Розсіювання Релея (молекулярне розсіювання)

Розсіювання Релея має місце, коли діаметри молекул і найдрібніших частинок, що взаємодіють з ЕМВ атмосфері, значно менші довжини хвилі ЕМВ (r << λ). Прикладами таких об’єктів можуть слугувати частки пилу, молекули азоту (N₂), і кисню (О₂). Релей встановив, що під час розсіяння світла в каламутному середовищі на частинках, менших за розміром, ніж 0,2λ, а також при молекулярному розсіюванні інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна четвертому степеню довжини хвилі (закон Релея):

,

де – інтенсивність розсіяного ЕМВ;

С – коефіцієнт, який залежить від фізичної природи газу та його концентрації в одиниці об’єму повітря;

І – інтенсивність прямої сонячної радіації;

λ – довжина хвилі сонячного випромінювання.

Якщо розміри неоднорідності значно перевищують довжину хвилі ЕМВ, то

.

У результаті розсіяння світла по всіх напрямках (рис. 3.11) інтенсивність світла в напрямку поширення зменшується швидше, ніж у випадку одного лише поглинання.

Рис. 3.11. Розсіювання Релея

Зменшення інтенсивності в цьому випадку описується такими формулами:

,

де æ – коефіцієнт ослаблення;

;

k – коефіцієнт розсіяння,

æ – коефіцієнт поглинання, поділений на одиницю довжини шляху в речовині.

Інтенсивність розсіяного світла в різних напрямах (у наближенні Релея) можна визначити за формулою:

Світло, розсіяне під кутом α=π/2 до напрямку випромінювання, що падає на речовину, виявляється поляризованим, а за інтенсивністю – вдвічі меншим від розсіяного під кутами α=0 і α=π. Методи вимірювання параметрів (інтенсивності, ступеня поляризації) розсіяного світла з метою отримання інформації про концентрацію, розміри часинок і макромолекул у розчинах і характер міжмолекулярної взаємодії називаються нефелометрією, а самі пристрої – нефелометрами.

При відсутності розсіювання днем небо було б чорним, оскільки потужна товща земної атмосфери прозора і безбарвна. Але чому ж в ясний день небо блакитного кольору?

Звичайне для нас небо (атмосфера) складається з молекул суміші газів, з твердих мікрочастинок пилу, диму, дрібних крапель води і кристалів льоду, частинок солі тощо.

При зіткненні з молекулами газу кожен з кольорів видимого діапазону випромінювання розсіюється. При цьому ЕМХ з більш довгими довжинами хвиль (червоні, жовті, помаранчеві) розсіюються менше, на відміну від хвиль з короткими довжинами (синя зона видимого спектру). Через це вдень, коли сонячні промені проходять через атмосферу найкоротшим шляхом, після повного розсіювання, в повітрі залишається у вісім разів більше кольорів синього діапазону спектру, чим червоного.

Незважаючи на те, що найкоротшою хвилею зорового діапазону є фіолетова, небо здається блакитним, через змішування фіолетових і зелених ЕМХ. Крім того, людські очі краще сприймають блакитний колір, при однаковій яскравості обох кольорів. Саме ці чинники і визначають колірну гаму неба: атмосфера начебто наповнена променями блакитно-синього кольору, оскільки короткохвильове блакитне випромінювання розсіюється значно сильніше, чим випромінювання в діапазоні більш довгих хвиль (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Колірна гама неба в ясний день

Білі хмари на блакитному небі утворюються через те, що вологе повітря, що містить невидиму пару, нагріваючись у поверхні Землі піднімається і розширюється в силу того, що у верхніх шарах тиск повітря менше. Розширюючись, повітря охолоджується. При досягненні певної температури, водяна пара конденсується навколо атмосферного пилу та інших зважених частинок, і як наслідок, утворюються крихітні краплі води, злиття яких формує хмару.

Незважаючи на свій порівняно малий розмір, частинки води набагато перевершують розміри молекул газу. І якщо зустрічаючи молекули повітря, сонячні промені розсіюються, то при зустрічі з крапельками води ЕМХ відбиваються від них. При цьому ЕМХ видимого діапазону (біле світло) свого кольору не змінюють і одночасно ”фарбують” в білий колір молекули хмар.

Під час заходу Сонце наближається до горизонту і сонячний промінь спрямовується до поверхні Землі не вертикально, як днем, а під кутом (рис. 3.13. Тому шлях, яке проходить ЕМВ через атмосферу Землі набагато перевершує той, який він проходить днем, коли Сонце стоїть високо. Через це блакитно-сині хвилі поглинаються в товстому шарі атмосфери, не доходячи до Землі.

А більш довгі ЕМХ червоно-жовтого кольору доходять до поверхні Землі, офарбовуючи небо і хмари в характерні для заходу Сонця червоні і жовті кольори (рис. 3.14).

Рис. 3.13. Спрямовування ЕМВ під час заходу Сонця	Рис. 3.14. Колір неба під час заходу Сонця

Примітка. Саме це і є причиною того, що для забезпечення видимості будь-якого об’єкта з великої відстані, ліхтарям, що встановлюються на них надають червоний колір.

Молекулярне розсіювання переважає у верхніх шарах тропосфері і в стратосфері