Не верь глазам своим, или почему вода в море кажется синей

Цвет неба в хорошую погоду

В то время как предсказать цвет моря непросто, цвет неба в хорошую погоду легко объясняется физическими принципами, выявленными английским физиком лордом (1842–1919). В отсутствие облаков цвет неба определяется результатом взаимодействия солнечного излучения с компонентами атмосферы Земли, а именно с неоднородностями (флуктуациями) плотности молекул азота и кислорода.

Как эти молекулы ведут себя, попав в поле солнечного излучения? Рассмотрим монохроматический свет, обладающий заданной длиной волны λ. Он представляет собой колеблющиеся в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения света, с частотой υ магнитное и электрическое поля. Под действием колеблющегося электрического поля электроны в молекулах также колеблются с частотой υ. В результате и сама молекула становится маленьким излучателем, испуская свет той же частоты, что и падающая волна. Это похоже на то, как излучает электромагнитные радиоволны теле- или радиоантенна. В случае молекул и солнечного света длина его волны оказывается много большей размера молекул, и такое рассеяние называется . Расчеты показывают, что интенсивность рассеянного света оказывается пропорциональной четвертой степени частоты υ4 (или 1 / λ4). Это утверждение называется законом Рэлея — Джинса.

Как все это связано с цветом неба? Согласно закону Рэлея, рассеяние электромагнитных волн оказывается значительно интенсивнее для высоких частот по сравнению с низкими. Это означает, что молекулы атмосферы сильнее рассеивают синий цвет, чем красный, зеленый или желтый.

Вот почему небо синее! Следуя этому рассуждению, можно было бы предположить, что небо должно быть фиолетовым, так как фиолетовое излучение обладает более высокой частотой, чем синее. В действительности в спектре солнечного излучения доля фиолетового меньше, чем синего. Кроме того, и максимальная чувствительность человеческого глаза находится в области зеленого (555 нм). В результате фиолетовая часть спектра солнечного излучения оказывается подавленной в восприятии человеческого глаза, и небо видится синим.

Что влияет на цвет воды в море?

Выяснить, почему вода в море имеет синий оттенок, люди пытались с давних времен, но только в XIX столетии ученые начали серьезно интересоваться этим вопросом и попытались определить основные факторы, оказывающие влияние на ее цвет.

Одним из первых исследователей морской воды стал швейцарский естествоиспытатель Франсуа Форель. Чтобы понять причину синевы моря, он создал специальный прибор, позволявший измерить оттенок жидкости по шкале химических соединений.
Позже исследователями было доказано, что любые вещества, в том числе морская вода, способны отражать свет Солнца и отдельные оттенки из спектра радуги. К примеру, лед может пропускать через себя любое излучение, поэтому выглядит прозрачным, а вот снег отражает только белый цвет, в силу чего видится белым.

Что касается воды в морях и океанах, то она способна отражать все оттенки синего, чем и объясняется ее синева. Помимо солнечного излучения, на цвет оказывают влияние облака (их объем и тип), высота Солнца над горизонтом, количество микроорганизмов.

Цвет моря и сила ветра

Море и небо дарят нам разнообразные цвета, вдохновившие многих художников. Аркадий Рылов воспроизвел эти цвета на картине, выставленной в Третьяковской галерее в Москве. Белые хмурые облака плывут по небу всех оттенков синего. Поверхность моря более темная, подошвы волн — почти черные, а гребни местами образуют белые «барашки».

Количество «барашков» и высота волн зависят от скорости ветра

Эта информация имеет важное значение для моряков: для определения скорости ветра они пользуются эмпирической таблицей, которую разработал британский адмирал сэр (1774–1857). На картине Рылова наличие небольшого количества «барашков» свидетельствует о ветре 12–19 км / ч, то есть 7–10 морских узлов

Такой ветер считается слабым и соответствует силе в 3 балла по шкале Бофорта.

Яркость морской поверхности зависит от угла наблюдения. Действительно, луч света, падающий на поверхность моря, как частично преломляется, так и частично отражается. Интенсивность отраженного луча зависит, в частности, от показателя преломления воды и угла падения. Чем острее угол, тем сильнее отражение. Поэтому поверхность моря кажется более яркой у горизонта, чем вблизи наблюдателя.

А что насчет его цвета? Цвет поверхности практически непредсказуем, так как зависит от многих факторов, таких как глубина моря, положение солнца, цвет неба, наличие взвешенных частиц и водорослей и т. д. Все эти факторы влияют на отражение света от поверхности, его рассеяние и поглощение в воде. И все же море чаще всего синее.

Причина в том, что вода поглощает меньше света в диапазоне между 400 и 500 нм (синего), чем в остальной части видимого спектра. Да, вода поглощает мало синего! Стакан воды выглядит совершенно прозрачным. Но начиная с толщины в несколько метров вода начинает заметно поглощать свет.

Из чего состоит морская вода?

Если говорить о составе морской воде, то помимо водорода и кислорода, в ней присутствует множество других элементов. В результате биологических и химических процессов в море попадают растворенные газы – азот, углекислота, кислород.
При определенных условиях в нем может накапливаться сероводород. Кроме газов, в морской воде присутствуют биогенные (питательные) вещества, принимающие участие в создании органических соединений.

Но самое главное вещество в море – это соль. Именно благодаря ей морская вода имеет соленый привкус. Степень солености в разных морях может значительно различаться. Это зависит от количества атмосферных осадков, притока речной воды, образования и таяния ледников.

Самым соленым является Красное море – в процентном соотношении его соленость составляет 41 %. В Средиземном море содержится 39 % соли, а в Черном – всего 18 %.

Физика света

Во второй половине XVIII века гениальный Исаак Ньютон впервые разложил обычный солнечный свет на составляющий его цветовой спектр. Для этого ученый пропустил тонкий луч через трехгранную призму. Свет преломился и отобразился на принимающем экране в виде ленты состоящей из семи цветов. Во всех экспериментах последовательность цветов сохранялась одной и той же. Сегодня дети запоминают ее с помощью простой фразы:

  • Каждый (первая буква слова означает красный цвет);
  • Охотник (оранжевый);
  • Желает (желтый);
  • Знать (зеленый);
  • Где (голубой);
  • Сидит (синий);
  • Фазан (фиолетовый).

Ньютон пошел дальше: он направил разложенные цветные лучи спектра на собирающую линзу и вновь получил белый свет. Поняв природу солнечного луча, великий физик продолжал свои опыты, все глубже раскрывая физические свойства света и механизмы появления цвета.

На основе своих изысканий ученый сделал три фундаментальных вывода:

  1. Без света не существует цвета.
  2. Белый свет содержит в себе все цвета, просто глаз их не в состоянии различать, например, как способен различать отдельные звуки в музыкальном аккорде.
  3. Для цветов спектра действует принцип сложения, смешивая между собой разные спектральные волны, можно получить всевозможные цветовые оттенки.

Сегодня наука еще не знает точно, как тандем зрения и мозга распознает всё многообразие существующих цветов. Есть догадки, но окончательной доказанной теории нет. Зато достоверно известно, как появляется цвет. Предметы имеют способность поглощать и отражать световые волны. Видимый глазом цвет — это отраженные волны. Если от поверхности предмета отражаются все спектральные цвета, то, как и в опыте Ньютона с собирающей линзой, они вновь складываются в белый свет. Например, таким человек видит снег в солнечный день или мороженое.

Если поверхность поглощает все волны, то она становится совершенно черной для глаз. Прозрачная вода пропускает сквозь себя все световые волны, поэтому почти невидима. В полной темноте и снег, и мороженое, и любой лист бумаги становятся полностью недоступными для зрения. Вооружившись знаниями о физике света, можно доходчиво ответить на вопрос, почему море синее.

Почему вода в море синего цвета?

Цвет морской воды во многом зависит от глубины проникновения в нее лучей различных цветов и размеров. Море способно поглощать и рассеивать любые лучи, но, к примеру, желтый либо оранжевый поглощаются быстрее и на малой глубине, а синий – медленнее и на больших глубинах, поэтому вода и кажется синей. В целом же цвет моря может варьироваться от прозрачного до зеленого.

При небольшой глубине или наличии в воде множества взвешенных частиц в ней рассеиваются оранжевые и красные лучи, в результате море выглядит зеленым. У самого побережья разница в поглощении не отражается на цвете, поэтому вода видится прозрачной или с легким голубоватым оттенком.
Значительное влияние на степень поглощения излучения оказывает количество фитопланктона, а точнее – объем хлорофилла, необходимый этим организмам для выработки углерода. Чем больше в воде хлорофилла, тем сильнее она поглощает синие лучи и отражает зеленые.

Замечено, что в местах, где присутствует много фитопланктона, вода более темная, с сине-зеленым оттенком. Кроме того, цвет моря может зависеть от состава и температуры воды. В более соленых и теплых морях она имеет голубой цвет, а в холодных и малосоленых – зеленый.

Морская синева

Часть солнечных лучей, падающих на морскую гладь, бесследно поглощаются, но часть их отражается от воды и взвеси, находящейся в ней. Причем в солнечную погоду, когда небо голубое и безоблачное, солнце высоко и волны не слишком сильные, поглощаются длинноволновые красные и желтые спектральные цвета, а коротковолновые лучи фиолетового, синего и голубого спектра отражаются во все стороны. Море становится насыщенно-синим, который так любят рисовать дети.

Однако синий — один из десятков цветов, в которые могут окрашиваться морские просторы. Пробыв пару дней на море, любознательный ребенок озадачится новым вопросом, почему синее море вдруг становится серым в ненастье или сверкает золотом во время закатов.

Палитра морей

Несмотря на изменчивость цвета воды, у каждого моря есть относительно устойчивая окраска. У некоторых из них цвета используются в качестве названия. Конечно, так получилось неспроста. Желтое море имеет желтоватые воды из-за взвеси, которую наносит в него вторая по величине река в Китае — Хуанхэ, неслучайно ее название переводится как Желтая река. Красное море поражает людей необычной красноватостью волн, которая появляется из-за фитопланктона.

Белое море получило имя из-за того, что оно замерзает зимой и покрывается белым снегом и льдами, в обычных условиях вода в нем зеленая, потому что она почти пресная и в ней растет очень много ламинарии. В хорошую погоду черноморские просторы радуют глаз насыщенными оттенками синего и голубого. По одной из версий, свое имя оно получило за очень темный цвет волн во время мощных штормов. Средиземное море, как и Черное, знаменито многообразием оттенков синего и лазурного.

Азовское море отличается цветовой изменчивостью: оно бывает желто-коричневым из-за илистого дна во время штормов, но в тихую погоду вдруг становится ярко-зеленым. Каспийское море тоже имеет зеленые воды из-за мелкой водоросли Ризосолении, которая в обилии населяет верхний слой Каспия. Но самыми красивыми оттенками зеленого славятся моря южных широт, особенно Карибское море, его умопомрачительный изумрудный цвет является визитной карточкой этих мест и главной приманкой для туристов.

https://youtube.com/watch?v=xmJAyg56yHg

Небо на закате и после

На закате небо над горизонтом принимает красивый розовый оттенок. Этот цвет также обусловлен рассеянием солнечного света в атмосфере. Поскольку свет распространяется во всех направлениях, то до нас доходит лишь его часть, а остальное возвращается в пространство. Часть солнечной энергии, возвращающаяся за пределы земной атмосферы, невелика, однако для некоторых явлений она может оказаться существенной. В видимом излучении разница между энергией, получаемой поверхностью земли и верхними слоями атмосферы, обусловлена прежде всего рассеянием.

Так, мы видим, что в дневное время энергия, получаемая на земле, меньше падающей на верхние слои атмосферы примерно на 25% в синем и на 10% — в красном диапазонах. На закате эти пропорции изменяются, поскольку свету приходится преодолевать гораздо большую толщу атмосферы. Таким образом, синий свет почти целиком рассеивается, и наблюдатель на земле видит в основном красный.

Как только солнце исчезает за горизонтом, постепенно наступает ночь. Цвет неба в ночное время — совсем иной вопрос.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitter
Напишите комментарий