4. Голубой цвет дневного неба.

Основную роль играет зависимость интенсивности рассеяния света то его частоты. Но какова природа тех центров, на которых рассеиваются световые волны, проходя через атмосферу? Первоначально думали, что роль таких центров играют мельчайшие пылинки и капельки воды, находящиеся в воздухе. Однако такое предположение не объясняло чудесного голубого цвета неба в высокогорных районах. Где воздух очень чистый и сухой.

В 1899 году Рэлей выдвинул гипотезу, по которой центрами, рассеивающими свет, являются сами молекулы воздуха.

Позже, уже в первой половине 20 столетия, благодаря работам М. Смолуховского, А. Эйнштейна и Л. И. Мандельштама, было установлено, что в действительности важно рассеяние света не на самих молекулах воздуха, а на нескольких объектах, возникающих вследствие хаотичного теплового движения молекул, - на флуктуациях плотности воздуха, т. е. случайно возникающих микроскопических сгущениях и разрежениях воздуха.

Остановимся на этом подробно. Медленно разобьем воздушное пространство на одинаковые ячейки. Они должны быть достаточно мелкими, т. е. линейные размеры ячейки должны быть много меньше длины волны света (хотя и существенно больше размеров самих молекул) . Выберем произвольно момент времени и мысленно сфотографируем картину распределения молекул воздуха в пространстве. Она показана на рисунке 6. Видно, что некоторые ячейки оказываются почти пустыми, а некоторые относительно плотно заселены молекулами. Это есть следствие хаотического теплового движения молекул воздуха. В результате плотность атмосферы будет случайным образом изменяться (флуктуировать) от одной ячейки к другой. Ясно, что в иной момент времени уже иные ячейки окажутся более (менее) плотно заселенными, но по-прежнему плотность воздуха будет случайно изменяться от одной точки пространства к другой.

Можно пояснить понятие флуктуаций и другим образом. Сосредоточим внимание не на каком-либо определенном моменте времени, а на некоторой произвольно выбранной ячейке пространства. С течением времени число молекул в данной ячейке будет флуктуировать примерно так, как это показано на рисунке 6, где рассмотрены несколько разных моментов времени. Иначе говоря, будет случайно изменяться плотность воздуха в данной точке пространства с течением времени.

Таким образом, картина флуктуаций плотности воздуха определяется случайными изменениями числа молекул как от одной ячейки пространства, так и в любой ячейке от одного момента времени к другому. Вот эти локальные неоднородности плотности воздуха и являются теми рассеивающими центрами, которые обусловливают голубой цвет неба и красный цвет заходящего солнца. Конечно, наличие в воздухе мелкой пыли и водяных капелек, приводя к дополнительному рассеянию света, в какой-то степени влияет на цвет неба и заката. Однако первопричина заключается в рассеянии света на флуктуациях плотности воздуха. Существенно, что характер этих флуктуаций в значительной мере зависит от состояния атмосферы: температуры различных слоев воздуха, характера и силы ветра. Именно по этому в ясную тихую погоду закат золотистый, а в ветреную – багровый.