Волновая оптика в природе

Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии.

Цветной мир

Как доказал Ньютон, белый свет имеет сложную структуру: он состоит из всех цветов видимого спектра. Лучи разного цвета имеют разную скорость в среде и по-разному преломляются:

• красные имеют максимальную скорость в среде и минимальную степень преломления;
• фиолетовые имеют минимальную скорость в среде и максимальную степень преломления;
• в вакууме волны разного цвета имеют одинаковую скорость (скорость света в вакууме).

Цвет неба

Цвет неба определяется рассеянием света на тепловых колебаниях газовой оболочки нашей планеты. История выяснения причины голубого цвета неба начинается, конечно, с рэлеевского рассеяния. Это устаревшая, но, тем не менее, красивая теория. Сначала Рэлей прилагал ее к аэрозолям атмосферы, а затем - к самим молекулам воздуха, на которых также возможно «подходящее» рассеяние. От Рэлеевской теории пришлось отказаться, поскольку она давала рассеяние, которое должно было гаситься за счет интерференции. На это указал Л. И. Мандельштам в 1907 г. Он показал, что принципиально необходимым для рассеяния света в сплошной среде является нарушение её оптической однородности, при котором показатель преломления среды не постоянен, а меняется от точки к точке. В безграничной и полностью однородной среде волны, упруго рассеянные отдельными частицами по всем направлениям, не совпадающим с направлением первичной волны, взаимно «гасятся» в результате интерференции. Оптическими неоднородностями (кроме границ среды) являются включения инородных частиц, а при их отсутствии — флуктуации плотности, анизотропии и концентрации, которые возникают в силу статистической природы теплового движения частиц.

Возможность рассеяния света тепловыми флуктуациями (его называют молекулярным рассеянием света) рассмотрел М. Смолуховский в 1908 г. в теории опалесценции, которую поддержал Эйнштейн. Смолуховский развил теорию молекулярного рассеяния света разреженными газами, в которых положение каждой отдельной частицы можно с хорошей степенью точности считать не зависящим от положений других частиц, что и является причиной случайности фаз волн, рассеянных каждой частицей. Взаимодействием частиц между собой в ряде случаев можно пренебречь. Это позволяет считать, что интенсивность света, некогерентно рассеянного коллективом частиц, есть простая сумма интенсивностей света, рассеянного отдельными частицами. Суммарная интенсивность пропорциональна плотности газа.

В оптически тонких средах рассеяние света сохраняет многие черты, свойственные рассеянию света отдельными молекулами (атомами). В оптически плотных средах чрезвычайно существенным становится многократное рассеяние (переизлучение). Так, в атмосфере Земли сечение рассеяния солнечного света на флуктуациях плотности характеризуется той же зависимостью s ~ l—4, что и нерезонансное рассеяние света отдельными частицами. Этим объясняется голубой цвет неба: высокочастотную (голубую) составляющую спектра лучей Солнца атмосфера рассеивает гораздо сильнее, чем низкочастотную (красную).

Цвет Солнца

По мере приближения светила к горизонту удлиняется путь света, идущего через атмосферу к наблюдателю. А так как сильнее всего рассеиваются коротковолновые лучи, то нам в глаза попадают преимущественно длинноволновые лучи, и Солнце на закате становится желтовато-оранжевым, а иногда и красным.

Улыбка богини Ириды

Так в древности называли радугу. Радуга – это непрерывный спектр солнечного света, образованный в результате преломления (на несколько разные углы вследствие дисперсии света, как в призмах), внутреннего отражения в сферических каплях воды. Радуга формируется каплями воды на протяжении всего луча зрения, поэтому говорить о расстоянии до радуги некорректно. Верхняя полоса радуги находится не выше 41⁰ - 42⁰ над горизонтом. В это время Солнце находится невысоко над горизонтом за спиной наблюдателя, а центр радуги – под горизонтом. Чем выше Солнце над горизонтом, тем меньшую часть радуги мы видим. Когда Солнце поднимается выше 43⁰ над горизонтом, то радуга не видна. Но если подняться высоко над земной поверхностью, то можно увидеть все радужное кольцо.

Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно несколько радужных дуг. Формирование вторичных дуг обусловлено более чем однократным внутренним отражением (иногда третьим, дающим третью дугу, или даже имеющим большую кратность) луча света в каплях воды. В сущности, всегда имеется почти бесконечная последовательность дуг, но они редко видны, так как очень слабы. В редких случаях наблюдается слабая лунная радуга.

Флористический калейдоскоп красок в природе

Цвет непрозрачных объектов обусловлен их избирательной способностью поглощения и отражения света:

• если поверхность тела поглощает все цвета спектра, то она выглядит чёрной;
• если поверхность поглощает все цвета спектра в равных пропорциях, но часть света отражает, то она кажется серой;
• если поверхность поглощает и отражает цвета спектра в разных пропорциях, то она будет цветной.

Например,

• розы красные, т. к. они поглощают весь спектр, а волны красного цвета отражают;
• одуванчики жёлтые, т. к. они отражают красные и зелёные длины волн, а остальные поглощают.

Зеленый наряд планеты

К зелёному наряду планеты мы привыкли и поэтому не всегда задумываемся над тем, почему именно он зеленый. Растениям принадлежит существенная роль в жизни на Земле, т. к. в результате фотосинтеза в листьях растений вырабатывается кислород. Процесс фотосинтеза способствовал эволюции атмосферы нашей планеты, состав которой ранее был иным, чем теперь. Именно после появления в атмосфере достаточного количества кислорода, благодаря растениям, произошло окончательное «озеленение» планеты.

Так как фотосинтез протекает наиболее эффективно под действием света синего и красного участков спектра, растения приспособились отражать зеленый свет. Таким образом, отражая зеленый свет, листья приобрели зелёную окраску. А поскольку на зеленый участок спектра приходится максимум энергии солнечного излучения, зелёная окраска предохраняет листья от перегрева под действием солнечного света.

Белый цвет снега

Снег состоит из прозрачных кристалликов, которые увеличивают число граней. Поэтому свет в снегу из-за многократного отражения и преломления в каждом кристаллике мало проникает сквозь него. В результате снег кажется белым, а не прозрачным.

---

Информационные ресурсы:

на печатной основе:

1. Булат В.Л. Оптические явления в природе. – М., 1994. Объективное и субъективное восприятие цвета
2. Эллиот Л., Уилкокс У. Физика. – М., 1997

Интернет-ресурсы: