Земната атмосфера като оптична система, Цвят на небето - Светлинни явления в атмосферата

Нашата планета е заобиколена от газова обвивка, която наричаме атмосфера. Притежавайки най-голямата плътност на земната повърхност и постепенно разредена, докато се издига, тя достига дебелина от повече от сто километра. И това не е замръзнала газова среда с хомогенни физически данни. Напротив, земната атмосфера е в постоянно движение. Под въздействието на различни фактори слоевете му се смесват, променят плътността, температурата, прозрачността, преместват се на дълги разстояния с различни скорости.

За светлинните лъчи, идващи от слънцето или други небесни тела, земната атмосфера е вид оптична система с постоянно променящи се параметри. Намирайки се на пътя им, той отразява част от светлината, разпръсква я, прекарва я през цялата дебелина на атмосферата, осигурявайки осветяване на земната повърхност, при определени условия я разлага на компоненти и огъва хода на лъчите, като по този начин причинява различни атмосферни явления. Най-необичайните цветни са залез, дъга, северно сияние, мираж, слънчево и лунно хало.

Науки, занимаващи се с изследване на светлинните явления в атмосферата

Метеорологична оптика - занимава се с изучаване на атмосферните явления, свързани с времето (явления на цвета на небето и неговия цвят, поляризация на небесния свод, явления на мираж и неправилно пречупване и отражение на светлината в атмосферата, блещукане на звезди, дъга, кръгове и корони около звездите).
Астрономия – изучава подробно явлението рефракция (пречупване на светлината в атмосферата).
Атмосферно електричество - занимава се с изучаване на атмосферни явления от електрически произход (мълнии, огньове на Свети Елмо и др.).
Атмосферна оптика - изучава преобразуването на слънчевата енергия итоплинно излъчване на самата атмосфера и подлежащата повърхност.

Феноменът на синия цвят на небето през деня зависи единствено от разсейването на светлината от тези малки частици, които постоянно са в повече от достатъчни количества в суспензия, не само в долните, но и в относително високите слоеве на атмосферата. Лорд Рейли (Rayleigh) теоретично доказа, че при достатъчно малки размери такива частици имат свойството да отразяват само лъчи с къса дължина на вълната, т.е. сини, сини, виолетови лъчи.За да разберете някои от феномените на субатомния свят, е полезно да си представите електрони, прикрепени към ядра върху твърди пружини. Отговорът на електрона към електрическото поле на светлинна вълна зависи от това как честотата на вълната корелира с естествените честоти на тази въображаема пружина. Изчисленията показват, че колкото по-къса е дължината на вълната на светлината, толкова по-голяма е вероятността тя да изпадне в резонанс с естествените честоти на възбуждане на електроните и съответно толкова по-често електроните ще поглъщат и преизлъчват фотони със съответната честота. Следствие от същия ефект от взаимодействието на светлината с атомите е разсейването на светлината в средата. Светлината, която не е взаимодействала с атомите, достига директно до нас. Следователно, когато гледаме не към източник на светлина, а към разсеяната светлина от този източник, ние наблюдаваме в него преобладаването на къси вълни от синята част на спектъра.

Ето защо небето изглежда синьо, а слънцето жълтеникаво! Когато погледнем небето далеч от Слънцето, виждаме там разсеяна слънчева светлина, където преобладават късите дължини на вълните на синята част на спектъра. Когато гледате директно към Слънцето, вие наблюдавате спектъра на неговото излъчване, от който чрез разсейване върху атомите на въздуха са отстранени част от сините лъчи иПървоначално белият спектър на Слънцето се измества към жълто-червен, докато преминава през атмосферата

Колкото повече частици има във въздуха, толкова по-ярък ни изглежда неговият син цвят; колкото повече се отдалечаваме по небесния свод от светилото, което служи като източник на светлина, толкова повече, следователно, отраженията от частиците ще претърпят достигналия до нас лъч и толкова по-син ще ни изглежда небесният свод. Напротив, колкото повече се отдалечаваме от земната повърхност, толкова по-малко суспендирани частици срещат достигащите до нас лъчи в атмосферата и толкова по-тъмно ни изглежда небето; при изкачване на много високи планини, при полет високо с балони, наблюдателите виждат почти напълно черно небе.

По време на студове, когато въздухът е препълнен с капчици мъгла, плаващи в него, цветът на небето е много ярък, особено ако условията са напр. в големите градове, където въздухът съдържа много прах и сажди, мъглата е предпочитана. Феноменът на оцветяване на небето в синьо се наблюдава само при достатъчно малки размери на частиците, отразяващи лъчите; щом размерите на последните преминат определена граница, отразените от тях лъчи ще съдържат и лъчи с други дължини на вълната; - синият цвят на небето в тези случаи започва да се превръща в белезникав; и с достатъчен брой сравнително големи частици небето може да придобие напълно бял цвят, както се наблюдава например при образуването на обширни натрупвания на малки ледени кристали и игли, които наблюдаваме под формата на опънати покривки от перести облаци.