На какой высоте рэлеевское рассеяние дает синий цвет неба и требуются ли флуктуации плотности?

В моем учебнике по оптике рэлеевское рассеяние представлено как создание голубого цвета неба за счет преимущественного рассеяния коротких волн из-за хорошо известного λ − 4 -зависимость. Далее поясняется, что в плотных оптических средах (например, в стекле, а также в нижних слоях атмосферы) деструктивная интерференция возникает во всех направлениях, кроме прямого, поэтому боковое рассеяние не происходит. Только в менее плотных средах, в которых длина свободного пробега фотона превышает одну длину волны (или период), свет некогерентно рассеивается в стороны, поскольку результирующая интерференция компенсируется.

Сделан вывод, что рэлеевское рассеяние происходит только высоко в атмосфере. Это подтверждается тем фактом, что горизонтально расположенные далеко объекты, близкие к поверхности, например, горы, не красные (как закат, поскольку синие фотоны рассеиваются за пределами прямой видимости). Таким образом, очевидно, что близко к поверхности рассеяние Рэлея отсутствует или имеет место лишь незначительное рассеяние.

Все идет нормально. Но теперь говорят, что в нижних и средних слоях атмосферы воздух слишком плотный, чтобы допустить рэлеевское рассеяние, так что синий цвет должен иметь другую причину, а именно флуктуации плотности (обнаруженные Эйнштейном и Смолуховским, но далее не обсуждаемые). Я не понимаю этого, поскольку предыдущий вывод о том, что синее рэлеевское рассеяние вбок происходит только высоко в атмосфере, похоже, соответствует наблюдениям (красных гор нет).

Итак, на какой высоте возникает синий свет из-за рэлеевского рассеяния? И какова роль флуктуаций плотности? Нужны ли они, или это предварительное условие (низкая плотность, так что средняя длина свободного пробега > 2 π ) достаточный?

Заметьте , здесь есть аналогичный вопрос Где в атмосфере рассеивается синий свет? (и я нашел также некоторые другие, но ни один из них не решал мою проблему). 1) Мне до сих пор непонятно, на какой высоте рассеиваются синие фотоны (вбок), и 2) либо достаточно больших высот (разреженного воздуха), что подходит к объяснению отсутствия красных гор, либо в более густом воздухе требуются флуктуации плотности , но тогда на малых высотах происходит боковое рэлеевское рассеяние, и горы будут красными...

Ответы (1)

в плотных оптических средах (например, в стекле, а также в нижних слоях атмосферы) деструктивная интерференция возникает во всех направлениях, кроме прямого, поэтому рассеяние в стороны не происходит

Это не верно. Деструктивная интерференция, препятствующая боковому рассеянию, возникает только в кристаллах (а может быть, и в квазикристаллах). В неупорядоченных системах, таких как газы, такой интерференции нет: рассеивающие центры движутся хаотично, так что даже если они образуют кристалл в какой-то момент времени (что само по себе крайне маловероятно), эта кристаллическая симметрия сразу же нарушается через крошечное время.

Итак, рассеяние, дающее синий цвет, происходит повсюду в атмосфере. Вы легко это заметите, если полетите в самолете, или подниметесь на гору, а потом посмотрите вниз. Воздушная перспектива, которую вы увидите, является в точности результатом рэлеевского рассеяния, и вы можете легко заметить, что в солнечный день она видна даже с относительно небольших высот, таких как 1 к м .

но тогда на малых высотах происходит боковое рэлеевское рассеяние, и горы будут красными

Солнечный свет, который на горизонте мы видим оранжевым, проходит через всю атмосферу горизонтально, пока не достигает наблюдателя. Его яркость настолько высока, что затмевает любую воздушную перспективу, так что последняя не оказывает заметного влияния на цвет.

С другой стороны, горы гораздо ближе. С расстоянием они становятся немного желтее, но тогда воздушная перспектива добавляет синий оттенок воздушному зазору между наблюдателем и горой. Поскольку вымирание не только меняет оттенок, но и уменьшает яркость, то в результате самые желтые горы «растворяются» в ракурсе с воздуха, а цвет тех, что остаются видимыми, либо трудно различим из-за ракурса с воздуха, либо почти не угасает, потому что они слишком близко.

Это противоречит моему учебнику E. Hecht Optics (но более старой версии...). В разделе 4.2 говорится, что боковое рассеяние не происходит в нижних слоях атмосферы и, следовательно, необходимы флуктуации плотности (их роль - мой вопрос). Двумя страницами позже в разд. 4.2.1 там сказано, что рассеяние синего света происходит в основном на высоте 150 км. 2) деструктивная интерференция сбоку в плотных средах в разд. 4.2.2 не ограничивается кристаллами, но упоминаются и плотные газы и жидкости... Там только говорится, что чем однороднее среда, тем лучше боковая деструктивная интерференция.
@CharlesTucker3 Книга Хехта больше похожа на энциклопедию, чем на учебник. В главах 4.2.1 и 4.2.2 нет даже математики, кроме расплывчатых ссылок на фазоры. И, к сожалению, эти главы очень неверны в отношении плотности и рассеяния. Я предлагаю попробовать реальный учебник физики, такой как Ландау и Лифшиц "Электродинамика сплошных сред" , где рэлеевское рассеяние обсуждается в главе 120, а формула для коэффициента рэлеевского рассеяния в газах выводится как уравнение ( 120,4 ) .
@CharlesTucker3 Кстати, если мы последуем ожиданиям Хехта, мы получим сияние, рассеянное Рэлеем, как видно с МКС, в форме сферы, похожей на свечение воздуха, но синего, а не зеленого цвета . Но на практике мы видим, что на поверхности все светло. Причем, чем ближе к поверхности, тем ярче. См., например, это фото .
Большое спасибо за разъяснение! Я думал, что Hecht — это стандартный учебник по оптике, но по вашему совету перейду к Ландау-Лифшицу!
На какой высоте рэлеевское рассеяние дает синий цвет неба и требуются ли флуктуации плотности?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v