10
А. Варламов, А. Шапиро
В голубом просторе
Оглядываясь вокруг, мы, чаше всего, видим лишь то, с чем уже знакомы, к чему привыкли. Между тем процесс познания почти всегда начинается с новых наблюдений.
Острой, профессиональный наблюдательство отличия художники, поэтому мир, отраженный глазами художников-реалистов в их пейзажах, особенно ярок и многокрасен, а отдельные явления природы проступают является. И при этом даже очень хорошо художнику нет нужны понятия подчас весы сложную сущность проискодияших в природе явлений, которые он реализически отображает на своих полотнах. Но вот изучать окружающий мир по картинам хорошего художника-пейзажиста можно даже лучше, чем в натуре, либо в пейзаже автор как бы останавливает мгновенье, интитивно усиливая существенное и опуская лише, случайное.
Всмотритесь в картину Аркадия Александровича Рылова «В голубом просторе». «Белые птицы, как и облака, легко парят, купаясь в голубой лазури. И так же плавно, как белая птица, по способно кольщимся синим волнам океана скользит покрытый парусами корабль», — так описывает эту картину известный искусствовед А. Федоров-Давыдов. Любуясь в Третьяковской галерее этим замечательным полотном, забываешь, что стоншь в зале музея, и ощушаешь себя участником этого праздника природы.
А теперь ответимся от живописи и оглядимости вокруг глазами искусствоведеля. Где же мы оказались?
На этот вопрос ответить несложно — виднеющийся неведлеке скалистый остров покрыт снегом, а море совсем не зимнее, так что мы находимся, вероятно, в полярных широтах.
А откуда художник писал пейзаж — со скалистого уступа берега? или с борта корабля?
Скорее всего, он был на корабле, так как на переднем плане картины
11
не видно прибоя, распределение волн симметрино и не искажено близким присутствием берега.
Давайте теперь попытаемся оценить скорость ветра, который раздувает паруса корабля, скользывающего вдали. Мы не первый, кто задается вопросом оценки скорости ветра по величины волн или по другим проявлениям в окружающей нас природа. Еще в 1806 году английский адмирал Ф. Бофорт разработал двенадцатинально шкалу для приближенной оценки скорости ветра по его действию на наземные предметы и по волнению в открытом море. Эта шкала принята Всемирной meteorологической организации, его пользовается и понятие.
Взглянув на картину, видим, что, согласно таблице Бофорта, ветер «слабый» со скоростью 5 м/c, волнение на воде легкое, изредка образуется маленькие барашки. А кстати, почему они белые и так сильно отличаются по цвету от сине-зеленого моря?
Цвет моря определяется многими факторами, среди которых важнейшими являются положение Солнца, цвет неба, решение поверхности моря, глубина моря; если глубина неевелка, то важным фактором является наличие или отсутствие в воде водорослей и содержание в ней взвешенных твердых частиц. Все эти факторы влияют на отражение света от поверхности моря, на поглощение и рассеяние света в глубине. Поэтому однозначное обязывание видимого цвета моря просто невозможно. Нокое в чем разобраться можно. Так,
<table><thead><tr><th>Баллы Бофорта</th><th>Словесное определение силы ветра</th><th>Средняя скорость ветра (m/c) на высоте 10 м</th><th>Действие ветра</th></tr></thead><tbody><tr><td>0</td><td>Штиль</td><td>0 ÷ 0,2</td><td>Зеркально гладкое море</td></tr><tr><td>1</td><td>Тихий</td><td>0,3 ÷ 1,5</td><td>На море легкая рябь; пены на гребнях нет. Высота волн до 0,1 м</td></tr><tr><td>2</td><td>Легкий</td><td>1,6 ÷ 3,3</td><td>На море короткие волны с максимальной высотой до 0,3 м</td></tr><tr><td>3</td><td>Слабый</td><td>3,4 ÷ 5,4</td><td>Легкое волнение на воде; изредка образуется маленькие барашки. Высота волн до 0,6 м</td></tr><tr><td>4</td><td>Умеренный</td><td>5,5 ÷ 7,9</td><td>Белые барашки на море видны во многих местах. Максимальная высота волн до 1,5 м</td></tr><tr><td>5</td><td>Свежный</td><td>8,0 ÷ 10,7</td><td>Повсюду видны белые барашки. Средняя высота волн 2 м</td></tr><tr><td>6</td><td>Сильный</td><td>10,8 ÷ 13,8</td><td>Белые пенистые гребни занимают значительные площади, образуется водная пыль. Максимальная высота волн до 4 м</td></tr><tr><td>7</td><td>Крепкий</td><td>13,9 ÷ 17,1</td><td>Гребни волн срываются ветром. Максимальная высота волн до 5,5 м</td></tr><tr><td>8</td><td>Очень крепкий</td><td>17,2 ÷ 20,7</td><td>Сильное волнение на море. Максимальная высота волн до 7,5 м</td></tr><tr><td>9</td><td>Шторм</td><td>20,8 ÷ 24,4</td><td>Очень сильное волнение на море. Максимальная высота волн до 10 м</td></tr><tr><td>10</td><td>Сильный шторм</td><td>24,5 ÷ 28,4</td><td>Поверхность моря белая от пены. Сильный гросот волн подобен ударам. Очень высокие волны — до 12,5 м</td></tr><tr><td>11</td><td>Жестокий шторм</td><td>28,5 ÷ 32,6</td><td>На море исключательно высокие волны — до 16 м. Небольшие суда временно срываются из виду.</td></tr><tr><td>12</td><td>Урагаан</td><td>≥ 32,7</td><td>—</td></tr></tbody></table>
13
вольны. Рэлей применил этот закон к рассеянию света в атмосфере, считая, что рассеяние солнечных лучей происходит на молекулах газов, входящих в состав воздуха (позотому иногда сформированы выше закон называют «законом синго неба».).
Отношение длины волны красного света к длине волны синго света составляет 6500Å/4500Å≈1,44. Возвода это число в четырёх степени, получаем 4,3. Таким образом, согласно закону Рэлей интенсивность рассеяного синго света в четыре раза превышает интенсивность рассеяного красного света, и слой воздуха толщиной в десятики kilометров прибретает окраску с заметным преобладанием синих и голубых цветов. А видимый солнечный свет, который должен до нас сквозь «засlon» атмосферы, в большой степени лишен коротковолновой части своего спектра. Позотму Солнце, которое мы видим в прошедших сквозь атмосферу лучах, принимает слабый желтый оттенок. Он может становиться сильнее, оранжевее и краснее по мере захода Солнца, когда солнечный лучам приходит преодолевать больший путь в атмосфере (при восхождение Солнца, естественно, смена цветов присходит в обратном порядке).
Заметим, что в законе Рэлей предполагается, что λ≥d, однако сама величина d в выражение для интенсивности не входит. Этот факт привед к тому, что заблудение относительно природы рассеяателей синного света в атмосфере, с легкой руки Рэлей, просуществовал вплоть до середины двадцатого века. И только в 1940 году советский физик академик Л. И. Мандельштам показал, что в действительности рассеяние света в атмосфере присходит не на молекулах газов, входящих в состав воздуха, а на весы неожиданных объектах — неоднородности плотности воздуха. Но откуда же берутся эти неоднородности? Ведь воздух находится в состоянии термодинамического равновесия, а если даже дует ветер, то связанные с ним неоднородности имеют размеры,Prevышающие длину волны света в гигантское число раз, и на рассеянии света сказываться никак не могут.
Для понимания природы неоднородностей показателя преломления света давайте более детальное размеря с понятным термодинамического равновесия. Для простоты расстояния неоднородный макросопперсий объем газа, находящийся в замкнутом состоянии.
Физика расстояния системы, состоящие из гигантского числа частиц, поэтому единственно возможный путь описания свояств таких систем — статистический. Статический подход означает, что мы следим не за состоянием каждой молекулы в отдельности, а вычисляем средние значения соответствующих физических величины для всей системы в целом. При этом вовсе не обязательно, чтобы для всех молекул значения расматриваемого физического величины равнялось соответствующему среднему. При рассмотрении нашей макросопперсного объема газа наиболее важным будет состояние, в котором молекулы газа распределены равномерно по всему объему сосуда. Однако, благодаря тепловому движению молекул, всегда имеет отличная от нуля веряность того, что концентрация молекул в некоторых области сосуда на некоторое время превыстит среднюю концентрацию молекул в расматриваемой объему (при этом, естественно, в другой области расматриваемого объема концентрация молекул на это время понится). Теоретически возможно даже такое состояние, когда все молекулы газа собственная в одной половине объема расматриваемого сосуда, а вторая окажется абсолютино пустой. Но веряность такого события выражается только мы видим на его реализации даже в пределах времени существования Вселенной, которое по современным представлениям составляет 10¹³ лет.
Однако необольшие отклонения физических величины от их средних значений возможны, но и постоянно присходят благодаря тепловому движению молекул. Эти отклонения называются флуктуациями (от латинского слова fluctuari — колебаться). Именено они и приводят к тому, что в некоторых областях плотность газа возрастает, а в других убивает, что сказывается на величины коэффициента преломления света в данных области.
Если мы теперь вернемся к рассмотрению рассеяния света в атмосфере, то все расхождения, проведенные для ограниченного объема газа, остаются справедливыми. Кроме того, как как воздух является смесью различных газов, различие в тепловому движению молекул разных газов приводит к дополнительным возможным появления локальной неоднородности коэффициента преломления света, связанной с флуктуациями.
Характерный размер области неоднородности коэффициента преломления света (неоднородности плотности), возникло из необходимости неоднородности равновесия, а если даже дует ветер, то связанные с ним неоднородности имеют размеры,Prevышающие длину волны света в гигантское число раз, и на рассеянии света сказываться никак не могут.
Для понимания природы неоднородностей показателя преломления света давайте более детальное размеря с понятным термодинамического равновесия. Для простоты расстояния неоднородный макросопперсий объем газа, находящийся в замкнутом состоянии,
Физика расстояния системы, состоящие из гигантского числа частиц, поэтому единственно possible, поэтому рассмотрение рассеяния света присходится в замкнутом состоянии.
И все же небо мы видим сним, а не филотовым, хотя закон Рэлей предсказывает пребладание физического света. Оказывается, что это расхождение обусловлено двумя причинами. Во-первых, в спектре сол-
14
нечного света гораздо меняше филолетовых лучей, чем синих. Вторым виновником кажущероса расхождения теории и практики является наш «регистириующий прибор» — глаз человека с нормальным зренем. Дело в том, что острата зрительного восприятия человекаского глаза существует от длины волны света. На рисунке 2 приведена экспериментальное построения кривая, характеризующая эту зависимость. Из рисунка видно, что на филолетовые лучи глаз реагирует гораздо слабее, чем на сине-зеленые. Именно поэтому воспринимаемые человекаским глазом рассеянные солнечные лучи практические не имеют филолетовой компоненты.
А почему же на голубом небе мы ясно видим белые облака? Разве при рассеянии света на составляющих их частицах не справедливы выводы из закона Рэлея?
Дело в том, что облака состоит из мелчайших капель воды или кристаллов льда, размеры которых, однako, значительное превышают длины волн видимого света. Поэтому при рассеянии солнечного света на частицах, составляющих облака, закон Рэлея неприменим — рассеяние света всех длин волн просходит приблизительно с одинаковой интенсивностью, и облака воспринимаются белыми. Что мы и видим на картине.
Вместpritесь теперь в форму облаков. Верх облаков на картине —
Рис. 2.
Рис. 3.