Природа светового спектра в атмосфере

Кузнецов А.И., Кузнецов А.Р.

Существующие на протяжении почти трех с половиной веков теории света (корпускулярная, волновая и электромагнитная) единодушно утверждают, что именно от Солнца начинают свой путь световые лучи в виде сложных корпускул, фотонов, волн.

Принято считать, что исходящий от Солнца белый свет имеет сложную структуру и состоит из всех цветов спектра. В процессе своего движения он изменяет свой состав, теряя определенные цвета спектра за счет рассеяния их в толще атмосферы. Так в верхних слоях атмосферы рассеиваются невидимые ультрафиолетовые лучи, пониже фиолетовые, ещё ниже синие и затем голубые.

Однако, не смотря на такое рассеивание, почему-то доходящий до Земли свет содержит в себе все перечисленные цвета.

Ни одна теория не описывает, что конкретно представляет из себя структура этого сложного света и как он возникает. Чем этот сложный свет отличается от простого монохроматического. Если причина этого только в длине волны и частоте, то почему нигде нет этих данных для белого света.

Принято считать, что видимый свет — это электромагнитное излучение с длинами волн от 380 до 760 нм. Свет каждого цвета от фиолетового до красного характеризуется определенным, свойственным ему интервалом длин волн. Однако, для белого и черного света такая характеристика отсутствует. Считается, что в природе вообще нет как такового белого света, и он не имеет определенной длины волны. Белый цвет – это смесь всего спектра цветов.  Черный цвет наука определяет, как полное отсутствие света вообще.

Интересно, а можно ли получить свет определенного цвета, без специальных добавок, создав искусственно электромагнитные колебания указанных длин волн (частот)?

До освоения космоса никто не сомневался, что все пространство на протяжении от Солнца до Земли заполнено светом.

После освоения космоса стало ясно, что никакого видимого света в космосе нет. В разряженном межпланетном и межзвездном пространстве нет никаких видимых лучей света.

Возникают вопросы: «А где же тогда эти светящиеся сложные корпускулы, волны и фотоны? Они, что не только без массы и заряда, но еще и не видимы?  О какой скорости света в вакууме, лежащей в основе теории вероятности, можно говорить, если в космосе (вакууме) вообще нет никакого света?» 

Установлено, что от Солнца со скоростью до 1200 км/с, а не 299 792 458 м/с, в окружающее космическое пространство движется только поток солнечного ветра, состоящий из заряженных частиц. Скорость движения этих частиц, в отличии от скорости света, может изменяться, как на выходе из Солнца, так и в процессе своего движения. Эти частицы несут энергию, достаточную для отделения электронов от атомов или молекул, встречающихся на их пути в слое атмосферы, тем самым ионизируя их и заставляя выделять свет. Именно они являются инициаторами возникновения, а ионизированные атомы - источником света.

Всем физикам давно хорошо известно, что при облучении (ионизации) атомов и молекул веществ различного агрегатного состояния они выделяют свет (начинают светиться). По мере удаления от поверхности Солнца и столкновения с, встречающимися на пути к Земле, пылинками, атомами и молекулами газов ионизирующие частицы частично теряют свою энергию и скорость.

Следовательно, при их движении по спирали [1] происходит уменьшение действующей на них центростремительной силы. Согласно имеющейся формулы, это сопровождается увеличением диаметра витков спирали и уменьшением расстояния между витками (шаг).

Фиолетовый цвет в верхних слоях атмосферы объясняется ее низкой плотностью, составом и малым содержанием здесь атомов и молекул азота и кислорода. Количество выделяемого ими при ионизации света недостаточно для полного «рассеивания» царящей в космосе темноты, поэтому здесь получается темный фиолетовый цвет. По мере приближения к поверхности Земли изменяется состав, а также повышаются плотность и концентрация газов в атмосфере. Соответственно увеличивается, количество ионизированных атомов и выделяемого ими при ионизации света. Вследствие этого происходит плавное изменение цвета света от темного фиолетового к более светлому голубому.

Под составом атмосферы в рассматриваемом примере мы подразумеваем соотношение основных ее составляющих: азота, кислорода и небольшого количества других примесей. Каждому из них при ионизации соответствует конкретный цвет, что определяет их совокупное свечение. Поскольку молекулярный вес азота меньше, чем у кислорода, то с увеличением высоты концентрация азота и других более легких газов в этих слоях атмосферы повышается, а кислорода снижается. Этим частично определяется цвет и яркость света на каждом из горизонтов.

Характер и причину изменения цвета света при одинаковых условиях (состав и плотность) рассмотрим на всем известном примере прохождения света через стеклянную призму.

В призме происходит разложение белого света на световой спектр. Распределение цветов в спектре всегда осуществляется в одном и том же порядке. Первым, со стороны острого угла призмы, располагается красный цвет, фиолетовый – возле наиболее широкой ее части у основания призмы. Между этими крайними цветами следуют друг за другом остальные цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре.

Можно отметить, что красный цвет соответствует лучу света, проходящему внутри призмы наиболее короткое расстояние, или иначе испытавшему наименьшее сопротивление своему прохождению, а, следовательно, потратившему на это меньшее количество энергии. Каждый последующий за красным луч света, проходя более длинный путь внутри призмы, тратит на прохождение большее количество энергии.

Таким образом, можно предположить, что цвет света определяется количеством энергии, потраченной лучом (пучком частиц) на прохождение длины участка среды с более высокой плотностью чем воздух.

Как отмечалось выше снижение энергии луча света сопровождается увеличением диаметра витков спирали движения ионизирующих частиц и уменьшением расстояния между витками, т. е. амплитуды света (шага спирали).

При плавном нарастании толщины призмы наблюдается последовательное чередование цветов солнечного спектра от красного к фиолетовому. Однако, если у призмы имеются резкие перепады (уступы) в сторону уменьшения или увеличения толщины, то в спектре в данном месте должно наблюдаться повторение уже имевшего место цвета или какие-то из цветов будут отсутствовать. Последнее явление, заключающееся в отсутствии или слабом проявлении отдельных цветов спектра, часто наблюдается в радуге. Явление повторения отдельных цветов внутри спектра в природе не отмечается. Очевидно, его сложно обнаружить из-за наличия оттенков цветов спектра.

Вполне возможно, что небольшие выступы и уступы на призме в спектре практически будут неуловимы. Наличие протяженных выступов и уступов может наблюдаться в виде полного повторяющегося спектра, аналогично двойной радуге на небе. В этом случае возможно изменение только толщины или яркости наблюдаемых цветовых полос.

Согласно существующей теории, мы видим предметы в том цвете, который они отражают. При освещении этого предмета белым светом остальные цвета спектра эти предметы поглощают. Однако, в природном ландшафте цвета естественных объектов чаще обусловлены не самим объектом, который мы наблюдаем, а распределением зон солнечного спектра на том горизонте воздушного пространства, где они находятся. Так в природе одни и те же объекты в течение года могут изменять свой цвет. Это зависит от сезона и климата, которые определяются расположением солнца над горизонтом.

По нашей гипотезе цвет естественного объекта определяется влиянием зоны солнечного спектра, расположенной на данном уровне.

При хорошей погоде наблюдаемое через слой атмосферы небо имеет голубой цвет. При поднятии над земной поверхностью цвет неба и его яркость изменяются. Чем выше мы поднимаемся, тем синее небо и тем меньше его яркость. На больших высотах, например, при наблюдениях с космических кораблей, небо кажется темнее, его цвет с увеличением высоты меняется от тёмно-синего до тёмно-фиолетового. Это как раз те цвета спектра, которых мы не наблюдаем с земли в дневное время.

Расположенный вблизи и над поверхностью Земли слой атмосферы в весенний период, когда земля еще сильно не прогрелась и содержит значительное количество влаги и поддерживается относительно невысокий (средний) уровень температур, очевидно, находится в зоне зеленого цвета спектра. Этим объясняется сочный зеленый цвет молодых побегов и листьев деревьев, плодов, ягод, фруктов, овощей и травы.

Многие скажут, что это следствие, свойственного растениям, процесса фотосинтеза. Однако, можно утверждать и обратное: фотосинтез - это следствие воздействия зеленого спектра. Так хлорофилл присутствует как в высших растениях и водорослях зеленого цвета, так и в бурых, диатомовых и красных водорослях. Цвет подводных растений объясняется их расположением на более низком уровне солнечного спектра.

Поверхность земли, при ионизации, располагается в зоне желтого цвета. Этим объясняется цвет корней и коры деревьев и кустарников, песка и грунта. Цвет гор находящихся на уровне деревьев и выше определяется энергией их ионизации и обусловлен более высокой плотностью скалистого грунта и изменением угла падения солнечных лучей на их отвесные склоны. Лежащие на земле валуны и кора деревьев, под влиянием зоны зеленого спектра, часто покрываются зеленым мхом.

Ниже уровня поверхности земли находится зона ионизации оранжевого и красного цвета спектра. Этим объясняется преобладание оранжево-красноватых оттенков в овощных культурах, выращиваемых в земле (морковь, редис, свекла, картофель и другие). Кстати клубни картофеля, оказавшиеся на поверхности земли, приобретают зеленый цвет.

В летне-осенний период, с изменением угла наклона солнечных лучей зоны спектра смещаются в верх. В связи с этим изменяется цвет ягод, плодов фруктов, овощей, а позднее ботвы культурных растений, травы и листьев деревьев. Сначала они желтеют, а потом, что раньше, а что позже начинают приобретать оранжевый и красный цвет. Например, земляника, клубника, помидоры, малина, вишня, черешня, яблоки и прочее. Позднее начинают желтеть или краснеть листья деревьев.

В пустыне, где днем стоит сильная жара, воздух прогревается до высоких температур (~50о С) и имеет относительно низкую плотность из-за увеличения расстояния между молекулами воздуха и практически полного отсутствия в атмосфере более тяжелых молекул воды. Это приводит к смещению желтого солнечного спектра в более высокую приземную зону атмосферы. Поэтому, здесь преобладает песок желтого и оранжевого цвета.

Именно по этой причине большинство южных деревьев (пальмы), плодов и фруктов имеет преобладающий желто-оранжевый цвет: бананы, мандарины, апельсины, лимоны, дыни, персики, абрикосы и прочие.

Вероятно, именно различием спектральных зон можно объяснить то, что, при выращивании растений из других зон спектра, они вынуждены изменять свой цвет и другие, характерные им, свойства (зеленоватые апельсины, лимоны, дыни и т.д.). Отдельные виды вообще не приживаются и болеют или погибают при размещении их в других условиях.

Рассмотрим более подробно, применительно к нашей гипотезе, явление образования спектра в радуге.

Согласно литературным данным: радуга - это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.

Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область - в красный. Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.

Расположение цветов в радуге обычно всегда постоянно. Полная радуга представляет собой не цветные дуги, а цветные концентрические окружности. Солнце – это источник их излучения. Оно располагается на линии исходящей из центра этих окружностей, на значительном расстоянии от них (как фонарик) [2].

Согласно нашей гипотезе, после дождя атмосфера земли в районе, где он прошел, насыщается частицами влаги. Размер и концентрация капелек воды в объеме прежнего расположения тучи изменяется как по высоте, так и по ширине, занимаемой ею площади. По мере опускания сверху вниз крупность частиц повышается, т.к. они падают с большей скоростью. Размер и концентрация частиц по площади повышается от краев тучи к центру. Именно эти свойства объема этого пространства обеспечивают различное свечение при ионизации, создающее радужный спектр. Поток ионизирующих частиц, проходя сквозь такую область вызывает образование спектра. При этом на периферии, где концентрация и размер капель, а, следовательно, и потеря энергии ионизирующими частицами минимальны, будет наблюдаться красный цвет. По направлению к центру цвета будут изменяться в соответствии с их расположением в радуге. Диаметр образующейся радуги и ее яркость будут определяться местом расположения такой области относительно Солнца, ее площадью, объемом, концентрацией капель и яркостью Солнца.

Наличие цветных полос в виде концентрических окружностей объясняется сферичностью изменения плотности земной атмосферы, округлостью формы дождевых туч и движением ионизирующих частиц Солнца по спирали.

Обычно, чаще всего, радуга наблюдается не после того, когда все небо затягивается тучами, а при наличии на небе всего одной или нескольких туч. В этом случае говорят: «Налетела тучка, ливанул дождь, после чего тут же выглянуло яркое Солнышко, и на небе засияла радуга.» 

 Длительность свечения радуги и постепенное побледнение цветов в ее спектре объясняется тем, насколько быстро происходит оседание и испарение частиц влаги в атмосфере под действием их тяжести и тепла, выделяющегося от ионизации молекул воздуха и капель в данной области атмосферы. Расположение радуги будет определяться углом нахождения Солнца относительно горизонта.

Образование двойной и тройной (очень редко) радуг можно объяснить наличием на пути следования ионизирующих частиц от Солнца соответственно двух или трех, перекрывающих друг друга, зон перераспределения по крупности дождевых капель. Каждая из этих зон образует свой радужный спектр определенной яркости. Очевидно, что эти зоны располагаются на различном от Солнца расстоянии (высоте), как и тучи, явившиеся источником образования дождя в данном месте.

Таким образом, предложена гипотеза образования различных цветов спектра и объяснения цвета естественных объектов в природе.

ЛИТЕРАТУРА

1 Кузнецов А. И. Корпускулярно - спиральная теория света // Материалы Международной научной конференции молодых ученых, магистрантов, студентов и школьников «ХIX Сатпаевские чтения», посвященной 120-летию академика К. И. Сатпаева. - Павлодар, 2019. - Т. 21. - С. 241-246.

2 Реферат КГПУ им. К.Э. Циолковского Оптические явления в атмосфере. Калуга 2009. [Электронный ресурс]. – URL: https://works.doklad.ru/view/AvfwrAs3bTU/all.html [Дата обращения 16.12.2019].