红日将升起。绘图、说明

红日将升起。儿童科学实验室

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天空的颜色、太阳和月亮的颜色以及许多光学和声学现象都是由不同长度的电磁波和弹性波在大气中以不同方式散射这一事实决定的，遵循瑞利定律。

夏天，很少有人看到初升的太阳——升得太早了。但日落却以最辉煌的姿态出现在我们面前：一个巨大的球体，颜色从鲜红色变成深紫红色，慢慢地划过蓝天，染上黄色、绿色、粉色的色调，最后消失在地平线之外…… - 人们相信空气本身是蓝色的，因此大气吸收红色光线。但是，地平线处的太阳和月亮会比天顶处的太阳和月亮显得更蓝：恒星下降得越低，它们发出的光线在到达观察者之前会穿过更厚的空气。光的电磁理论出现后，人们清楚地认识到，大气中的光波应该被悬浮在空气中的颗粒散射，就像水面上的波浪一样——被挡在其路径上的石头和岩石所散射。这是由英国物理学家 J. Tyndall 于 1868 年提出并通过实验证明的。然而，三年后，J. W. Rayleigh 证明，在理想的清洁大气中，由于其光学不均匀性（密度波动），光散射也应该发生。这些不均匀性是分子在热运动过程中随机积累的结果，不断出现，并立即溶解并在另一个地方再次形成。

穿过空隙或绝对均匀介质的光不会被散射：分子的尺寸比光波长小数千倍，并且光在传播时不会“注意到”它们。介质中的不均匀性成为一种棱镜，其散射光越强，其中的空气密度与平均值的差异越大。当然，这种异质性越多。光学不均匀性为平均光波长 0,1-0,2 倍的介质称为混浊介质。

在浑浊的环境中，不同长度的光波以不同的方式散射：短波辐射（光谱的蓝色部分）较强，长波辐射（光谱的红色部分）较弱。散射对波长的依赖性非常强——它与波长的四次方成反比。这意味着蓝光的波长（0,5μm）比红光的波长（1,4μm）小0,7倍，在（1,4）式的浑浊介质中被散射⁴=4倍强！

红太阳会升起

电磁波落在物质的分子上，与它们的电子相互作用。电子与原子的结合如此之弱，以至于它们可以被波明显地移位（因此被称为“光电子”），它们会经历与频率的平方成正比的周期性加速度，并产生交变磁场。场中出现二次电磁波，其振幅与电子的加速度成正比，强度与振幅的平方成正比。

因此，发射的二次光的强度与入射光频率的四次方成正比，或者与其波长的四次方成反比（这是同样的事情）。这种二次辐射是在混浊介质中散射的光，其强度对波长的依赖性称为瑞利定律。

红太阳会升起

尺寸大于光波长（0,5-0,7微米）的颗粒主要沿入射光束方向散射光，其强度分布变得相当复杂。

红太阳会升起

尺寸约为0,1微米的颗粒向前和向后均等地散射入射光，横向上的散射强度是纵向上的两倍。

这种关系称为瑞利定律。它解释了夕阳的红色、天空的蓝色以及海水的颜色（在浅水中，沙底反射的黄色与蓝色的漫射光混合，水变成绿色）。出于同样的原因，警告灯、刹车灯和其他危险标志都会变成红色（从远处就可以看到），并且相机镜头上的红色滤镜有助于在雾霾中拍摄。在这些照片中，天空非常暗，几乎是黑色，树叶很亮，远处物体的细节清晰可见。（我们顺便注意到，摄影师和电影制作人在阳光明媚的下午拍摄时使用红色滤镜来描绘月夜。）

相反，蓝色滤镜在画面中营造出隐藏在雾蒙蒙的面纱后面的神秘世界的感觉。战争期间，房屋的入口被蓝色泵照亮——它们的光很快消散在大气中，从空中看不到。

非常小的颗粒沿入射光束和逆着入射光束散射光的强度相同，而在垂直方向上的散射强度则弱两倍。天空的颜色饱和度也会随之变化。随着粒子变大，这种关系变得更加复杂。光开始主要沿着入射光的方向向前散射，并且其光谱组成也发生变化。对波长的依赖性不再是 Rapey (Lambda2)，而是二次 (Lambda4)。随着粒子变得更大，它们开始均匀地散射所有波长。当淡淡的薄雾变厚并变成乳白色的雾气时就会发生这种情况。因此，黄橙色“雾”汽车前灯实际上在雾中不起作用：它们的光在雾中的散射程度与白光一样多。此外：在浓雾中，它会变得微红，并且可能会与行驶中的汽车的尾灯混淆（有时会产生最悲惨的后果）。在草原和沙漠中，发白的天空是一个令人震惊的信号。他说，一场强风即将来临，一场飓风将细沙和灰尘卷入空中。而只有雨水“洗涤”了空气，才能让天空恢复蔚蓝。预兆也是如此：“月亮变红了——风和坏天气。” 风将不同温度的空气层强烈混合；波动量急剧增加。

通过进行一个简单的实验，您可以看到透射光和散射光的颜色如何变化（见图）。将稀的次亚硫酸盐溶液倒入玻璃罐中。从高架投影仪发出的一束白光穿过容器并聚焦在纸屏幕上，产生一圈光。然后将稀盐酸滴加到广口瓶中（溶液浓度通过实验选择）。几分钟后，反应产物（精细分散的硫）将开始从溶液中沉淀出来。硫磺颗粒变大，同时屏幕上的光点先是黄色，然后是红色，最后是深红色，让人想起夕阳。实验开始时容器中的溶液是完全透明的，后来变成蓝色，最终变成白色，像雾一样。如果等到硫磺颗粒沉降到底部，溶液又会变得透明，光斑会变成白色。

声波和水波的行为方式相似：它们的低频也比高频的散射少得多。声音振动与环境的相互作用与电磁振动完全不同——它们“摇动”的不是空气分子中的单个电子，而是密度增加的整个区域和悬浮在其中的粒子。雾对声音的消散和吸收尤其强烈。雾中的声音变得低沉、低沉，很难确定它们来自哪里。

有趣的事情有时会发生在远处物体反射的声音上——回声。 J.瑞利调查了这个案例，当时从松树林的墙壁反射的声音增加了八度。很明显，声音振动的频率不能仅仅由于静止障碍物的反射而增加。但是，人声除了主音之外，还包含许多我们通常察觉不到的更高频率的附加泛音。松树的针叶细而稀疏，充当声音的“浑浊介质”，可以很好地传输低频并反射高频。只有他声音的泛音返回给观察者，似乎整个声音突然变高了。

具有高度创造性感知的人——作家、诗人、作曲家——非常清楚大气声学的这一特征。契诃夫的小说《医生》中有一句引人注目的话：

“这时，院子里清晰地传来别墅圈上管弦乐队演奏的声音。不仅有喇叭声，连小提琴和长笛也能听到。” 在露天，只有在特别有利的条件下才能从远处听到长笛和小提琴的声音。

作曲家在描绘一支即将离去的军乐团时，不仅降低了其音量，而且首先逐渐消除了所有高音调。音乐听起来越来越安静，旋律渐渐消失，只剩下沉闷的大鼓敲击声和低音螺旋渐弱的叹息声。军团已经离开……红日正在升起……

白光改变颜色

红太阳会升起

我们每天看到的许多光学现象都是由于不同波长的光沿其路径发生不同的散射而发生的。

地平线附近的太阳——日出和日落时——总是红色的。傍晚的天空很少是蓝色或青色的——只有当地层空气完全没有灰尘和湿气时。黎明的颜色是由散布在尘土飞扬的大气中的不同长度的光波混合而成的。

马雅可夫斯基地铁站自动扶梯上的灯乳球和台灯的磨砂灯帽。乳白玻璃含有极细的不透明染料，可作为光的“混浊介质”，强烈散射光谱的短波长部分。灯丝被加热到白热状态，因此呈现暗红色。磨砂玻璃的粗糙划痕均匀地散射任意长度的电磁波，整个灯罩发出白色的光。

红太阳会升起

作者：S.Trankovsky

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