"Природа", №8-9, 1922 год, стр. 17-36

Основные законы рассеяния света.

Е. Е. Федорова.

Нужно ли говорить о значении рассеяния света в атмосфере? Попробуем только представить, чем была бы наша природа без рассеянного света от небеснаго свода. — Дня в настоящем смысле не было бы. При полном еще более сильном, чем в действительности, блеске солнца небо было бы черно н покрыто звездами. Тени от предметов были бы так резки, что в теневой стороне ничего нельзя было бы различать; мы могли бы видеть рельеф вещей только с одной стороны, освещенной солнцем. Правда, остался бы свет, отражаемый от земной поверхности и предметов на ней, играющий в нашей жизни тоже значительную роль. Благодаря ему в комнате, куда попадают прямые солнечные лучи, так светло. В комнате же с окнами не на солнечную сторону в воображаемом случае при отсутствии рассеянного света было бы темно, почти как ночью. Мы были бы лишены того мягкого, со всех сторон падающего света, освещением которого, главным образом, мы и пользуемся в нашей жизни днем. Не существовало бы ни зари, ни сумерек. Не только люди, но и растения едва ли вынесли бы такой режим одностороннего получения света и тепла, притом с переходами от крайнего нагревания прямыми лучами солнца к резкому охлаждению во мраке тени.

Рассеянный свет есть непременное следствие существования атмосферы, ибо она во всем разнообразии происходящих в ней явлений выказывает себя, как рассеивающая среда. Рассеивают, как самый воздух, так и плавающие в нем облака разного рода и пыль. Наблюдения показали, что в Европе в течение ясного дня земля получает количество энергии рассеянного света от небесного свода, соизмеримое с энергией, получаемой ею от прямых солнечных лучей. В зимние месяцы то и другое даже почти одинаково. В летнее время рассеянная энергия дает, хотя и менее относительно прямого света, но по абсолютной величине гораздо более, чем в зимнее. При облаках же небо посылает на землю вообще очень много света. Для иллюстрации того, с какими величинами лучистой энергии от небесного свода мы имеем дело на земле при безоблачном небе и при различных облаках, может служить нижеследующая табличка ¹). В ней заключаются численные примеры из произведенных измерении при некоторых типичных условиях облачности.

В табличке приводятся количества энергии, посылаемой на горизонтальную поверхность земли 1) от солнца непосредственно, 2) от небеснаго свода. Положение солнца на небе, к которому относятся числа таблички, высокое: около 50° высоты над горизонтом. Числа выражают приход энергии, в малых калориях, в одну минуту на 1 кв. сантиметр.

Эта таблица показывает, что энергия рассеянного света вообще не ничтожная величина, а при некоторых условиях облачности и очень большая, приближающаяся к порядку величины, получаемой от прямых лучей незакрытого солнца. Действительно, когда небо покрывают высокие не очень легкие облака (перисто-слоистые, высоко кучевые и т. п.), то энергия, падающая от всего небосклона на 1 кв. сантиметр в минуту, достигает размера 0,42—0,43 калорий. При облачном небе вообще к земле притекает большое количество энергии рассеяннаго света, за исключением случая особенно густых облаков. При безоблачном же небе землею получаются значительно меньшие количества энергии.

Предыдущая таблица, как уже упомянуто, относится к случаям высокого положения солнца на небе. При более низком солнце, когда атмосфера пронизывается косыми лучами его, в ясный день, роль рассеянного света еще повышается, хотя по абсолютной величине количество этого света и падает. В облачный же день энергия, рассеянная от небесного свода, вообще отчасти заменяет исчезающую с повышением густоты облачного покрова энергию прямых солнечных лучей.

В Европе и других областях земного шара, расположенных вне тропиков, с небом облачным по преимуществу в зимнее полугодие количество энергии, даваемое поверхности земли рассеянным светом, зимой решительно превышает даваемое прямым солнечным светом. В летнее полугодие они оспаривают первенство друг у друга.

Способностью рассеивать лучистую энергию обладает вообще прозрачная среда, заключающая в себе мелкие частицы. В физике такую среду именуют "мутной средой". Атмосфера и представляет такую мутную среду. Рассеивающими элементами в ней являются, как молекулы воздуха, так и находящиеся в нем в большем или меньшем количестве частицы пыли и воды. От них то и происходит рассеянный или дневной свет ⁴), т. е. та беспорядочная смесь лучей разных направлений, благодаря которой места, находящиеся в тени от прямых лучей солнца, освещены.

Осуществляется рассеяние лучистой энергии в атмосфере не одним физическим процессом, а несколькими процессами, управляемыми разными законами. Их можно разделить на две существенно для получаемого результата различные группы. К одной группе нужно отнести только один процесс, главным отличительным свойством которого является то, что количество рассеянной энергии обратно пропорционально четвертой степени длины волны света. Это — знаменитый закон Рэлея, открытый им в 70-х годах XIX столетия. Кроме вышеупомянутого замечательного свойства соответствующий этому закону процесс обладает и другими выделяющими его среди других особенностями. В дальнейшем я буду называть этот процесс "рэлеевским рассеянием". Ниже придется уделить ему много места. Здесь отмечу только, что выделяется он, собственно, способностью вносить качественный отбор в белый естественный луч солнца.

Ко второй группе следует отнести ряд процессов: отражение от поверхности, преломление внутри и диффракция около различных находящихся в воздухе посторонних частиц. Все они вместе вызывают тоже рассеянный дневной свет, но без какого либо отбора. Хотя каждый из только что упомянутых физических процессов имеет, конечно, свои определенные свойства, но правильные, "закономерные" явления от них могут получаться только на правильных поверхностях тел, или при правильно распределенных в пространстве тельцах, или на правильных краях тел; напр., при отражении от зеркальных поверхностей, при преломлении в кристаллических телах, при диффракции в диффракционных решетках. Таких условий вообще в атмосфере нет. Поэтому никакой правильности в результате действия каждого из этих законов в ней не получается. Итог всех их вообще одинаково выражается в рассеянном белом свете.

Только в отдельных случаях при особо благоприятных условиях расположения и состава частиц в атмосфере, а также положения наблюдающего глаза, можно видеть оптические явления исключительного характера и то большею частью размытые, как результат действия одного или несколько процессов второй группы. Таковы явления венцов около солнца и луны, вызываемые диффракцией света в негустых облаках. Таково очень редкое явление кольца Бишопа, происходящее благодаря диффракции света в мелкой вулканической пыли, появляющейся в очень высоких слоях атмосферы после некоторых сильных извержений вулканов. Таковы же явления радуги и гало (большой круг около солнца и луны), вызываемые совместным действием преломления, отражения и диффракции соответственно либо в капельках, либо в кристалликах. Все эти явления, и сами по себе не частые, не играют никакой роли в распределении лучистой энергии солнца. На долю этих явлений из состава солнечной энергии выделяется такая ничтожная часть, что ее нельзя считать за величину в практическом значении этого слова. Только столь исключительной чувствительности аппарат, как наш глаз, может свободно наблюдать иногда подобные эффектные произведения неба. Их можно сравнить с редкими драгоценностями, которыми люди иногда любят украшать себя, но которые никакого значения в хозяйственной жизни человека не имеют. Явления эти могут служить тонким орудием исследования совершающегося в атмосфере. Массовая же рабочая энергия дневного света заключается не в них. Она является нам только в виде рассеянного света, накладывающего свою печать на весь облик жизни на земле.

Главные массы рассеянной энергии на большей части пространства земного шара получаются от процессов рассеяния, именно по только что рассмотренной второй группе процессов, среди которых превалирующую роль играет отражение. Рассеяние производимое этой группой процессов я буду называть "простым" противопоставляя его рэлеевскому. При облаках количество энергии, рассеянное процессами второй группы, подавляет по величине количество, получаемое от "рэлеевского рассеяния". Однако, в свете от ясного неба роль последнего процесса выступает на первый план. Правда, как показывает выше рассмотренная табличка, свет этот не велик, но все же он имеет немалое значение.

Я уже отметил выше самое важное качество рэлеевского рассеяния, это — свойство рассеивать лучистую энергию обратно пропорционально четвертой степени λ (длины волны). Оно обладает еще другим замечательным свойством, проявляющимся в атмосфере. Лучи рассеянного света оказываются поляризованными, причем плоскости поляризации их расположены симметрично относительно направления первичного луча солнца, вызвавшего рассеянный свет в данном месте неба. Хотя это свойство рэлеевского рассеяния поляризовать лучи не вносит количественно существенного различия в рассеянную энергию и может быть обнаружено только тонким специальным прибором; хотя, таким образом, оно не имеет большого значения в природе, однако оно очень характеризует самый процесс рэлеевского рассеяния, подчеркивая его особенное положение среди других участвующих в рассеянии света в атмосфере процессов. Действие отражения, преломления и диффракции, каждого в отдельности и всех в совокупности, вызывает в атмосфере рассеяние в обыкновенном, простом смысле этого слова, как явления по преимуществу связанного с беспорядочным по направлению и безразличным по качеству распределением лучей. Рассеяние рэлеевское, благодаря его вышеуказанным двум свойствам, вносит как бы стремление к некоторой упорядоченности — качественного отбора. Вместо полного смешения лучей по всем присущим им качествам при этом рассеянии происходит до некоторой степени разделение по таким отличиям, как длина волны и поляризация.

Теперь я остановлюсь подробнее на первом свойстве рэлеевского рассеяния, из которого вытекают важные следствия. Оно выражается законом рассеяния энергии, которое обратно пропорционально λ⁴ (четвертой степени длины волны). Это значит, что, если бы в известный небольшой объем какой либо мутной среды попадали лучи различного цвета и притом, предположим, в равном количестве энергии каждого цвета, то как пропущенный, так и рассеянный этим объемом свет был бы уже не с одинаковым составом по величине энергии для каждого цвета. В рассеянном свете гораздо сильнее преобладали бы лучи короткой длины волны, т. е. более близкие к фиолетовой части спектра и притом так, что отношение интенсивностей рассеянного света было бы равно обратному отношению λ⁴. Так что, если взять, для примера, красный и фиолетовый цвета с длинами волн соответственно 0,66 µ и 0,44 µ ⁵), то в рассеянном свете фиолетового будет в 5 раз более, чем красного. Это будет иметь место, конечно, лишь в том случае, если рассматриваемый объем рассеивает только рэлеевским процессом. В пропущенном нашим объемом свете, наоборот, были бы слабее лучи с меньшей длиной волны. Но, так как в пропущенном свете должны быть в большом количестве примешаны незатронутые рассеянием лучи всех λ, то отношение интенсивностей в нем не должно соответствовать обратной пропорциональности λ⁴. Зато такая пропорциональность будет существовать с тем дефицитом в энергии каждого отдельного цвета, который получается благодаря потере на рассеяние в нашем объеме. Для каждой λ будет недоставать количества энергии обратно пропорционально λ^{4 6}).

Вот в только что рассмотренном свойстве рэлеевского рассеяния и находит объяснение голубой цвет неба. Как известно, энергия лучей разных длин волн в спектре солнца различна. Наибольшая в области малых волн, она несколько спадает к красному. Все же, если бы лучи всех цветов рассеивались в воздухе одинаково, то цвет неба был бы белый, т. е. состоял бы из сравнительно равномерной смеси всех цветов спектра. Но по закону Рэлея красный, а затем оранжевый и желтый очень сильно ослабляются; наоборот, фиолетовый, а за ним синий и голубой мало. Поэтому небо приобретает сине-голубой цвет. Он, тоже является сложным, составляющимся, как и белый из всех цветов спектра, но в нем гораздо больше лучей с малыми λ.

Чертеж 1. Распределение энергии в спектре прямых солнечных лучей.

Прилагаемый рисунок № 1 поясняет только что сказанное. Кривые линии на нем изображают распределение энергии в спектре прямых солнечных лучей. Первая относится к спектру энергии вне пределов земной атмосферы. Это — лучистая энергия, еще незатронутая действием атмосферы, в том виде, как она достигает земли, пройдя безвоздушное мировое пространство. Как только она проникает в слой атмосферы, она начинает уменьшаться благодаря разного рода рассеянию,и избирательному и неизбирательному поглощению. Нижние две кривые (2 и 3) представляют результат действия этих процессов после того, как прямые лучи солнца прошли толщу атмосферы и достигли поверхности земли. Обе относятся к случаю солнца не закрытого облаками. Они различаются между собой тем, что более высокая из них получается при положении солнца 30° над горизонтом, а более низкая при 10°. Понятно, что чем наклоннее падают лучи солнца, тем большую толщу воздуха они пронизывают; причем при высоте солнца над горизонтом в 30° путь лучей в атмосфере в 2 раза, а при высоте в 10° в 5½ раз длиннее, чем в случав солнца находящегося в зените. 30° — это приблизительно высота солнца в полдень в день равноденствия для северной Европы. В другие часы дня солнечным лучам приходится совершить, конечно, более длинный путь в атмосфере, чем в полдень. Одному из случаев невысокого положения солнца и отвечает кривая 3 ⁷).

Рисунок 1 ясно показывает, какое сильное действие оказывает атмосфера на солнечную энергию и ее спектр. Значительная часть энергии в прямых лучах теряется и столь же важно то, что максимум в их спектре перемещается от фиолетового конца к красному. Иэ этого следует, что в полдень солнце должно казаться более белым, чем утром и вечером. С понижением высоты оно должно становиться желтее, а потом и краснее. Это в действительности и наблюдается.

Какие же оптические процессы приводят к такой потере энергии и искажению спектра солнечных лучей? Главное значение имеет, как уже говорилось, рэлеевское рассеяние. Простое рассеяние и неизбирательное поглощение играют в данном случае (неба не закрытого облаками) второстепенную роль, производя лишь слабое общее по всему спектру ослабление энергии ⁸). Действие избирательного поглощения не трудно отделить на спектре прошедших атмосферу лучей. На нижних кривых рисунка оно проявляется более или менее глубокими впадинами ⁹). Если сгладить эти кривые, закрыв впадины, как это сделано на рисунке пунктирными линиями, то вся площадь, заключающаяся между той или другой из нижних кривых и верхней первой кривой представит собой, по преимуществу, энергию света, рассеянного в атмосфере. Это результат действия, главным образом, рэлеевского рассеяния. Как видно на чертеже, количество рассеянного света в малых λ очень велико, тогда как в красных и инфракрасных лучах оно невелико.

Не следует принимать, что вся эта энергия рассеянных лучей посылается на землю. Около половины ее уходит в мировое пространство, не достигая поверхности земли. Но во всяком случае в получаемой поверхностью земли части энергии она должна распределяться по спектру приблизительно пропорционально распределению ее на рисунке, т. е. с очень большим количеством энергии в половине видимого спектра со стороны коротких длин волн и быстро спадающим к инфракрасным лучам. Это есть выражение голубого цвета неба, который, таким образом, есть цвет сложный, состоящий из смеси всех цветов, но с решительным преобладанием зеленого, голубого, синего и фиолетового. Чем чище воздух от посторонних примесей в виде пылинок, капелек воды и пр., тем большая часть дневного света относится к рэлеевскому рассеянию. На высоких отдельных горах, где воздух особенно чист благодаря отсутствию пыли и малому количеству воды в нем, дневной свет почти исключительно есть результат рэлеевского рассеяния. Там небо принимает не беловато-голубой, а глубоко-голубой или даже синий цвет. Зато как слаб этот свет там!

Если небо покрыто сплошным слоем облаков, спектр его света приблизительно подобен по составу спектру кривой первой (по величине энергии он, конечно, несравненно слабее), т. е. от неба получается белый цвет; в этом случае рассеяние, по преимуществу, не рэлеевское.

Далее придется ответить на вопрос, при каких условиях существует рэлеевское рассеяние: только ли молекулы газа вызывают рэлеевское рассеяние или на это способны и частицы более крупных размеров?

Рэлей при обосновании своего закона выставил лишь условие, чтобы частички рассеивающего вещества были ничтожно малы сравнительно с λ. Для того, чтобы ответить на предыдущий вопрос я воспольвовался данными точных спектральных наблюдений. До сих пор, к сожалению, не имеется достаточно точных и подробных спектральных измерений рассеянного света от небесного свода. Поэтому пришлось прибегнуть к косвенному пути для разрешения поставленного вопроса.

Астрофизической Обсерваторией американского научного Смитсонианского Института были предприняты посредством болометра тщательные измерения по спектру солнечной энергии, как на небольших высотах над уровнем моря, так и на очень высоких горах. Измерения не ограничились видимой частью спектра, а захватили как ультрафиолетовый конец, так и особенно далеко инфракрасную часть его. Определялась энергия от λ = 0,34µ до λ = 2,5µ, т. e, вся мало-мальски имеющая значение солнечная энергия. Наблюдения эти должны вызывать удивление тому труду и уменью, которые при этом были проявлены, принимая во внимание всю сложность и тонкость измерения количеств энергии в тонких полосах спектра ¹⁰).

Результаты этих измерений, если их соответствующим образом обработать для исследования на тему настоящей статьи, чрезвычайно интересны. Они будут показаны на следующих далее чертежах 2 и 3. На этих чертежах дается величина К, характеризующая относительный дефицит в пропущенной атмосферой энергии разичных λ. Ранее уже упоминалось о таком дефиците, когда говорилось о первом свойстве рассеяния по закону Рэлея.

При действии исключительно одного рэлеевcкого рассеяния для каждой λ в пропущенном через тонкий слой чистого воздуха свете будет недоставать количества энергии пропорционально 1/λ⁴ при равном количестве энергии каждого цвета. Пропорциональность графически может быть выражена прямой наклонной линией. Поэтому, если на чертеже по абсциссам откладывать 1/λ⁴, а по ординатам соответственные величины дефицита для равных λ, то точки дефицитов по спектру расположатся по наклонной прямой. Так как по абсциссам откладываются не просто λ, а величины обратные λ⁴, то около начала координат λ будут наибольшие и от него они будут очень быстро убывать, постепенно с удалением от начала уменьшая свое убывание. На таком чертеже спектр должен получиться сильно скученным в инфракрасных и красных лучах и растянутым в фиолетовых и ультрафиолетовых. Наклон прямых должен зависеть от интенсивности рэлеевского рассеяния. При одном и том же составе мутной среды, напр. воздуха, наклон будет зависеть от толщи пронизанного лучами воздуха.

Чертеж 2. Анализ спектрального состава солнечных лучей в трех различных местностях.

После этих предварительных замечаний перейду к изложению того, что получилось из измерений американской Обсерватории. В чертеже 2 заключаются результаты измерений сразу для трех весьма различных по положению станций. Две из них высокогорные: на горе Витней (высота 4,420 метров над у. м.) и на горе Вильсон (1780 м.); третья расположена низко и притом в большом городе, именно в Вашингтоне.

Для различных λ по спектру пунктами разных знаков нанесены К (см. выше), как результат более или менее многочисленных измерений ¹¹). Для того, чтобы анализировать явление в отношении действия закона Рэлея, по абциссам отложены не просто λ, а 1/λ⁴. Как уже сказано выше, действие рэлеевского рассеяния прп отсутствии другого должно проявиться в том, что точки К расположатся по прямым более или менее наклонным в зависимости от толщи атмосферы над местом наблюдений.

Так получилось для горных станций. Нижние два ряда пунктов (обозначены кружочками и точками), относящиеся к горе Витней и горе Вильсон, настолько явно имеют тенденцию к расположению по прямым линиям, через весь спектр, что провести эти прямые по ним можно с полной уверенностью. Прямые на чертеже и проведены. За исключением только небольших полос спектра, точки хорошо ложатcя на прямые. Там же, где наблюдаются отклонения, они вполне объясняются приходящимися на эти места солнечного спектра сильными полосами избирательного поглощения, главным образом, благодаря присутствующим в атмосфере парам воды (см. отклонения на 0,55µ, 0,6µ и на самом левом краю). Причем, чем станция наблюдений выше, тем отклонения меньше. Это и понятно, ибо, как известно, количество паров в атмосфере с высотой уменьшается.

Расположение точек для горных станций по наклонным прямым линиям доказывает, что в чистой атмосфере солнечная энергия рассеивается исключительно по закону Рэлея. Совсем другое получается в спектре для местности, где в атмосфере заключается много пыли и конденсированных паров. На том же чертеже 2 имеются данные для места этого рода, Вашингтона. Точки измерений в Вашингтоне (обозначены на чертеже квадратиками) никак нельзя уложить в одну прямую. Ясно, что здесь явление сложнее, чем в случае с горными станциями.

Но вот оказывается, что это сложное явление можно расчленить и, таким образом, ближе подойти к объяснению того, что происходит в спектре при наблюдениях в низкой местности. Как это видно на чертеже 2 ряд точек для Вашингтона можно разбить на две части и для каждой в отдельности части точки расположатся опять по прямым. Таким образом, для Вашингтона получаются две прямые, одна в области инфракрасных и красных лучей до λ = 0,66µ (в левой стороне чертежа), другая в остальной части спектра, от красных лучей через весь видимый спектр к ультрафиолетовым. То, что пять квадратиков между 0,5µ и 0,65µ и на 2,0µ выступают из общего ряда, объясняется тем же избирательным поглощением водяными парами, о которых уже говорилось выше.

Чтобы легче понять изменения в спектре под влиянием посторонних частичек в атмосфере, следует обратиться к чертежу 3. Смысл изображенного на нем совершенно тот же, что и чертежа 2. Но чертеж 3 относится к результатам измерений только в одном месте. Это та же гора Вильсон, для которой имеется один из рядов точек и на чертеже 2. На чертеже 3 этот ряд и отвечающая ему прямая повторены в нижних ряде и прямой. Они представляют явление в спектре при нормальных условиях свободной от посторонних примесей воздушной атмосферы над названной горой.

Чертеж 3. Анализ спектрального состава солнечных лучей при вулканической пыли.

(увеличенное изображение)

Бывают продолжительные периоды времени, тянущиеся месяцами и даже годами, когда, покрывая почти целые полушария, на больших высотах в атмосфере держится вулканическая пыль ¹²). Напр., такой период большого помутнения атмосферы наступил в конце июня 1912 г. Что же произошло при этом в спектре солнечных лучей? Не получилось ли чего нибудь подобного тому, что мы только что видели на чертеже 2 для Вашингтона при обычных там условиях прозрачности. Ведь, несомненно, явление, выраженное двойной ломанной, связано с присутствием в воздухе Вашингтона пыли. Вулканическая пыль есть подобная же пыль. Между тем, дело упрощается для вулканической пыли тем, что можно сравнить спектр в присутствии и отсутствии пыли для одного и того же места.

Я уже сказал, что помутнение в 1912 г. наступило в конце июня. Для июля и августа этого года отдельно на чертеже 3 нанесены точки измерений К, которые довольно хорошо укладываются опять таки по двойной ломанной. В августе аномалия немного сильнее, чем в июле; с особенной резкостью явление выступает в отобранные самые мутные дни июля и августа. Итак, при вулканической пыли получается подобное тому, что и для Вашингтона в нормальное время. И даже излом приходится приблизительно на то же место спектра ¹³). Совершенно ясно, что явления в этих двух разных случаях однородны. Но в чертеже 3 гораздо легче разобраться. На нем действия пыли и чистого воздуха на солнечную энергию можно довольно просто отделить одно от другого. Если за К₁ принять ординаты точек нижней прямой, а за К₂, К₃ и К₄ ординаты точек верхних ломанных линий, то действие пыли в этих трех случаях выражается просто через разности К₂—К₁, К₃—К₁ и К₄—К₁. Бросается в глаза, что прямые правой части спектра до изломов параллельны между собой. Иначе говоря, все они имеют наклон, одинаковый с наклоном прямой, относящейся к нормальному времени; предыдущие разности в этой части спектра суть величины постоянные, т. е. от λ⁴ не зависящие, а, следовательно, и вообще не зависящие от λ. Значит в этой части спектра пыль вызывает физические процессы, результат действия которых по спектру однороден. Таким образом, здесь имеет место простое рассеяние.

А что происходит в левой части спектра (слева от изломов)? Параллельности там не замечается; наоборот, чем более помутнение, тем сильнее в этой части наклон прямых. Следовательно, в инфракрасных и красных лучах пыль возбуждает рэлеевское рассеяние.

Получается очень интересный вывод, что рэлеевский процесс вызывается и пылью, но только в больших λ. В меньших же вместо него происходит простое рассеяние. Одна и та же пыль рассеивает одну часть лучистой энергии по закону Рэлея, другую по преимуществу простым отражением.

Итак, за исключением самой крайней (красной) полосы видимого спектра все лучи солнца пылью рассеиваются одинаково. В самые мутные дни июля и августа 1912 г. даже все лучи видимого спектра рассеивались одинаково. Таким образом, в общем и целом преобладания для более коротких воли в видимой части спектора при рассеянии пылью нет. Пропорция цветов с прямым солнечным светом одна и та же. Запыленные слои атмосферы посылают на землю белый свет. Благодаря сильному рассеянию пылью небо становится значительно светлее, в то же время оно в значительной мере теряет свой голубой цвет и становится белее. Причина первого лежит в интенсивности рассеяния, а второго в качестве его.

Чтобы лучше оценить значение найденного, можно попробовать представить себе, что было бы, если бы рэлеевское рассеяние пылью происходило по всему спектру, т. е., если бы предел его лежал не в красной или инфракрасной части, а в ультрафиолетовой или его совсем не было. Для этого только нужно прямые левой части продолжить вверх, что и сделано на чертеже 3 в виде прерывчатых прямых. В этом случае из прямых лучей солнца при вулканической пыли в 1912 г. фиолетовые, синие и голубые были бы почти совсем исключены. Солнце вследствие этого стало бы оранжевым и потускнело бы, а небо благодаря необычайной интенсивности рассеяния голубых и синих лучей сделалось бы ярко синим. Картина была бы эффектной, но такой еще не наблюдалось. Сказанное, хотя и в меньшей мере, может относиться не только к периоду с вулканической пылью, но было бы и в нормальное время в местностях, подобных Вашингтону, с постоянно запыленной атмосферой в нижних слоях; тоже и в странах с влажным климатом, где роль пыли исполняют капельки воды и кристалики льда. Ничего подобного в действительности нет. Наоборот, северные страны отличаются белесоватым небом, а в тех тропических и субтропических, где пыль держится в большом количестве в воздухе, цвет неба с сильно беловатым и даже серым оттенком. И нет этого потому, что рэлеевское рассеяние пылью и другими частицами в воздухе имеет предел в красных лучах, выражаемый с такой резкостью на чертеже 2 в изломе.

Предел этот не связан с определенной λ. В самом деле в разных имеющихся на чертежах случаях положение его в спектре колеблется от λ = 0,6µ до λ = 0,8µ. Оно определяется соотношением λ с величиной рассеивающих частичек. Если частички становятся больше, то предел рэлеевского рассеяния сокращается по спектру и точки излома перемещаются налево. Это видно на чертеже 3. В августе 1912 г. мутность атмосферы была больше и частички вулканической пыли в этом месяце были, почти несомненно, крупнее, чем в июле; соответственно и излом переместился от 0,7µ в июле на 0,75µ в августе. Еще более это относится к самым мутным дням этих месяцев, излом для которых приходится уже на 0,8µ.

Итак при рассеянии лучистой энергии в мутной среде, подобной атмосфере нет, существенного различия между молёкулами и бо́льшими тельцами. Входя в состав какой либо мутной среды, и те и другие способны вызвать рэлеевское рассеяние. Условие только одно, чтобы размеры частиц не превосходили некоторой определенной для данной λ величины ¹⁴). Это же было показано опытами в лаборатории с жидкостями и парами еще Тиндалем, а за ним и другими. У Тиндаля получалось, что при некотором размере плавающих частиц красный цвет дает рэлеевское рассеяние, а голубой обыкновенное. Рэлей с помощью своих опытов, а Ми на основании опытов Штейбинга пытались определить и относительные величины предельных размеров телец. У них получались эти величины около ½ и ⅕ относительно λ.

Для вулканической пыли в атмосфере, размер наибольших зерен которой порядка 1µ, предел находится, как это видно было на чертеже 3, около 0,6µ. Постепенно с уменьшением размера частицы предел распространения рэлеевского рассеяния по спектру расширяется. Продолжив в сторону уменьшения до молекулы, как минимальной частицы, можно думать, что придем к пределу рэлеевского рассеяния молекулами. В таком случае, этот предел, лежит где нибудь в ультра-фиолетовой части спектра. Продолжив же в обратную сторону увеличения частиц, напр. до величины капелек воды в облаках, порядок размера которых 0,1 миллиметра нужно ожидать найти предел где либо в инфракрасных лучах. Если в чистом воздухе, как в мутной среде с минимальными частицами-молекулами, по всему видимому спектру происходит рэлеевское рассеяние, то в облаках, как мутной среде с частицами очень большими, происходит рассеяние простое т. е., по преимуществу, отражение ¹⁵). Среднее положение занимает пыль в атмосфере, которая в лучах более длинных волн видимого спектра вызывает рэлеевское рассеяние, а в коротких простое.

Наша атмосфера, в невысоких местностях проявляет себя, как мутная среда сложного характера. В воздухе ее присутствуют в большем или меньшем количестве капельки, кристаллики и пылинки. Поэтому, из атмосферы мы получаем рассеянный свет двумя, охарактеризованными выше, столь различными способами. Ясное небо имеет обыкновенно беловато-голубоватую окраску, за исключением местностей особенно сухих и притом с воздухом, свободным от пыли. Когда небо покрывают облака, то белый свет от них совершенно затушевывает голубой цвет от воздуха.

Теперь остановлюсь еще на одном важном обстоятельстве, относящемся к рассеянию в атмосфере.

Обращу внимание на то, как относительно слабо рассеивает энергию воздух. Ведь число капелек в облаке или пылинок, какого угодно происхождения, конечно, несоизмеримо меньше числа молекул воздуха всей толщи атмосферы. Между тем, как видно это из таблицы, помещенной в начале настоящей статьи, при безоблачном небе земля получает на 1 кв. сантиметр в минуту только 0,07 калорий, а при небе покрытом легкими облаками 0,43. Таким образом, небольшого количества пыли в атмосфере достоточно, чтобы голубая окраска неба, произведенная всей массой воздуха, побледнела, а неплотный слой облаков делает уже совершенно незаметным голубой цвет и небо становится ярко белым. То же самое обнаруживает и чертеж 3. Из него видно, какое сильное действие на лучистую энергию производит вулканическая пыль. А действие это состоит, главным образом, в рассеянии. Гэмфри определяет число пылинок вулканической пыли в одном столбе атмосферы в 1 кв.сантиметр сечения в 3 × 10⁶ (3,000,000) ¹⁶). В таком случае отношение числа их к числу молекул воздуха в подобном же столбе — порядка 1 к 10¹⁸. Ясно, что нет никакого соответствия в рассеянии тех и других. Если молекулы принимать за частицы минимальных размеров, то можно предположить, что способность рассеяния крайне возрастает с величиной частицы. Опыты в лабораториях с жидкими мутными средами при различной величине плавающих в жидкости частиц дали подтверждение этому. Из опытов можно было вывести заключение, что эффект рассеяния с возрастанием величины частицы растет, далеко превышая пропорциональность, с их размерами, в частности с их объемами.

Из этого вытекает, что рассеяние практически при равном числе частиц разных размеров должно получаться только от частиц наибольших размеров. Лишь благодаря тому колоссальному числу молекул воздуха, которое заключает атмосфера, могут получаться заметные и измеряемые количества света от ясного чистого нёба. И то это количество сильно уступает свету, получаемому от облаков, и сравнивается с тем, который получается от пыли.

Не существуют ли известные приблизительные максимумы для размеров частиц, посторонних воздуху, в отдельных случаях содержания их в атмосфере? На это можно ответить, что приблизительный максимальный размер таких частиц наблюдается, хотя для разных случаев разный. В атмосфере всякая твердая или жидкая частица падает. Скорость падения при данной плотности воздуха обусловливается, во-первых, объемом ее, во-вторых, формой и в-третьих, удельным весом. Удельный вес таких частиц сравнительно немного разнится, форма имеет значение, но также уступает значению размера частиц, который может быть крайне различен. Начиная от размера порядка 0,1 миллиметра до самых ничтожных долей микрона и даже до размера молекулы возможны все величины. В спокойной атмосфере наибольшие частицы быстро оседают и остаются только частицы не свыше некоторого максимального размера, конечно, меняющегося с течением времени. Порядок величины максимальных частиц вулканической пыли, повидимому, 1 µ. Раэмер обыкновенной пыли нижних слоев атмосферы, действие которой и проявляется на приведенном выше примере для Вашингтона, не выяснен. В общем он, повидимому, не очень далек от 1 µ. Хотя, конечно, эта пыль весьма изменяет свои максимальные размеры в разное время. Гораздо больших размеров капельки и кристаллики, составляющие облака. Они поддерживаются в воздухе только восходящими движениями его, при которых они, по преимуществу, и образуются, конденсируясь из паров, растворенных в воздухе. Но и в них происходит отбор, наибольшие выпадают в виде дождя и снега.

Если размер частиц может быть ограничен со стороны больших величин благодаря действию силы тяжести, то со стороны малых он не должен быть ограничен. Несомненно, в воздухе должны быть не только частицы относительно больших размеров, но не в меньшем количестве частицы всяких малых величин. Если бы частицы всех размеров оказывали равное влияние, то мы имели бы, конечно, совсем другую окраску неба в случае пыли и даже облачных масс: синюю, голубую, а не белесовато-голубую и белую, что есть в действительности. На самом деле, масса частиц всех размеров свою роль в рассеянии теряет перед наибольшими. Интенсивность освещения и цвет неба определяются частицами наибольших величин, если, конечно, они присутствуют в достаточном количестве.

Заключение. Значительное рассеяние света в атмосфере производится, во первых всей толщей самого атмосферного воздуха, во вторых, частицами воды и пыли относительно больших размеров (от 0,1 мм. до 0,001 мм.).

Самый воздух вызывает по всему солнечному спектру, вплоть до ультрафиолетовых лучей, рэлеевское рассеяние.

Посторонние частицы возбуждают рэлеевское рассеяние в больших волнах и простое (главным образом отражение) в малых, причем граница того и другого по спектру определяется размерами этих частиц. Она находится для частиц в 0,1 мм. (облака) в инфракрасных лучах, а для частиц в 0,001 мм. (пыль) в оранжевых или желтых.

В областях земного шара с немалой облачностью или богатых пылью главная часть рассеянного света получается благодаря простому рассеянию. На значительно меньшем пространстве земли, где небо, по преимуществу, безоблачной чисто, первостепенную роль в рассеянии света приобретает рэлеевский процесс.

Много рассеянной солнечной энергии, не менее половины, не доходит до поверхности земли; в большей своей части она уходит в мировое пространство, в меньшей поглощается атмосферой. Особенно много ее теряется при большом количестве крупных частиц, что бывает при густых облаках.