słońca, a także oświetlane przez nie chmury i niebo w pobliżu horyzontu mają kolor czerwony.

Prawdopodobnie przy innym składzie atmosfery, na przykład na innych planetach, kolor nieba, w tym o zachodzie słońca, może być inny. Na przykład kolor nieba na Marsie jest czerwonawo-różowy

Rozpraszanie i absorpcja są głównymi przyczynami osłabienia natężenia światła w atmosferze. Rozpraszanie zmienia się w zależności od stosunku średnicy cząstki rozpraszającej do długości fali światła. Gdy stosunek ten jest mniejszy niż 1/10, następuje rozproszenie Rayleigha, w którym współczynnik rozproszenia jest proporcjonalny do 1/λ 4 . Przy dużych wartościach stosunku wielkości cząstek rozpraszających do długości fali prawo rozpraszania zmienia się zgodnie z równaniem Gustave'a Mie; gdy ten stosunek jest większy niż 10, prawa optyki geometrycznej są stosowane z wystarczającą dokładnością do praktyki.

W artykule można znaleźć proste wyjaśnienie niebieskiego (z odcieniami) koloru nieba. W końcu pytanie jest bardzo interesujące, szczególnie dla dzieci. Znajdźmy proste wyjaśnienie tego zjawiska, choć nie jest to takie proste, jak się wydaje.

Oko ludzkie widzi tylko trzy kolory, a nie, jak się powszechnie uważa, oko widzi wiele kolorów. Są to czerwony, zielony i niebieski.

Wprowadzenie: Dlaczego niebo jest niebieskie?

Film fotograficzny zbudowany jest właśnie na powyższej zasadzie. W ramce znajdują się trzy powierzchnie, każda odbiera tylko własne światło, zmieniając kolor w zależności od absorpcji promieni. Kiedy przechodzi przez nią światło lampy elektrycznej, tworząc obraz na ekranie, widzimy miliony odcieni dzięki ich zmieszaniu w różnych proporcjach. Technologia kopiuje naturę. W końcu ludzkie oko działa dokładnie według tej zasady. Zawiera elementy biologiczne, które reagują jedynie na swój kolor.

A kiedy te kolory mieszają się w ludzkim mózgu, obserwujemy kolor, który odbija obiekt. Na przykład podczas mieszania koloru niebieskiego i żółtego powstaje zielony kolor. Ciekawostką jest to, że kolor żółty wydaje nam się bledszy niż niebieski czy zielony. Jest to złudzenie kolorów ludzkiego oka. Na czarno-białej fotografii wyraźnie widać, że żółć wcale nie jest blada.

Widzimy tylko kolor odbity od powierzchni. Na przykład Europejczycy mają białą skórę, podczas gdy Afrykanie mają prawie czarną skórę. Oznacza to tylko, że u niektórych osób kolor skóry jest w stanie odzwierciedlić wszystkie kolory, co ma miejsce po zmieszaniu wszystkich trzech kolorów podstawowych, podczas gdy u innych jedynie je wchłania. W końcu widzimy tylko promienie odbite. Idealnie oczywiście nie ma absolutnie białej i absolutnie czarnej skóry. Ale napisałem to żeby było jaśniejsze.

Odpowiedź: Dlaczego niebo jest niebieskie?

„Ale co ma z tym wspólnego niebo? - mądry już i doświadczony czytelnik powie teraz: „czy niebo jest w stanie odbijać promienie?” Zgadzać się. Przepuszcza je, ale otaczające Ziemię powietrze, rozciągające się na tysiąc kilometrów nad powierzchnią, nie przepuszcza wszystkich promieni. Częściowo blokuje kolor czerwony i zielony, ale przepuszcza kolor niebieski. Dlatego patrząc na niebo, widzimy je błękitne, błękitne, a przy złej pogodzie fioletowe, a nawet ołowiane. Oko ludzkie w przeciwieństwie do różnych obiektów praktycznie nie odbija światła, a jedynie pochłania je za pomocą czopków i pręcików, które są wrażliwe na określoną barwę. A ponieważ dominuje niebieskie widmo promieni, widzimy to.

Powodem, dla którego niebo wydaje się niebieskie, jest to, że powietrze rozprasza światło o krótkich falach bardziej niż światło o długich falach.

Ale to nie znaczy, że niebo nie może być czerwone, karmazynowe, szkarłatne czy różowe. Przynajmniej jego część. Jeśli obejrzysz go o wschodzie lub zachodzie słońca, będziesz zachwycony zamieszaniem krwawych kolorów. Ale nie zobaczysz zielonego ani żółtego nieba. Dlaczego to się dzieje? O wschodzie lub zachodzie słońca słońce przebija atmosferę nie z góry, ale pod bardzo małym kątem, dzięki czemu widzimy krwawy świt lub szkarłatny zachód słońca.

Dlaczego niebo jest niebieskie?Na tak proste pytanie bardzo trudno jest znaleźć odpowiedź. Wielu naukowców męczyło się w poszukiwaniu odpowiedzi. Najlepsze rozwiązanie tego problemu zaproponował około 100 lat temu angielski fizyk Lord John Rayleigh.

Ale zacznijmy od początku. Słońce emituje olśniewająco czyste, białe światło. Oznacza to, że kolor nieba powinien być taki sam, ale nadal będzie niebieski. Co dzieje się z białym światłem w atmosferze ziemskiej?

Trochę o kolorze

Światło białe jest mieszaniną kolorowych promieni. Za pomocą pryzmatu możemy stworzyć tęczę. Pryzmat rozdziela białą wiązkę na kolorowe paski: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Łącząc się, promienie te ponownie tworzą białe światło. Można założyć, że światło słoneczne najpierw ulega rozszczepieniu na kolorowe składniki. Wtedy coś się dzieje i do powierzchni Ziemi docierają tylko niebieskie promienie.

Powiązane materiały:

Przyroda - czym jest przyroda, przyroda świata, zdjęcia i filmy

Hipotezy stawiane w różnym czasie

Istnieje kilka możliwych wyjaśnień. Powietrze otaczające Ziemię jest mieszaniną gazów: azotu, tlenu, argonu i innych. W atmosferze znajduje się także para wodna i kryształki lodu. Kurz i inne drobne cząstki unoszą się w powietrzu. W górnych warstwach atmosfery znajduje się warstwa ozonu. Czy to może być powód?

Niektórzy naukowcy uważali, że cząsteczki ozonu i wody pochłaniają promienie czerwone i przepuszczają promienie niebieskie. Okazało się jednak, że w atmosferze po prostu nie było wystarczającej ilości ozonu i wody, aby zabarwić niebo na niebiesko.

W 1869 roku Anglik John Tyndall zaproponował, aby pył i inne cząstki rozpraszały światło. Światło niebieskie jest najmniej rozproszone i przechodzi przez warstwy takich cząstek, aby dotrzeć do powierzchni Ziemi. W swoim laboratorium stworzył model smogu i oświetlił go jasną, białą wiązką. Smog zmienił kolor na ciemnoniebieski.

Tindall zdecydował, że jeśli powietrze będzie całkowicie czyste, nic nie będzie rozpraszać światła i będziemy mogli podziwiać jasne, białe niebo. Lord Rayleigh również poparł ten pomysł, ale nie na długo. W 1899 roku opublikował swoje wyjaśnienie: to powietrze, a nie kurz czy dym, sprawia, że ​​niebo jest błękitne.

Powiązane materiały:

Przyroda żywa i nieożywiona - co to jest, definicja, opis i zdjęcie

Związek między kolorem a długością fali - wyjaśnienie, dlaczego niebo jest niebieskie

Część promienie słoneczne przechodzi pomiędzy cząsteczkami gazu bez zderzenia z nimi i dociera do powierzchni Ziemi bez zmian. Druga, większa część jest absorbowana przez cząsteczki gazu. Kiedy fotony są absorbowane, cząsteczki ulegają wzbudzeniu, to znaczy ładują się energią, a następnie emitują ją w postaci fotonów. Te fotony wtórne mają różne długości fal i mogą mieć dowolny kolor od czerwonego do fioletu.

Rozpraszają się we wszystkich kierunkach: w stronę Ziemi, w stronę Słońca i na boki. Lord Rayleigh zasugerował, że kolor emitowanej wiązki zależy od przewagi kwantów tego czy innego koloru w wiązce. Kiedy cząsteczka gazu zderza się z fotonami promieni słonecznych, na każdy wtórny kwant czerwony przypada osiem kwantów niebieskich.

Jaki jest wynik? Intensywne niebieskie światło dosłownie pada na nas ze wszystkich kierunków z miliardów cząsteczek gazu w atmosferze. To światło zawiera fotony innych kolorów, więc nie jest czysto niebieskie.

Powiązane materiały:

Dlaczego Chiny nazywane są „Imperium Niebieskim”?

Cechy widma kolorów

Zanim dotrze do powierzchni ziemi, gdzie ludzie będą mogli ją kontemplować, światło słoneczne musi przejść przez całość koperta powietrzna planety. Światło ma szerokie spektrum, w którym nadal wyróżniają się podstawowe kolory i odcienie tęczy. Z tego widma najdłuższa długość fali światła ma czerwień, a najkrótszą – fiolet. O zachodzie słońca dysk słoneczny szybko zmienia kolor na czerwony i zbliża się do horyzontu.

W tym przypadku światło musi pokonać coraz większą gęstość powietrza, a część fal zostaje utracona. Najpierw znika fiolet, potem niebieski, cyjan. Najdłuższe fale koloru czerwonego do ostatniej chwili docierają do powierzchni Ziemi, dlatego też dysk słoneczny i otaczające go halo do ostatnich chwil mają czerwonawe zabarwienie.

Dlaczego niebo w ciągu dnia jest niebieskie?

Długie fale świetlne mogą przenikać głęboko w atmosferę, ponieważ prawie nie są pochłaniane i nie są rozpraszane przez aerozole i zawiesiny, które stale krążą w atmosferze planety. Kiedy gwiazda jest bliżej zenitu, powstaje inna sytuacja, która zapewnia błękit nieba. Niebieski ma krótszą długość fali niż czerwony i jest bardziej pochłaniany. Ale jego zdolność rozpraszania jest 4 razy większa w porównaniu do czerwieni.

Wiadomo, że niebieskie niebo- To jest powód interakcji między warstwą ozonową a światłem słonecznym. Ale co dokładnie dzieje się z fizyką i dlaczego niebo jest niebieskie? Było kilka teorii na ten temat. Wszystkie ostatecznie potwierdzają, że głównym powodem jest atmosfera. Wyjaśniono jednak również mechanizm interakcji.

Następna teoria założono, że strumień świetlny biały przechodzi przez atmosferę złożoną z cząstek. Kiedy wiązka światła przechodzi przez ich pole, cząstki ulegają wzbudzeniu. Aktywowane cząstki zaczynają emitować dodatkowe promienie. To właśnie sprawia, że ​​kolor słońca staje się niebieskawy. Światło białe oprócz rozpraszania mechanicznego i jego rozproszenia aktywuje również cząsteczki atmosferyczne. Zjawisko przypomina luminescencję. NA ten moment to wyjaśnienie jest.

Najnowsza teoria najprostsza i wystarczająca do wyjaśnienia głównej przyczyny zjawiska. Jego znaczenie jest bardzo podobne do poprzednich teorii. Powietrze jest zdolne do rozpraszania światła w widmach. To jest główny powód niebieskiej poświaty. Światło o krótkiej długości fali jest rozpraszane intensywniej niż światło o krótkiej długości fali. Te. kolor fioletowy rozprasza więcej niż kolor czerwony. Fakt ten wyjaśnia zmianę koloru nieba o zachodzie słońca. Wystarczy zmienić kąt padania słońca. Tak się dzieje, gdy Ziemia się obraca, a kolor nieba o zachodzie słońca zmienia się na pomarańczowo-różowy. Im wyżej słońce znajduje się nad horyzontem, tym bardziej niebieskie światło będziemy widzieć. Powodem wszystkiego jest to samo rozproszenie, czyli zjawisko rozkładu światła na widma.

Oprócz tego musisz zrozumieć, że nie można wykluczyć wszystkich wymienionych powyżej czynników. W końcu każdy z nich wnosi jakiś wkład do ogólnego obrazu. Na przykład kilka lat temu w Moskwie w rezultacie obfite kwitnienie rośliny wiosną utworzyły gęstą chmurę pyłku. Pomalował niebo na zielono. To dość rzadkie zjawisko, ale pokazuje, że odrzucona teoria o mikrocząsteczkach w powietrzu również ma swoje miejsce. To prawda, że ​​​​teoria ta nie jest wyczerpująca.