О цвете неба

в 6:32, , рубрики: марс, Научно-популярное, оптика, физика, метки: , , ,

В связи с известными событиями, а именно, началом работы ровера Curiosity на красной планете, вновь обострились конспирологические настроения в интернетах, равно как и среди обитателей хабра.

Где-то здесь же упоминалось о некой, согласно словам комментаторов, «желтоватой» статье, с объяснением, что небо на любой планете не может быть постоянно красноватым. Конкретно той статьи не видел, так что если она на хабре — то заранее пардон за потенциальную возможность дублирования.

А теперь — ближе к делу. Просто вкратце расскажу о явлении рассеяния электромагнитных волн. Обойдусь по возможности без формул.

Рассеяние Рэлея

В 1871 году Джон Уильям Стретт, более известный как лорд Рэлей (хотя именно в этом году таковым он ещё не был), предложил описание рассеяния на основе классической электродинамической теории, которое впоследствии прекрасно объяснило голубой цвет неба днём и красный — на закате.

Сам процесс происходит тогда, когда электромагнитная волна распространяется в среде, заполненной какими-либо мелкими частицами. В случае в моделью Рэлея, она работает, если размер этих частиц много меньше длины волны. Применительно к видимому свету, таковыми оказываются размеры молекул газов, составляющих атмосферу планеты, что и определяет наблюдаемые характеристики явления.

Итак, длина волны много больше размера частицы. По этой причине можно принять, что частица пребывает в однородном поле, меняющемся во времени с частотой колебаний волны, и в результате этого частица, как и любой материальный объект, помещённый в поле, приобретает электрический P и магнитный M момент. То бишь, становится диполем, создающим собственное электрическое и магнитное поле. При этом величина моментов, естественно, зависит от времени — они осциллируют с той же частотой, что и волна.

А осциллирующий диполь заведомо является излучателем (на этом принципе работает заметная часть антенн передатчиков), и переизлучает падающую на него энергию — именно таков механизм рассеяния в модели Рэлея. Амплитуда рассеянной волны на больших (много больших длины волны) расстояниях пропорциональна квадрату частоты:

О цвете неба

Также она определяется и направлением n, в котором происходит переизлучение, и расстоянием до диполя R, однако в настоящий момент нас это не интересует.

Интенсивность же равна квадрату амплитуды, и потому пропорциональна уже четвёртой степени частоты (формула для интенсивности излучения в бесконечно малый телесный угол):

О цвете неба

Таким образом, рассеяние резко усиливается по мере роста частоты волны (сдвиге в фиолетовую область спектра). Голубой же и синий цвет неба (а не фиолетовый) обусловлен уже эффектами усиления поглощения на высокой частоте. На небольших частотах поглощение пропорционально кубу частоты, а на больших — пятой степени, и становится преобладающим процессом (между делом, именно благодаря этому планета с атмосферой эффективно защищена от внешнего рентгеновского и гамма-излучения не слишком высоких энергий).

И рассеяние, и поглощение электромагнитных волн в атмосфере резко усиливается по мере уменьшения длины волны. Таким образом, цвет неба при прочих равных условиях полностью определяется соотношением этих двух факторов, и ничем иным.

На Земле атмосфера достаточно плотная, и потому поглощение в ней достаточно сильное. Потому днём, когда солнце высоко, его лучи проходят сравнительно короткий путь в атмосфере, так что коротковолновая часть спектра оказывается не сильно поглощена. Поскольку она рассеивается сильнее, то она и является преобладающей — небо становится голубым. А на восходе и закате свет от солнца идёт по сути параллельно локальному участку поверхности планеты, и путь его оказывается в разы длиннее — в результате за счёт поглощения отфильтровываются не только синие и голубые оттенки, но и зелёные с жёлтыми.

Кроме того, свет на заре входит в атмосферу под очень острым углом, что определяет некоторую роль преломления и дисперсии (происходит разложение в спектр) — красная часть спектра преломляется слабее и проходит больший путь вдоль поверхности.

При сравнительно малой плотности атмосферы, как на Марсе, следует ожидать, в первую очередь, заметного снижения интенсивности процесса рассеяния. Однако небо от этого становится только темнее, но не краснеет.

Рассеяние Ми

Модель Рэлея, как и следовало ожидать, может быть получена из общей теории в приближении малых размеров рассеивающих частиц. Рассеяние электромагнитной волны на сферах (в оригинальной работе, 1908 г.) произвольного размера описывается в теории Ми (однако часто её упоминают только в контексте ситуации больших частиц).

Итак, в случае, если частицы много больше длины волны, срабатывает обратное рэлеевскому приближение теории Ми. Причина возникновения рассеяния та же самая — переизлучение энергии падающей волны колеблющимися диполями. Подробное его описание сделать весьма сложно, поскольку для этого требуется полностью решить систему уравнений Максвелла для волны в пространстве, заполненном такими рассеивающими объектам. Потому часто при рассказе о данной теории ограничиваются лишь перечислением её особенностей в сравнении с рэлеевской задачей. Воспользуемся проторенной дорожкой и укажем наиболее характерные моменты:

  1. Сложность описания вызвана тем, что при больших размерах частиц приближение однородного поля становится недопустимым.
  2. При больших размерах частиц интенсивность рассеяния практически не зависит от длины волны.

Итак, вторая особенность оказывается самой существенной. Она объясняет белый и серый цвет облаков, тумана, пыли, изменение цвета неба от зенита к горизонту.

Исходя из этого, небо на Марсе должно быть серо-голубым. Голубым благодаря рассеянию Рэлея, и серым благодаря постоянно висящей в атмосфере пыли. Последнее обеспечивается низкой гравитацией и сухостью породы в совокупности с сильными ветрами.

А оранжевый и красный оттенок неба может наблюдаться только во время бурь. Как, впрочем, и на Земле происходит (на картинке из википедии — песчаная буря в Сиднее).

О цвете неба

Во время пылевых бурь достаточно мелкие частички пыли в большой концентрации, особенно если они подняты на несколько километров над поверхностью, резко усиливают поглощение коротковолновой части спектра, и преобладающим становится как раз красный оттенок. Аналогичное явление может наблюдаться при мощных извержениях вулканов. Наглядным историческим примером служат описанные во время извержения Кракатау (1883 г.) необычайно интенсивные оттенки зорь.

Автор: kbtsiberkin


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js