Изучать окружающий мир по картинам хорошего художника- пейзажиста можно даже лучше, чем в натуре, ибо в пейзаже автор как бы останавливает мгновение, интуитивно усиливая существенное и опус- кая лишнее, случайное. При этом художнику нет нужды всегда понимать подчас весьма сложную сущность тех явлений, которые он отображает на своих полотнах. Посмотрим на картину Аркадия Александровича Рылова1 «В голубом просторе». «Белые птицы, как и облака, легко парят, купаясь в голубой лазури. И так же плавно, как белая птица, по спокойно колышущим- ся синим волнам океана скользит покрытый парусами корабль», — так описывает эту картину известный искусствовед А. А. Федоров—Давыдов. Жаль, конечно, что судить о достоинствах этого полотна нам приходится по репродукции, приведенной на цветной вклейке. Попробуем взглянуть на картину глазами естествоиспытателя. Прежде всего, откуда художник писал пейзаж — со скалистого уступа берега или с борта корабля? Скорее всего, он был на корабле, так как на переднем плане картины не видно прибоя, распределение волн симметрично и не искажено близким присутствием берега. 'А. А. Рылов A870—1939) — русский живописец, работал в эпико-романтической манере. 31 Давайте попытаемся оценить скорость ветра, который раздувает па- руса корабля, скользящего вдали. Мы не первые, кто задается вопросом оценки скорости ветра по величине волн или по другим проявлениям в окружающий нас природе. Еще в 1806 г. английский адмирал Ф. Бо- форт1 разработал двенадцатибалльную шкалу для приближенной оценки скорости ветра по его действию на наземные предметы и по волнению в открытом море, см. таблицу 4.1 на стр. 32. Эта шкала принята Всемирной метеорологической организацией, ею пользуются и поныне. Шкала Бофорта Баллы Бо- форта 0 1 2 3 4 5 Словесное определение силы ветра Штиль Тихий Легкий Слабый Умеренный Свежий Средняя скорость ветра (м/с) на высоте 10 м 0^0,2 0,3-=- 1,5 1,6-5-3,3- 3,4-^5,4 5,5^7,9 8,0-г- 10,7 Действие ветра Зеркально гладкое море На море легкая рябь; пены на гребнях нет. Высота волн до 0,1 м На море короткие волны с максималь- ной высотой до 0,3 м Легкое волнение на воде; изредка образу- ются маленькие ба- рашки. Высота волн до 0,6 м Белые барашки на море видны во мно- гих местах. Макси- мальная высота волн до 1,5 м Повсюду видны бе- лые барашки. Сред- няя высота волн 2 м 'Ф. Бофорт A774—1857) —• английский контрадмирал, военный гидрограф и картограф, глава гидрографической службы Великобритании. Море Бофорта омывает северное побере- жье Аляски. 32 Глава 4. В голубом просторе Шкала Бофорта 6 7 8 9 10 11 12 Сильный Крепкий Очень крепкий Шторм Сильный шторм Жестокий шторм Ураган 10,8 13,9 17,2 20,8 24,5 28,5 > -т- 13, -s- 17, -г-20, -=-24, -=-28, ^32, 32,7 8 1 7 4 4 6 Белые пенистые гребни занимают зна- чительные площади, образуется водяная пыль. Максимальная высота волн до 4 м Гребни волн срыва- ются ветром. Макси- мальная высота волн до 5,5 м Сильное волнение на море. Максимальная высота волн до 7,5 м Очень сильное волне- ние на море. Макси- мальная высота волн до 10 м Поверхность моря бе- лая от пены. Сильный грохот подобен уда- рам. Очень высокие волны — до 12J3 м На море исключи- тельно высокие вол- ны — до 16 м. Не- большие суда времен- но скрываются из ви- да Взглянув на картину, видим, что волнение на воде легкое, изредка на гребнях волн образуются маленькие белые барашки. Это, соглас- но шкале Бофорта, соответствует слабому ветру со скоростью около 5 м/с. Заметим, что о скорости ветра можно судить не только по шкале Бофорта, но и по контрасту яркости неба и моря. При наблюдении горизонта в открытом море, как правило, видна чёткая граница между небом и морем. Только при пол- ном штиле их яркости становятся одинаковыми. Контраст в этом случае исчезает, 33 море и небо сливаются воедино. Такое явление в природе наблюдается доволь- но редко — штиль для этого должен быть практически абсолютным: 0 баллов по шкале Бофорта. При малейшем ветре на поверхности моря появляются вол- ны. Коэффициент отражения света от наклонных участков поверхности уже не равен единице, поэтому и возникает контраст между яркостью неба и моря, кото- рый может быть измерен экспериментально. Так, зависимость контраста яркостей моря и неба от скорости ветра была измерена во время одной из экспедиций научно-исследовательского судна «Дмитрий Менделеев». На рисунке 4.1 крести- ками показаны результаты измерений, сплошной линией — найденная А. В. Бялко и В. Н. Пелевиным теоретическая зависимость. Рис. 4.1: Зависимость контраста яркости моря и неба от скорости ветра. 0,5 0,4 0,3 0,1 - - - А 0 1 / I I I I Z 3 4- V, м/с А кстати, почему барашки белые и так сильно отличаются по цвету от сине-зеленого моря? Цвет моря определяется многими факторами, среди которых важней- шими являются положение солнца, цвет неба, рельеф поверхности моря, глубина моря; если глубина невелика, то важным фактором является на- личие или отсутствие в воде водорослей и содержание в ней взвешенных твердых частиц. Все эти факторы влияют на отражение света от поверхно- сти моря, на поглощение и рассеяние света в глубине. Поэтому однознач- ное объяснение видимого цвета моря просто невозможно. Но кое в чем разобраться можно. Так, например, можно понять, почему цвет ближай- ших к художнику волн гораздо темнее общего фона моря, а к горизонту море становится светлее. Степень отражения световой волны при падении на границу раздела двух сред с разными оптическими плотностями определяется углом паде- ния а и относительным показателем преломления сред. Количественно ее характеризуют коэффициентом отражения, который равен отношению ин- 34 Глава 4. В голубом просторе тенсивностей отраженного и падающего света1. Коэффициент отражения зависит от угла падения. Чтобы обнаружить эту зависимость, понаблю- дайте, как отражаются лучи дневного света от поверхности полированного стола. Здесь оптически более плотной средой служит прозрачный слой лака. Вы увидите, что при скользящих лучах отражается практически весь световой поток, а с уменьшением угла падения все большая часть свето- вого потока проникает в среду с большей оптической плотностью и все меньшая часть отражается от поверхности раздела. Коэффициент отра- жения убывает с уменьшением угла падения. Обратимся теперь к схематическому изображению волны, показан- ному на рис. 1 (см. вторую страницу обложки), из которого видно, что углы падения ai и «2 лучей, попадающих в глаз наблюдателя от «фронта» волны и от «спины», разные и а2 > оц. Поэтому от удаленных областей волн в глаз наблюдателя попадает больше отраженного света, и передний фронт волны виден более темным, чем ровная поверхность моря сзади. В случае многих волн на поверхности моря угол а, вообще говоря, меняется в зависимости от того, смотрим ли мы на гребень волны или на впади- ну вблизи или вдалеке от фронта волны. По мере удаления к горизонту картина волн как бы усредняется, наблюдатель уже не видит долин между волнами, и постепенно темные склоны волн исчезают совсем. Поэтому на картине область моря вблизи горизонта кажется более светлой, чем на переднем плане. Теперь мы можем объяснить, почему барашки на гребнях волн белые. Бурлящая вода в барашках содержит множество пузырьков воздуха, ко- торые непрерывно движутся, лопаются, меняют форму. Углы отражения меняются от точки к точке и во времени. Поэтому в пене барашка сол- нечные лучи почти полностью отражаются, и барашки воспринимаются белыми2. На цвет моря в большой степени влияет цвет неба над ним. И если первый, как мы уже говорили, предсказать практически невозможно, то цвет неба можно понять на основании физических законов. Ясно, что цвет неба определяется рассеянием солнечных лучей в земной атмосфере. Но почему рассеяние лучей солнца, спектр которого сплошной, то есть содержит все длины волн, приводит к синему, голубому цвету неба, а само солнце мы видим желтым? Разобраться в этом вопросе нам поможет закон Релея для рассеяния света. ' Интенсивностью света называют среднее (по времени) значение светового потока через единицу поверхности площадки, перпендикулярной к направлению распространения света. 2Забегая вперёд, скажем, что в морской пене голубые лучи, идущие от неба, вновь сме- шиваются с желтоватым солнечным светом. Поэтому "барашки" кажутся белыми. (Прим. ред.) 35 В 1898 г. английский физик Релей1 создал теорию рассеяния света на заряженых частицах, размеры которых значительно меньше длины вол- ны рассеиваемого света. Найденный им закон гласит: интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты, световой волны или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Для объяснения цвета неба Релей применил свой закон к рассеянию солнечного света в атмосфере (поэтому иногда сформулиро- ванный выше закон называют «законом синего неба»). Попробуем понять качественно содержание закона Релея. Свет пред- ставляет собой электромагнитные волны. Молекулы состоят из ядер и электронов — частиц заряженных. Попадая в поле электромагнитной вол- ны, эти заряженные частицы начинают двигаться, причем можно считать, что их движение происходит по гармоническому закону: x{t) = Aosmujt, где Aq — амплитуда колебаний, а ш — частота световой волны. При таком движении заряженные частицы обладают ускорением а = х'/ — = — Aqui2 sinuit. Однако ускоренно движущиеся заряженные частицы са- ми становятся источниками электромагнитного излучения — так назы- ваемых вторичных волн. Амплитуда такой вторичной волны пропорци- ональна ускорению порождающей ее частицы (равномерно движущиеся заряженные частицы, как известно, создают электрический ток, но не излучают электромагнитных волн). Соответственно интенсивность излу- чения вторичных волн оказывается пропорциональной квадрату ускоре- ния движения электронов в поле первичной волны (движением тяже- лых ядер можно пренебречь), а следовательно, четвертой степени частоты (/~а2~ (х'/У2 ~ш4). Но вернемся к цвету неба. Отношение длины волны красного к дли- не волны синего света равно 650 нм/450 нм=1,44 A нм (нанометр) = = 10~9 м). Возводя это число в четвертую степень, получим 4,3. Та- ким образом, согласно закону Релея интенсивность рассеянного в ат- мосфере синего света в четыре раза превышает интенсивность рассе- янного красного света, и слой воздуха толщиной в десятки километров приобретает окраску с заметным преобладанием синих и голубых цве- тов. А видимый солнечный свет, который дошел до нас сквозь «за- слон» атмосферы, в большей степени лишен коротковолновой части сво- его спектра. Поэтому солнце, которое мы видим в прошедших сквозь атмосферу лучах, принимает слабый желтый оттенок. Этот оттенок может усиливаться, становиться оранжевее и краснее по мере захода солнца, когда солнечным лучам приходится преодолевать больший путь в атмосфе- 'Дж. У. Рэлей A842—1919) — английский физик, председатель Лондонского Королев- ского Общества, лауреат Нобелевской премии 1904. 36 Глава 4. В голубом просторе ре (при восходе солнца, естественно, смена цветов происходит в обратном порядке). Заметим, что в законе Релея предполагается только, что длина волны рассеиваемого света намного превышает размеры рассеивающих частиц, однако сам этот размер в выражение для интенсивности не входит. Релей первоначально предполагал, что цвет неба обусловлен рассеянием сол- нечного света на мельчайших частицах, запыляющих атмосферу. Однако позже он пришел к убеждению, что солнечные лучи рассеиваются на мо- лекулах газов, входящих в состав воздуха. Через десять лет, в 1908 г., польский физик-теоретик М. Смолуховский1 высказал идею о том, что рассеивателями в оптически однородной среде должны выступать весьма неожиданные объекты: неоднородности плотности частиц и связанные с ними неоднородности оптической плотности. С помощью этой гипотезы Смолуховскому удалось объяснить известное задолго до его исследова- ний явление критической опалесценции — сильного рассеяния света в жидкости или газе вблизи критической точки. Наконец, А. Эйнштейн в 1910 г. создают последовательную количественную теорию молекулярного рассеяния света, основанную на идее Смолуховского. Для газов интенсив- ность рассеянного света, вычисленная но формуле Эйнштейна2, в точности совпала с результатом, полученным ранее Релеем. Все, казалось бы, стало на свои места. Но откуда берутся неоднород- ности в плотности воздуха? Ведь он находится в состоянии термодинамиче- ского равновесия, а если даже дует ветер, то связанные с этим движением неоднородности имеют гигантские размеры, превышающие длину волны света в огромное число раз, и на рассеянии света сказываться никак не могут. Для понимания природы неоднородностей показателя преломления света давайте более детально разберемся с понятием термодинамическо- го равновесия. Для простоты рассмотрим некоторый макроскопический объем газа, находящийся в замкнутом сосуде.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «В голубом просторе» з дисципліни «Дивовижна фізика»
