なぜ空は青いのでしょうか？図面、説明

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晴れた日には、私たちの上の空は真っ青に見えます。夕方には、夕日が空を赤、ピンク、オレンジに染めます。なぜ空は青いのでしょうか？夕日はなぜ赤くなるのでしょうか？

これらの質問に答えるには、光とは何か、地球の大気は何で構成されているかを知る必要があります。

雰囲気

大気は、地球を取り囲むガスと他の粒子の混合物です。基本的に、大気は窒素ガス (78%) と酸素 (21%) で構成されています。次に大気中に豊富に存在するのはアルゴンガスと水 (蒸気、水滴、氷晶の形) で、その濃度はそれぞれ 0,93% と 0,001% を超えません。地球の大気には、海洋から大気中に入る塵、すす、灰、花粉、塩などの最小の粒子だけでなく、少量の他のガスも含まれています。

大気の組成は、場所や天候などによってわずかに変化します。大気中の水の濃度は、海の近くだけでなく、激しい嵐の際にも増加します。火山は大量の灰を大気中に放出することができます。技術汚染により、通常の大気組成にさまざまなガスや粉塵、すすが加えられる可能性があります。

大気密度は地表近くの低高度で最も高く、高度が上がるにつれて徐々に減少します。大気と宇宙の間に明確な境界はありません。

光の波

光は波によって運ばれるエネルギーの一種です。光に加えて、波は他の種類のエネルギーを運びます。たとえば、音波は空気の振動です。光波は電場と磁場の振動であり、この範囲は電磁スペクトルと呼ばれます。

電磁波は空気のない空間を秒速 299,792 km の速度で伝播します。この波の伝播速度を光速といいます。

なぜ空は青いの？
光波パラメータ

放射線エネルギーは波長とその周波数に依存します。波長は、波の最も近い XNUMX つの山 (または谷) 間の距離です。波の周波数は、XNUMX 秒あたりの波の振動数です。波が長ければ長いほど、その周波数は低くなり、運ぶエネルギーは少なくなります。

可視光の色

可視光は、私たちの目で見ることができる電磁スペクトルの一部です。太陽や白熱灯が発する光は白く見えますが、実際には異なる色の混合物です。プリズムを使用して光の可視スペクトルをその成分に分解すると、その可視スペクトルのさまざまな色を見ることができます。このスペクトルは、水滴における太陽の光の屈折によって発生し、XNUMX つの巨大なプリズムとして機能する虹の形で空でも観察できます。

なぜ空は青いの？
ボウ

スペクトルの色は混合され、継続的に一方から他方へと移動します。スペクトルの一端は赤またはオレンジです。これらの色は、黄色、緑、青、藍、紫に変化します。色にはさまざまな波長、さまざまな周波数、さまざまなエネルギーがあります。

空気中の光の伝播

光は、その経路に障害物がない限り、空間を直線的に進みます。光波が大気圏に入射すると、塵やガス分子が邪魔をするまで光は直進し続けます。この場合、光に何が起こるかは、その波長とその経路にある粒子のサイズによって決まります。

塵の粒子や水滴は可視光の波長よりもはるかに大きいです。光はこれらの大きな粒子に衝突すると、さまざまな方向に反射されます。さまざまな色の可視光がこれらの粒子によって同様に反射されます。反射光は、反射する前と同じ色を保持しているため、白く見えます。

気体分子は可視光の波長よりも小さいです。光波が衝突した場合、衝突の結果は異なる可能性があります。光が気体の分子に衝突すると、その一部が吸収されます。少し後、分子はさまざまな方向に光を放射し始めます。放出された光の色は吸収された色と同じです。しかし、異なる波長の色は、異なる方法で吸収されます。すべての色は吸収されますが、高周波 (青) は低周波 (赤) よりもはるかに吸収されます。このプロセスはレイリー散乱と呼ばれ、1870 年代にこの散乱現象を発見した英国の物理学者ジョンレイリーにちなんで名付けられました。

空はどうして青いの？

空が青いのはレイリー散乱のせいです。光が大気中を伝わるとき、光スペクトルの長波長のほとんどは変化せずに通過します。赤、オレンジ、黄色の色のほんの一部だけが空気と相互作用します。

ただし、より短い波長の光の多くは気体分子によって吸収されます。吸収後、青色が全方向に放出されます。それは空のあちこちに散らばっています。どちらの方向から見ても、この散乱された青色光の一部は観察者に届きます。青い光は頭上のどこでも見えるので、空は青く見えます。

なぜ空は青いの？
青空の散乱光

地平線に目を向けると、空の色が薄くなります。これは、光が大気中を観測者までより長い距離を移動するという事実の結果です。散乱光は大気によって再び散乱され、観察者の目に届く青色は少なくなります。そのため、地平線近くの空の色は薄く見えたり、真っ白に見えたりすることがあります。

なぜ空は青いの？
地平線の空はもっと薄い

黒い空と白い太陽

地球から見ると太陽は黄色く見えます。もし私たちが宇宙や月にいたら、太陽は白く見えるでしょう。宇宙には太陽光を散乱させる大気は存在しません。地球上では、太陽光の短波長の一部 (青と紫) は散乱によって吸収されます。スペクトルの残りの部分は黄色に見えます。

また、宇宙では空は青ではなく暗く、または黒く見えます。これは大気が存在しないことによるものであり、光はいかなる形でも散乱しません。

なぜ空は青いの？
宇宙の黒い空

夕焼けが赤いのはなぜですか？

太陽が沈むにつれて、太陽光は観測者に到達するまでに大気中をより長い距離を移動する必要があるため、大気によってより多くの太陽光が反射および散乱されます。観察者に届く直接光が少なくなるため、太陽は明るく見えなくなります。太陽の色もオレンジから赤まで異なって見えます。これは、さらに多くの短波長の色、青や緑が散在しているためです。光スペクトルの長波長成分だけが残り、観察者の目に届きます。

なぜ空は青いの？
日没で太陽が赤く見える

夕日の周りの空をさまざまな色で描くことができます。空が最も美しいのは、空気中に小さな塵や水がたくさん含まれているときです。これらの粒子は光をあらゆる方向に反射します。この場合、より短い光波は散乱されます。観察者はより長い波長の光線を見るので、空は赤、ピンク、またはオレンジに見えます。

雰囲気の詳細

雰囲気とは？

大気はガスと他の物質の混合物であり、薄く、ほとんど透明な殻の形で地球を取り囲んでいます。大気は地球の重力によって所定の位置に保たれています。大気の主成分は、窒素 (78,09%)、酸素 (20,95%)、アルゴン (0,93%)、二酸化炭素 (0.03%) です。大気には、少量の水 (場所によって濃度は 0% から 4% の範囲)、固体粒子、ネオン、ヘリウム、メタン、水素、クリプトン、オゾン、キセノンなどのガスも含まれています。大気を研究する科学は気象学と呼ばれます。

地球上の生命は、私たちが呼吸するのに必要な酸素を供給する大気が存在しなければ不可能です。さらに、大気は地球全体の温度を均一にするという別の重要な機能を果たします。大気が存在しない場合、地球上の一部の場所では灼熱が起こり、他の場所では非常に寒くなり、温度範囲は夜間の-170℃から日中の+120℃に及ぶ可能性があります。また、大気は太陽や宇宙からの有害な放射線を吸収、散乱させて私たちを守ってくれます。

地球に到達する太陽エネルギーの総量のうち、約 30% は雲や地表によって反射されて宇宙に戻ります。大気は太陽の放射線の約 19% を吸収しますが、地表で吸収されるのは 51% だけです。

私たちは気づかず、空気柱の圧力を感じませんが、空気には重さがあります。海面では、この圧力は 760 気圧、または 1013 mmHg (101,3 ミリバールまたは 10 kPa) です。高度が上がると、気圧は急激に低下します。気圧は高度が 16 km 上がるごとに 1 分の 16 ずつ低下します。これは、海面で 0,1 気圧の場合、高度 32 km では気圧が 0,01 気圧、高度 XNUMX km では気圧が XNUMX 気圧になることを意味します。

最下層の大気の密度は 1,2 kg/m3 です。空気の各立方センチメートルには、約 2,7 * 1019 個の分子が含まれています。地上では、各分子は時速約 1600 km で移動し、5 秒間に XNUMX 億回の速度で他の分子と衝突します。

空気密度も高度とともに急速に低下します。高度 3 km では空気密度が 30% 減少します。海抜ゼロメートル付近に住んでいる人は、この高度まで上昇すると一時的に呼吸困難を経験します。人が定住できる最高高度は4kmです。

大気の構造

大気はさまざまな層で構成されており、これらの層への分割は、温度、分子組成、電気的特性に応じて行われます。これらの層には明確な境界がなく、季節ごとに変化し、さらに、そのパラメータは緯度によって変化します。

なぜ空は青いの？
大気層

分子組成に応じた層への大気の分離

ホモスフィア
対流圏、成層圏、メソポーズを含む下 100 km。
大気の質量の 99% を占めています。
分子は分子量で区切られていません。
いくつかの小さな局所的な異常を除いて、組成は非常に均一です。均質性は、一定の混合、乱流、乱流拡散によって維持されます。
水は不均一に分布する XNUMX つの成分のうちの XNUMX つです。水蒸気は上昇すると冷やされて凝縮し、雪や雨といった降水の形で地上に戻ります。成層圏自体は非常に乾燥しています。
オゾンも分布が不均一な分子です。 (成層圏のオゾン層については以下をお読みください。)

異種圏

熱圏と外気圏を含む、ホモスフィアの上に拡張します。
この層の分子の分離は、分子量に基づいて行われます。窒素や酸素などの重い分子は層の底に集中します。より軽いヘリウムと水素は、異星圏の上部を支配します。

電気的特性に応じた層への大気の分離

中立的な雰囲気

100km以下。

電離層

約100km以上。
紫外線の吸収によって生成される荷電粒子（イオン）が含まれています。
電離度は高度によって変化します。
異なる層が長い電波と短い電波を反射します。これにより、直線的に伝播する無線信号が地球の球面の周囲で曲がることが可能になります。
オーロラはこれらの大気層で発生します。

磁気圏 電離層の上部は約 70000 km まで広がり、この高さは太陽風の強さに依存します。磁気圏は、太陽風の高エネルギー荷電粒子を地球の磁場の中に保つことで、それらから私たちを守っています。

温度に応じた層への大気の分離

対流圏の上限の高さは季節や緯度によって異なります。地表から赤道では高さ約 16 km、北極と南極では高さ 9 km まで伸びています。

接頭辞「tropo」は変化を意味します。対流圏のパラメータの変化は、大気前線の動きなどの気象条件によって発生します。

標高が上がると気温が下がります。暖かい空気は上昇し、冷却されて地球に戻ります。このプロセスは対流と呼ばれ、空気塊の移動の結果として発生します。この層の風は主に垂直に吹きます。

この層には、他のすべての層を合わせたよりも多くの分子が含まれています。

成層圏 - 高さは約 11 km から 50 km です。

とても薄い空気の層があります。
接頭辞の「strato」は、レイヤーまたはレイヤリングを指します。
成層圏の下部は非常に穏やかです。ジェット機は対流圏の悪天候を回避するために成層圏下部を飛行することがよくあります。
成層圏の上層部では高層ジェット気流と呼ばれる強い風が吹いています。最大時速 480 km の速度で水平方向に吹きます。
成層圏には、高度約12～50km（緯度によって異なります）に位置する「オゾン層」があります。この層のオゾン濃度はわずか 8 ml/m3 ですが、太陽の有害な紫外線を非常に効果的に吸収し、地球上の生命を守ります。オゾン分子は XNUMX つの酸素原子から構成されています。私たちが呼吸する酸素分子には XNUMX つの酸素原子が含まれています。
成層圏は非常に寒く、その温度は底部で約-55℃で、高さとともに上昇します。温度の上昇は、酸素とオゾンによる紫外線の吸収によるものです。

中間圏 - 高度約 100 km まで伸びます。

高度が上がるにつれて、気温は急速に上昇します。
熱圏 - 高度約 400 km まで広がります。
高度が上がると、非常に短波長の紫外線が吸収されるため、気温が急激に上昇します。
流星、または「流れ星」は、地球の表面から約 110 ～ 130 km の高度で燃え始めます。

外圏 - 熱圏を超えて数百キロメートルにわたって広がり、徐々に宇宙空間に到達します。

ここの空気密度は非常に低いため、温度の概念を使用することはまったく意味を失います。
分子同士が衝突すると、しばしば宇宙に飛び出します。

光の実験

最初の実験 - 光のスペクトルへの分解

この実験には、次のものが必要です。

小さな鏡、白い紙または厚紙、水。
キュベットやボウルなどの大きな浅い容器、またはプラスチックのアイスクリームボックス。
日当たりの良い天気と日当たりの良い側に面した窓。

実験の実施方法:

キュベットまたはボウルに 2/3 の量の水を入れ、直射日光が水に当たるように床またはテーブルの上に置きます。実験を正しく行うためには、直射日光の存在が不可欠です。
鏡を水中に置き、太陽光が当たるようにします。鏡で反射した太陽の光が紙に当たるように、鏡の上に紙をかざし、必要に応じてそれらの相対位置を調整します。紙上の色のスペクトルを観察してください。

なぜ空は青いの？
光をスペクトルに分解してみる

何が起こっているのか: 水と鏡はプリズムのように機能し、光をその色のスペクトルに分割します。これは、ある媒体 (空気) から別の媒体 (水) に通過する光線が速度と方向を変えるために起こります。この現象を屈折といいます。色が異なれば屈折も異なり、紫色の光線はより強く減速され、より強く方向を変えます。赤い光線は速度が低下し、方向の変化の程度は小さくなります。光はその成分色に分割され、スペクトルを見ることができます。

ガラスの瓶に空をモデリングする

実験に必要な材料:

透明な背の高いガラスまたは透明なプラスチックまたはガラスの瓶;
水、牛乳、ティースプーン、懐中電灯。
暗い部屋;

実験の実施:

グラスまたは瓶の 2/3 まで、約 300 ～ 400 ml の水を入れます。
水に大さじ 0,5 から XNUMX 杯の牛乳を加え、混合物を振ります。
ガラスと懐中電灯を持って、暗い部屋に行きます。
水の入ったグラスの上に懐中電灯をかざし、光のビームを水面に向けて、グラスを横から見てください。この場合、水は青みがかった色になります。次に、懐中電灯をガラスの側面に向けて、ガラスの反対側からの光線を見て、光が水の中を通過するようにします。そうすると水が赤みを帯びます。懐中電灯をガラスの下に置き、上から水を眺めながら光線を上に向けます。この場合、水の近くの赤みがかった色合いがより飽和して見えます。

なぜ空は青いの？
水の入った瓶での太陽光の散乱のモデリング

この実験で何が起こるかというと、空気中の粒子や分子が太陽光を散乱するのと同じように、水に浮遊したミルクの小さな粒子が懐中電灯からの光を散乱させます。ガラスを上から照らすと、青が四方八方に散乱するため、水は青っぽく見えます。水を通して光を直接見ると、光の散乱により青い光線の一部が除去されているため、懐中電灯は赤く見えます。

混色

あなたが必要になります。

鉛筆、はさみ、白いボール紙または画用紙;
色鉛筆またはフェルトペン、定規。
マグカップや上部の直径が7〜10 cmの大きなカップ、またはノギス。
紙コップ。

実験の実施方法:

ノギスがない場合は、マグカップを型紙にして厚紙に円を描き、その円を切り抜きます。定規を使用して、円をほぼ等しい 7 つの扇形に分割します。
これら XNUMX つのセクターを主要なスペクトルの色 (赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫) で色付けします。ディスクをできるだけ正確かつ均一にペイントするようにしてください。
円盤の真ん中に穴を開けて、円盤を鉛筆の上に置きます。
紙コップの底に穴を開けます。穴の直径は鉛筆の直径よりわずかに大きくなければなりません。カップをひっくり返し、ディスクの付いた鉛筆を鉛筆の芯がテーブルの上に来るように挿入し、ディスクがカップの底に触れず、上に来るように鉛筆上のディスクの位置を調整します。高さ0,5..1,5cm。
鉛筆を素早く回転させ、回転する円盤を見て、その色に注目してください。必要に応じて、ディスクと鉛筆が回転しやすいように調整します。

なぜ空は青いの？
混色実験

見られる現象の説明: ディスク上のセクターをペイントする色は、白色光の色の主な構成要素です。ディスクが十分に速く回転すると、色が混ざり合ったように見え、ディスクは白く見えます。他の色の組み合わせも試してみてください。

出版物: the-mostly.ru

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