что такое рассвет с точки зрения физики
Интересные факты о закате и восходе Солнца
ъЕсли бы наша планета не вращалась вокруг Солнца и была абсолютно плоской, небесное светило всегда находилось бы в зените и никуда не двигалось – не было бы ни заката, ни рассвета, ни жизни. К счастью, мы имеем возможность наблюдать за восходом и заходом Солнца – а потому жизнь на планете Земля продолжается.
Особенности возникновения рассвета и заката
Земля неутомимо движется вокруг Солнца и своей оси, и раз в сутки (за исключением полярных широт) солнечный диск появляется и исчезает за горизонтом, обозначая начало и конец светового дня. Поэтому в астрономии восходом и закатом Солнца называют время, когда над горизонтом показывается или исчезает верхняя точка солнечного диска.
В свою очередь, период перед восходом или заходом Солнца называется сумерками: солнечный диск находится недалеко от горизонта, а потому часть лучей, попадая в верхние слоя атмосферы, отражаются от неё на земную поверхность. Продолжительность сумерек перед восходом Солнца или его заходом прямо зависит от широты: на полюсах они длятся от 2 до 3 недель, в приполярных зонах – несколько часов, в умеренных широтах – около двух часов. А вот на экваторе время перед восходом Солнца составляет от 20 до 25 минут.
Во время восхода и захода создаётся определённый оптический эффект, когда солнечные лучи освещают земную поверхность и небосвод, окрашивая их в разноцветные тона. Перед восходом Солнца, на рассвете, цвета имеют более нежные оттенки, тогда как закат озаряет планету лучами насыщенного красного, бордового, желтого, оранжевого и очень редко – зелёного цветов.
Такую интенсивность красок закат имеет вследствие того, что днём земная поверхность прогревается, влажность уменьшается, скорость воздушных потоков увеличивается, а пыль поднимается в воздух. Разница в цветовой гамме между восходом и закатом Солнца во многом зависит от местности, где находится человек и наблюдает за этими удивительными явлениями природы.
Внешние характеристики дивного явления природы
Поскольку о восходе и закате Солнца можно говорить как о двух тождественных явлениях, отличающихся друг от друга насыщенностью цветов, описание заката Солнца над горизонтом можно применить также ко времени перед восходом Солнца и его появлении, только в обратном порядке.
Чем ниже солнечный диск спускается к западной линии горизонта, тем он менее ярок и становится сначала жёлтым, затем – оранжевым и, наконец, красного цвета. Изменяет свою окраску и небосвод: сперва он золотистого цвета, затем, оранжевого, а у кромки – красного тона.
Когда солнечный диск вплотную приближается к линии горизонта, он приобретает тёмно-красный цвет, а по обе стороны от него можно увидеть яркую полосу зари, цвета которой сверху вниз переходят от голубовато-зелёного до ярко-оранжевого тонов. В это же время над зарёй образовывается бесцветное сияние.
Одновременно с этим явлением, с противоположной стороны на небосводе появляется полоса пепельно-голубоватого оттенка (тень Земли), над которой можно увидеть сегмент оранжево-розового цвета, Пояс Венеры – он возникает над уровнем горизонта на высоте от 10 до 20° и при ясном небе виден в любой точке нашей планеты.
Чем больше Солнце уходит за линию горизонта, тем пурпурнее становится небо, а когда оно опускается за горизонт на четыре-пять градусов, оттенок приобретает максимально насыщенные тона. После этого небо постепенно становится огненно-красного цвета (лучи Будды), а от того места, где зашёл солнечный диск, вверх, постепенно угасая, тянутся полосы светлых лучей, после исчезновения которых возле горизонта можно увидеть тускнеющую полосу тёмно-красного цвета.
После того как тень Земли постепенно заполняет небо, Пояс Венеры рассеивается, на небе появляется силуэт Луны, затем звёзды – и наступает ночь (сумерки заканчиваются, когда солнечный диск уходит за горизонт на шесть градусов). Чем больше времени проходит от ухода Солнца за линию горизонта, тем становится холоднее, а к утру, перед восходом Солнца наблюдается самая низкая температура. Но всё меняется, когда через несколько часов начинается восход красного Солнца: на востоке появляется солнечный диск, ночь уходит, а земная поверхность начинает прогреваться.
Почему Солнце красное
Закат и восход красного Солнца с давних времён привлекал к себе внимание человечества, а потому люди всеми доступными им методами пытались объяснить, почему солнечный диск, будучи жёлтого цвета, на линии горизонта приобретает красноватый оттенок. Первой попыткой объяснить это явление, стали легенды, за ними появились народные приметы: люди были уверены, что закат и восход красного Солнца ничего доброго не сулит.
Например, они были убеждены, что если после восхода Солнца небо будет оставаться красного тона довольно долго, то день будет невыносимо жарким. Другая примета говорила о том, что если перед восходом Солнца небо на востоке будет красного цвета, а после восхода этот цвет сразу пропадёт – быть дождю. Также непогоду сулил и восход красного Солнца в случае, если после его появления на небосклоне оно сразу приобретало светло-жёлтый цвет.
Восход красного Солнца в такой интерпретации вряд ли мог долго удовлетворять пытливый человеческий ум. Поэтому после открытия различных физических законов, в том числе и закона Рэлея, было выяснено, что красный цвет Солнца объясняется тем, что он, как обладающий самой длинной волной, в плотной атмосфере Земли рассеивается намного меньше чем другие цвета.
Поэтому, когда Солнце находится у горизонта, его лучи скользят вдоль земной поверхности, где воздух имеет не только наибольшую плотность, но и чрезвычайно сильную в это время влажность, что задерживает и поглощает лучи. В результате этого сквозь плотную и влажную атмосферу в первые минуты восхода способны пробиться лишь лучи красных и оранжевых цветов.
Восход и закат Солнца
Хотя многие считают, что в северном полушарии самый ранний закат Солнца происходит 21 декабря, а самый поздний – 21 июня, в действительности мнение это ошибочно: дни зимнего и летнего солнцестояний являются лишь датами, которые говорят о наличии наиболее короткого или длинного дня в году.
Интересно, что чем севернее широта, тем ближе к солнцестоянию наступает самый поздний закат года. Например, в 2014 году на широте, расположенной в шестьдесят два градуса, он произошёл 23 июня. А вот на тридцать пятой широте самый поздний закат года произошёл шесть дней спустя (наиболее ранний восход Солнца был зафиксирован на две недели раньше, за несколько дней до 21 июня).
Не имея под рукой специального календаря, довольно сложно определить точное время восхода и заката Солнца. Это объясняется тем, что равномерно вращаясь вокруг своей оси и Солнца, Земля движется неравномерно по эллиптической орбите. Стоит заметить, что если бы наша планета двигалась вокруг Светила, такого бы эффекта не наблюдалось.
Такие отклонения по времени человечество заметило давно, а потому на протяжении всей своей истории люди пытались прояснить для себя этот вопрос: возведённые ими древние сооружения, чрезвычайно сильно напоминающие обсерватории, сохранились до наших дней (например, Стоунхендж в Англии или пирамиды майя в Америке).
Последние несколько столетий, чтобы рассчитать время восхода и захода Солнца, астрономы, наблюдая за небом, создавали календари Луны и Солнца. В наши дни, благодаря виртуальной сети, расчет восхода и захода Солнца может сделать любой пользователь интернета, воспользовавшись специальными онлайн-сервисами – для этого достаточно указать город или географические координаты (если на карте нет нужной местности), а также необходимую дату.
Интересно, что с помощью таких календарей нередко можно узнать не только время заката или рассвета, но и период между началом сумерек и перед восходом Солнца, продолжительность дня/ночи время, время, когда Солнце будет пребывать в зените и многое другое.
Почему закат и рассвет красный? С точки зрения физики.
Темные участки в спектре возникают из-за поглощения солнечного света газом, находящимся на уровне солнечной поверхности или выше ее. Поскольку различные газы поглощают свет разных цветов, можно определить газовый состав Солнца. Таким образом, например, был впервые открыт гелий (1870 г. ) в солнечном спектре и только потом найден на Земле. К сегодняшнему дню отождествлено большинство спектральных линий поглощения на Солнце, но не все. Таким образом, в сумме цвет солнечных лучей образуемый из компонентов практически всех длин волн видимого диапазона имеет выраженную желтизну. Именно желтого цвета будет наше солнце, если смотреть на него из космоса.
Освещенность предметов складывается из
— прямых солнечных лучей;
— солнечного света, рассеянного в атмосфере;
— солнечного света, отраженного от других предметов;
В космосе, где рассеивания в атмосфере нет вообще, а отраженного от предметов света крайне мало, тени имеют насыщенный черный цвет, также как и небо.
Рассеивание в атмосфере происходит в результате отражения солнечного света на мельчайших частицах пыли, вулканического шлака, смога и т. д. Оказывается, что рассеяние в атмосфере обратно пропорционально 4-ой степени длины волны. То есть, синяя часть спектра рассеивается заметно сильнее остальной. В результате небо мы видим голубым, а на закате или рассвете, когда солнце мы наблюдаем сквозь более толстые нижние слои атмосферы его лучи становятся для нас красными.
Таже, в тени, где прямой свет отсутствует, основным является рассеянный сине-голубой, и тени на снегу в солнечный день кажутся синими.
Физика города: почему закаты красные и как предсказывать по ним погоду
Иллюстрация: Ольга Денисова
Мы наблюдаем закат каждый вечер, и каждый вечер он нас впечатляет, настраивает на медитативный лад и заставляет тянуться за смартфоном с камерой. Наши друзья из Детского центра научных открытий «ИнноПарк» помогли разобраться, почему солнце и небо меняют цвет и как определить погоду на завтра без помощи метеорологов.
Если вы смотрите на заходящее солнце, сидя рядом с кем-то, ваш сосед увидит не совсем то же самое, что вы. Окраска луча зависит от того, как глаз воспринимает длину волны. А каждый человек в этом смысле чуточку уникален.
Солнце светит всеми лучами спектра одновременно. Короткие волны отвечают за фиолетовый цвет, а длинные – за красный. Однако эти волны попадают нам на сетчатку не напрямую, сначала они проходят сквозь атмосферу – газовый защитный слой Земли. Поскольку наша планета крутится вокруг Солнца, светило в течение дня находится в разном положении относительно ее поверхности, и толщина атмосферы, которая нас разделяет, также разная.
В полдень солнечные лучи проходят по короткому пути, падают отвесно и не успевают рассеяться. Именно поэтому с 12.00 до 15.00 нам приходится щуриться и носить темные очки. Вечером Солнце расположено перпендикулярно к позиции наблюдателя, преграда (атмосфера) в этот момент толще. Продраться через нее могут только длинные волны – красные. Вот почему этот цвет и его оттенки преобладают на небе во время заката.
Виды Москвы: летний закат с высоты птичьего полета
По цвету заката действительно можно определить погоду на ближайшие часы. Чем сильнее атмосфера заполонена облаками, тем сильнее она рассеивает лучи света. Лишь самые длинные, то есть самые красные, волны доберутся до нас. А значит алый закат – предвестник дождя. Тем же принципом прогнозирования можно руководствоваться на рассвете. Нужно только помнить, что утром атмосфера чище, чем в сумерках, так как не успела загрязниться, поэтому на восходе Солнце кажется ярче.
Екатерина Ефремова, Детский центр научных открытий «ИнноПарк»
Каждый день, просыпаясь утром, мы погружаемся в город, полный фактур, звуков и красок. Пока мы идем на работу и гуляем в парке, нам в голову приходит миллион вопросов о том, как же все вокруг нас устроено в этом огромном мегаполисе. Почему под нами дрожит земля, когда под нами проезжает поезд метро? И может ли в Москве произойти землетрясение? Какими видят нас люди из космоса?
Мы предложили коллегам из Детского центра научных открытий «ИнноПарк» дать ответы на наши вопросы и разъяснить, сколько велосипедистов нужно для освещения столицы, какие оптические иллюзии можно увидеть в городе и как начать экономить энергию, не выходя из дома. Так появился проект «Физика города». Новые вопросы и новые ответы ищите на нашем сайте по понедельникам и четвергам.
Почему небо голубое, а закат красный?
Одной из отличительных черт человека является любознательность. Наверное, каждый, будучи ребенком, смотрел на небо и задавался вопросом: «почему небо голубое?». Как оказывается, ответы на такие, кажется, простые вопросы требуют некоторой базы знаний в области физики, а потому не каждый родитель сможет верно объяснить ребенку причину указанного явления.
Рассмотрим данный вопрос с научной точки зрения.
Солнечный спектр
Диапазон длин волн электромагнитного излучения охватывает почти весь спектр электромагнитного излучения, в который входит и видимое для человека излучение. На представленном ниже изображении показана зависимость интенсивности излучения Солнца от длины волны этого излучения.
Анализируя данное изображение, можно отметить тот факт, что видимое излучение также представлено неравномерной интенсивностью для излучения различных длин волн. Так относительно малый вклад в видимое излучение дает фиолетовый цвет, и наибольший – синий и зеленый цвета.
Почему небо голубое?
Прежде всего на этот вопрос нас наталкивает тот факт, что воздух – бесцветный газ и не должен излучать синий свет. Очевидно, что причиной подобного излучения является наша звезда.
Как известно, белый свет на самом деле является комбинацией излучения всех цветов видимого спектра. С помощью призмы можно явно разложить свет на весь диапазон цветов. Подобный эффект возникает в небе после дождя и образует радугу. Когда же солнечный свет попадает в земную атмосферу, он начинает рассеиваться, т.е. излучение меняет свое направление. Однако, особенность состава воздуха такова, что при попадании света в него, излучение с короткой длиной волны рассеивается сильнее, чем длинноволновое излучение. Таким образом, беря во внимание изображенный ранее спектр, можно заметить, что красный и оранжевый свет, практически не будут менять своей траектории, проходя через воздух, в то время как фиолетовое и голубое излучения будут заметно менять свое направление. По этой причине в воздухе возникает некий «блуждающий» коротковолновый свет, который постоянно рассеивается в этой среде. В результате описанного явления, кажется, что коротковолновое излучение видимого спектра (фиолетовый, голубой, синий) излучается в каждой точке неба.
Прохождение солнечного света через призму
Общеизвестный факт восприятия излучения состоит в том, что глаз человека может уловить, увидеть, излучение только в том случае, если оно непосредственно попало в глаз. Тогда, смотря в небо, Вы вероятнее всего будете видеть оттенки того видимого излучения, длина волны которого наименьшая, так как именно оно рассеивается в воздухе лучше всего.
Почему же смотря на Солнце Вы не видите отчетливо красный цвет? Во-первых, внимательно рассмотреть Солнце человеку вряд ли удастся, так как интенсивное излучение может повредить зрительный орган. Во-вторых, несмотря на существование такого явления как рассеяние света в воздухе, все же большая часть света, излучаемого Солнцем, доходит до поверхности Земли не подвергаясь рассеиванию. А потому все цвета видимого спектра излучения совмещаются, формируя свет с более выраженным белым цветом.
Вернемся к рассеянному воздухом свету, цвет которого, как мы уже определили, должен иметь наименьшую длину волны. Из видимого излучения наименьшей длиной волны обладает фиолетовый, следом идет голубой, и несколько длиннее волны имеет синий цвет. Принимая во внимание неравномерную интенсивность излучения Солнца, становится ясно, что вклад фиолетового цвета мизерный. Поэтому наибольший вклад в рассеянное воздухом излучение несет голубой цвет, а следом – синий.
Почему закат красный?
Цвет в зависимости от длины волны
В случае, когда Солнце прячется за горизонт, мы можем наблюдать то самое длинноволновое излучение красного-оранжевого цвета. В данном случае свет от Солнца должен пройти заметно большее расстояние в атмосфере Земли, прежде чем достигнет глаз наблюдателя. В месте, где излучение Солнца начинает взаимодействовать с атмосферой, наиболее выраженными являются голубой и синий цвета. Однако, с расстоянием коротковолновое излучение теряет свою интенсивность, так как значительно рассеивается по пути. В то время как длинноволновое излучение отлично справляется с преодолением таких больших расстояний. Вот почему Солнце красное на закате.
Как было упомянуто раньше, хоть длинноволновое излучение и слабо рассеивается в воздухе, все же рассеяние имеет место быть. Поэтому находясь на горизонте, Солнце излучает свет, из которого до наблюдателя доходит лишь излучение красно-оранжевых оттенков, которое несколько успевает рассеяться в атмосфере, образуя ранее упомянутый «блуждающий» свет. Последний и окрашивает небо в пестрые оттенки красного и оранжевого цвета.
Почему облака белые?
Говоря об облаках, известно, что они состоят из микроскопических капелек жидкости, которая рассеивает видимый свет почти равномерно, независимо от длины волны излучения. Тогда рассеянный свет, направленный во все стороны от капельки, рассеивается вновь на других капельках. При этом комбинация излучений всех длин волн сохраняется, и облака «светятся» (отражаются) белым цветом.
Если погода пасмурная, то солнечное излучение доходит до поверхности Земли в незначительном количестве. В случае с большими облаками, или их большим количеством, некоторая доля солнечного света поглощается, потому небо тускнеет и принимает окрас серого цвета.
Как фотоны воспринимают время?
У каждого есть мечта; я хотел бы дожить до рассвета, но знаю, что мне осталось менее трёх часов. Будет ночь, но это неважно. Умирать просто. Для этого не нужен свет. Так тому и быть: я умру при свете звёзд.
— Виктор Гюго
Перемещаясь со скоростью света, фотоны, испущенные Солнцем, достигают Земли примерно за 8 минут. Путь в 150 миллионов километров по пустому космосу – это не препятствие для света, но для нас это значит, что глядя на Солнце, мы видим его таким, каким оно было незадолго до этого, а не таким, какое оно в данный момент является. Если бы Солнце мгновенно исчезло прямо сейчас, мы не узнали бы об этом – ни из-за света, ни из-за гравитации – пока не прошли бы восемь минут. Но как это выглядит с точки зрения фотона? Известно, что если перемещаться со скоростью, приближающейся к скорости света, включается СТО Эйнштейна, время замедляется, а длина уменьшается. Однако же фотоны двигаются со скоростью не близкой, а равной скорости света. И насколько же тогда стареет фотон, испущенный Солнцем, к тому времени, как он достигает Земли?
Сложно будет спорить с вами, если вы интуитивно ответите «на восемь минут». В самом деле, для нас этот фотон постарел настолько. Если прогулка в магазин длиною в 0,8 км занимает у вас восемь минут, и вы пошли в магазин, вы постарели на восемь минут. Если продавец заметил, что вы идёте в магазин, для него вы также постареете на восемь минут. И если бы мы просто придерживались ньютоновского определения времени – как абсолютной величины – это же было бы правдой для всего остального. Все и везде ощущали бы, что время идёт с одной скоростью в любых обстоятельствах. Но в этом случае скорость света не могла бы оставаться постоянной.
Представьте, что вы стоите на земле и светите фонарём в одном направлении, в котором на расстоянии в одну световую секунду находится объект. Теперь представьте, что вы бежите к этому объекту, светя тем же фонарём. Чем быстрее вы бежите, тем быстрее, по вашему мнению, должен перемещаться и свет – со скоростью света, сложенной со скоростью вашего бега.
Почему это обязательно?
Представим, что у вас с собой часы, но не такие, в которых вращаются шестерёнки и перемещаются стрелки, а такие, в которых единственный фотон света отражается вверх-вниз между двумя зеркалами. Если ваши часы покоятся, фотон перемещается вверх-вниз, и секунды идут как обычно. Но если часы двигаются, то как изменится ситуация?
Очевидно, время между отражениями увеличится, если скорость света будет оставаться постоянной. Если бы время текло с одинаковой скоростью для всех, везде и в любых условиях, то скорость света могла бы быть любой, тем выше, чем быстрее кто-либо двигался. Что ещё хуже, если бы кто-то, двигаясь очень быстро, повернул бы фонарик назад, мы бы увидели, что свет почти не двигается: он почти покоится.
Но свет так себя не ведёт, и не меняет свою скорость в вакууме ни в каких ситуациях, поэтому мы знаем, что такое представление неверно.
В 1905 Эйнштейн предложил свою специальную теорию относительности, отметив, что провал эксперимента Майкельсона-Морли, а также изменение длины и скорости течения времени можно объяснить, если скорость света в вакууме будет универсальной константой, с. Это значит, что быстро движущийся наблюдатель увидит, что он прошёл более короткую дистанцию и путешствовал меньше, чем это кажется покоющемуся наблюдателю.
Космический корабль Союз, пристыкованный к модулю МКС Пирс, вернёт на землю космонавтов, постаревших чуть меньше, чем если бы они оставались на земле, благодаря релятивистскому растяжению времени.
На самом деле, после вашего похода в магазин, благодаря теории относительности Эйнштейна, ваши часы – если бы они были идеально точными и изначально совпадали с часами продавца – почти на две наносекунды отставали бы относительно часов продавца. Эффекты относительности, хотя они в обычных условиях и малы, действуют всегда.
Причина в том, что предметы не просто двигаются в пространстве, и не только перемещаются вперёд во времени. Это происходит потому, что пространство и время объединены в единую ткань пространства-времени.
Впервые до этого додумался один из учителей Эйнштейна, Герман Минковский в 1908 году, после чего он записал:
Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, выросли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.
Работает это следующим образом: все и всё сущее всегда двигаются через пространство-время, и всегда определённым образом: вы перемещаетесь на определённое расстояние в пространстве-времени, неважно, с какой скоростью вы двигаетесь относительно всего остального.
Растяжение времени слева и сокращение расстояний справа показывают, как время кажется идущим медленнее, а расстояния – укорачивающимися, при приближении к скорости света.
Если с какой-то точки зрения вы двигаетесь в пространстве быстро, то по времени вы двигаетесь медленнее: поэтому путшествие в магазин отняло у вас на 2 наносекунды меньше, чем у продавца: вы двигались через пространство быстрее его, а значит, через время вы двигались медленнее. Если по пути в магазин вы будете двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света – около 99,9999999% от с – то для продавца прошло бы в 22 000 раз больше времени, чем для вас.
Памятуя обо всём этом, вернёмся к фотону. Он двигается не близко к скорости света, но точно со скоростью света. И все наши формулы при попытке описать поведение наблюдателя, движущегося со скоростью света, дают бесконечные ответы. Но бесконечность не обязательно означает ошибки физики – иногда она означает, что физика противоречит интуиции. Когда вы двигаетесь со скоростью света, то это значит, что:
• Вы в принципе не можете обладать массой. Если бы вы ею обладали, вы бы переносили бесконечное количество энергии. Вы обязаны быть безмассовым.
• Вы не воспримете ваше путешествие через пространство. Все расстояния по направлению вашего движения сократятся до точки.
• Вы не воспримете течение времени. Ваше путешествие покажется вам мгновенным.
Для наблюдателя на Земле свет испускается Солнцем за восемь (8:20) минут до того, как он его видит, и если бы мы могли наблюдать за путешествием фотона, он бы двигался со скоростью света всю дорогу. Но будь на борту этого фотона часы, для нас они бы показались остановившимися. Эти восемь минут для нас прошли бы как обычно, но фотон не воспринял бы течение времени.
Особенно это удивляет, когда обращаешься к удалённым галактикам Вселенной.
Свету, испущенному ими, требуются миллиарды лет, чтобы достичь нас, с точки зрения наблюдателя, находящегося в Млечном пути. За это время расширение Вселенной заставляет пространство растягиваться, и энергия испущенных фотонов заметно падает: происходит космологическое красное смещение. Но, несмотря на это удивительное путешествие, фотон вовсе не воспринимает того, что мы зовём временем: он просто испускается, а потом мгновенно поглощается, и всё путешествие происходит для него буквально мгновенно. Судя по всему, что нам известно, фотон вообще не стареет.