Как однажды Жак-звонарь головой сломал фонарь…

Александр Буздин, Сергей Кротов
«Квант» №1, 2020

Впервые опубликовано в «Кванте» № 12 за 1987 год.

Не будем чересчур строгими по отношению к выводу Вреднюги про краски, а рассмотрим все по порядку, поскольку физически чистый эксперимент — это вещь достаточно тонкая...

Сколько существует на свете разных цветов? Откуда вообще берутся разные цвета? Эти и многие другие вопросы издавна занимали любознательных людей. Большой вклад в создание науки о цвете внес великий Ньютон. Он наблюдал разложение солнечного (белого) света при прохождении его через стеклянную призму в так называемый спектр (от латинского spectrum). Получающиеся при этом цвета в точности соответствуют цветам радуги. Призма позволила Ньютону получить радугу в «лабораторных» условиях. Вот они, цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Посмотрите еще раз на заглавие статьи. Мы воспользовались шуточной фразой, помогающей запомнить последовательность цветов в солнечном спектре (как видите, и в нашей шутке есть доля правды). Наверняка кто-то из вас вспомнит еще одно мнемоническое правило — фразу «каждый охотник желает знать, где сидит фазан».

Именно благодаря опытам Ньютона в конце XVII века было установлено, что белый свет представляет собой смесь из различных цветов. (В частности, Ньютон показал, что если разложенный в спектр белый свет смешать, то опять получится белый свет.) Прошло много времени, пока ученые осознали, что свет — это распространяющиеся в пространстве колебания связанных друг с другом электрических и магнитных полей, иначе говоря — электромагнитные волны. Наиболее привычный пример такого рода волн — радиоволны. Было доказано, что природа света и радиоволн — одна и та же, они отличаются лишь частотой колебаний. Частота радиоволн в тысячи раз более низкая, чем у световых. Каждому цвету отвечает определения частота колебаний. Если воспользоваться аналогией с музыкальными инструментами, то красный цвет отвечает «басам», а фиолетовый — высоким нотам.

Скорость распространения электромагнитных волн c = 300 000 км/с. Она во много тысяч раз больше скорости звука, так что радиослушатель, сидящий дома во Владивостоке около радиоприемника, слышит голос певца на концерте, транслируемом из Москвы, раньше, чем слушатель, сидящий в дальнем ряду концертного зала.

Приведенное значение скорости света (c = 3 · 10⁵ км/с) относится к вакууму. При распространении света в прозрачном веществе скорость оказывается меньшей. Особый интерес представляет тот факт, что при прохождении через вещество свет разных цветов распространяется с разными скоростями. Это явление называется дисперсией, и именно благодаря дисперсии призма разлагает белый свет в цветной спектр.

Итак, из белого света можно получить все цвета радуги. А что означают разные цвета на картинках в этом журнале? Стоит вам прихватить с собой журнал в темную комнату, как все цвета вообще пропадут, картинки станут просто серыми — сами по себе они не «светятся», какого бы цвета ни были. Чтобы видеть их разноцветными, их необходимо освещать. При этом падающий на страницу свет частично поглощается, частично рассеивается, а видим мы именно рассеянные световые лучи.

Очень важно, что разные вещества (в силу особенностей строения их молекул) обладают избирательностью к цвету — они по-разному поглощают и рассеивают свет различных участков спектра. Охра потому нам и кажется желтой, что из падающего на нее белого света поглощаются почти все лучи, кроме желтого цвета. Или вспомните про... помидор. На разных стадиях созревания он преимущественно рассеивает сначала зеленые лучи, потом — красные. В этом проявляются изменения молекулярного строения вещества помидора. Кстати, не случайно в химии цвет — важная характеристика вещества.

Пришло время оставить заботы земные и... воспарить. Действительно, вряд ли найдется человек, которого хоть раз в жизни не увлекла загадочная игра небесных красок. «Цвет небесный — синий цвет...», — написал замечательный грузинский поэт Нико Бараташвили. Но зададимся вопросом — безупречна ли физически упомянутая строчка?

Обычно голубизну неба объясняют рассеянием света в атмосфере. Однако почему тогда ночное небо даже при полной луне не бывает голубым? Или почему разные участки неба окрашены в синий цвет по-разному — одни более ярко, другие менее ярко? А если обратиться к заходу солнца? Внимательный физик, наблюдавший заход солнца, отметил, что сначала западная часть неба приобретает желтый или оранжевый оттенок; затем, когда солнце становится огненно-красным, свечение неба меняется от желто-оранжевого до ярко-зеленого; наконец, примерно до высоты 25° над горизонтом небо окрашивается в розовый цвет.

Поскольку причиной всех перечисленных цветовых коллизий является рассеяние солнечного света в атмосфере, остановимся более подробно на этом процессе.

Объяснение особенностей окраски неба принадлежит английскому физику У. Рэлею. В общих чертах суть дела такова. Цвет неба определяется зависимостью рассеяния света от частоты последнего. Приходящая от солнца электромагнитная волна «раскачивает» электроны, входящие в состав молекул воздуха. Наиболее сильное воздействие на электроны оказывают лучи синей части спектра. Таким образом, из пришедшей световой волны электроны молекул воздуха «забирают» колебания синей части спектра. Но, придя в вынужденное колебательное движение, электроны отдают назад взятую у волны энергию. Однако отдают они эту энергию уже во всех направлениях, а не только в направлении падения первоначальной волны от солнца. Этот процесс и представляет собой рассеяние света.

Существенным для объяснения рассеяния света в атмосфере является неравномерность распределения молекул воздуха в атмосфере — постоянно имеющие место флуктуации плотности воздуха. При равномерном распределении молекул в пространстве рассеяние было бы совершенно иным — небо просто-напросто было бы черным.

Итак, сильнее всего молекулы воздуха рассеивают синюю часть спектра, и поэтому участки неба, которые мы видим в рассеянном свете, кажутся нам голубыми¹. Чем сильнее удалены от солнца соответствующие участки небосвода, тем менее яркими они будут нам казаться. Причина состоит в том, что чем больший путь в атмосфере проходят солнечные лучи, тем меньшая в них доля приходится на синюю составляющую. Теперь, наверное, вам понятно, почему говорят «красно солнышко»? Прямые солнечные лучи по пути к нам «теряют» синюю составляющую, и преимущественную долю приходящего к наблюдателю излучения составляет именно красно-желтая часть спектра.

Очевидно, что дым, пыль и другие мелкие частицы, содержащиеся в воздухе, существенным образом влияют на рассеяние света в атмосфере. Известно, что после больших извержений вулканов восходы и заходы солнца порой играют удивительными красками — солнце и луна могут даже стать синими. Приведем описание последствий катастрофического извержения вулкана Кракатау в 1883 году, которое дает в своей книге «Занимательная геология» замечательный русский ученый В. А. Обручев: «Мелкий пепел затемнял солнце в Японии и в других местах на расстоянии свыше 3000 километров. Этот пепел, долго плававший в атмосфере, обусловил синеватый цвет солнца и луны в Африке и на островах Тихого океана и замечательные красные зори в конце 1883 года и в начале 1884 года, наблюдавшиеся по всей земле».

Синяя окраска солнца и луны в данном случае обуславливается рассеянием света на атмосферных аэрозолях размером 0,4–0,9 мкм, т.е. размером, сравнимым с длиной волны видимого света. Атмосферные аэрозоли указанных размеров образуются путем осаждения на твердых частицах дыма, пепла и т.д. при вулканических извержениях и крупных лесных пожарах. Именно вследствие своего относительно большого размера они рассеивают свет красной части спектра сильнее, чем синей. Это рассеяние связывают с именем немецкого ученого Ми. При наблюдении солнца и луны сквозь такой аэрозоль они видятся синеватыми — красная составляющая белого света рассеивается, и до нас доходит только синий свет. Итак, оттенки цветов, окрашивающих небесный свод, обусловлены в конкретной ситуации комбинацией рэлеевского рассеяния с рассеянием света на мелких частицах.

«Голубые горы, голубые дали, голубые город» — все эти поэтические сочетания слов обычно используют в качестве символов первозданности, необыкновенной чистоты, загадочности. Самое удивительное состоит в том, что и здесь не обошлось без физики. Так, иногда над покрытой зеленью открытой местностью, не слишком загрязненной вследствие человеческой деятельности, возникает очень красивая таинственная голубая дымка. В литературе часто упоминаются голубые горы Кавказа, а Голубые горы в Австралии знамениты именно своей голубой дымкой. Голубой цвет «дымки» обусловлен рассеянием света на мельчайших частицах, размер которых много меньше длины волны видимого света. Такими частицами могут быть органические макромолекулы, испускаемые растительностью, а также мельчайшие частицы, срываемые с острых частей растений электрическим полем земли. Итак, в местах скопления мельчайших частиц возникает добавочный эффект рассеяния синей части спектра.

Завершая статью, предлагаем читателю сюжеты для самостоятельного рассмотрения.

1. Почему издалека новогодняя елка (скажем, стоящая на главной площади вашего города) в вечернее время кажется красной, хотя она освещена огоньками разного цвета?
2. Если вам доведется в новогоднюю ночь сидеть у костра, не забудьте поэкспериментировать и может быть блеснуть перед окружающими, задав им следующий вопрос. Почему внизу на фоне деревьев дым костра кажется синим, однако над верхушками деревьев (на фоне светлого неба) он выглядит желтым?
3. Капнув несколько капель молока в стакан с водой, посмотрите сквозь него на светящуюся лампочку. Лампочка покажется красновато-желтоватой. Если же посмотреть на отраженный от стакана свет, он будет голубым. Объясните наблюдаемое различие цветов.

¹ Может возникнуть вопрос: почему голубыми, а не фиолетовыми? Дело в том, что надо еще принимать во внимание специфику восприятия цветов человеческим глазом и тот факт, что в солнечном свете фиолетовых лучей «меньше», чем синих.