GSA. Цвета
Красный цвет заходящего солнца и голубой цвет дневного неба
Почему небо имеет голубой цвет? Почему заходящее солнце становится красным? Оказывается, в обоих случаях причина одна - рассеяние солнечного света в земной атмосфере.
Это было понято не сразу. Для объяснения голубизны небосвода выдвигались в свое время различные гипотезы. Пытались объяснить голубой цвет неба как результат смешивания в определенных пропорциях «света и тьмы». Предполагали, что частицы воздуха окрашены в голубой цвет. Допускали, что голубое свечение неба есть свечение люминесценции частиц воздуха, возникающее при облучении этих частиц солнечным светом. Сегодня все эти объяснения рассматриваются как несостоятельные. Их несостоятельность была доказана уже более ста лет тому назад, в 1869 г., когда Дж. Тиндаль выполнил свой знаменитый опыт. Этот опыт совсем нетрудно воспроизвести в школьном кабинете физики. Возьмем аквариум прямоугольной формы, наполним его водой и направим на стенку аквариума слабо расходящийся узкий пучок света от диапроектора. Чтобы пучок был достаточно узким, вставим в диапроектор на место слайда кусочек плотной черной бумаги с круглым отверстием в центре диаметром 2 - 3 мм. Опыт должен проводиться в затемненном помещении. Для усиления рассеяния светового пучка при его прохождении через аквариум добавим в воду немного молока и тщательно размешаем жидкость. Содержащиеся в молоке частички жира не растворяются в воде; они находятся во взвешенном состоянии и способствуют рассеянию света. Можно наблюдать голубоватый оттенок у рассеянного света. Свет же, прошедший сквозь аквариум, приобретает красноватый оттенок. Итак, если смотреть на световой пучок в аквариуме сбоку, он представляется голубоватым, а с выходного торца - красноватым. Это можно объяснить, если предположить, что синий свет рассеивается сильнее, чем красный; при прохождении белого светового пучка через рассеивающую среду из него рассеивается в основном «синий компонент», поэтому в выходящем из среды пучке начинает преобладать «красный компонент».
В 1871г. Дж.Стретт (Рэлей) именно так и объяснил результаты опытов Тиндаля. Он построил теорию рассеяния световых волн на частицах, размеры которых много меньше длины световой волны. Установленный Рэлеем закон утверждает: интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты света или, иначе говоря, обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны.
Если применить закон Рэлея к рассеянию солнечного света в земной атмосфере, то нетрудно объяснить и голубой цвет дневного неба, и красный цвет солнца при восходе и закате. Поскольку интенсивнее рассеиваются световые волны с более высокими частотами, то, следовательно, спектр рассеянного света будет сдвинут в сторону более высоких частот, а спектр света, остающегося в пучке (после того как испытавший рассеяние свет покинул пучок), будет сдвинут, естественно, в обратную сторону - к более низким частотам. В первом случае белый цвет становится голубым, а во втором - красноватым. Глядя на дневное небо, наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере. Согласно закону Рэлея, спектр этого света сдвинут в сторону более высоких частот, отсюда голубой цвет неба. Глядя на солнце, наблюдатель воспринимает свет, прошедший через атмосферу без рассеяния: спектр этого света сдвинут к низким частотам. Чем ближе солнце к линии горизонта, тем более длинный путь проходят в атмосфере световые лучи, прежде чем попадут к наблюдателю, тем в большей мере сдвигается их спектр. В результате заходящее (восходящее) солнце мы видим в красных тонах. Вполне понятно также, почему нижняя часть заходящего солнечного диска выглядит более красной, нежели его верхняя часть.
Потому что цвет неба - это голубые брызги разноцветного солнечного луча.
Почему снег белый?
В городе снега почти не видно. Не успеет он покрыть тротуары и мостовую, как тут же появляются дворники со скребками и метлами, снегоуборочные машины со своими металлическими лапами. Машины ловко собирают снег, отправляют его на грузовик, глядишь - а снега уже нет, он вывезен куда-то, подальше от больших людных улиц. Если и залежится где-нибудь снежок, то очень скоро он потеряет свою безупречную белизну, почернеет от копоти и дыма.
То ли дело за городом, в лесу! Особенно после обильного снегопада. Да еще в ясный морозный денек!.. Идешь по тропинке, а еще лучше на лыжах среди деревьев. В лесу тихо. Только слышно, как скрипит снег под ногами - это ломаются хрупкие кристаллики-снежинки, да черный дятел в красной шапочке долбит ствол своим крепким клювом, добывает себе еду на обед. А вокруг лежит чистый снег, и ослепительная белизна его даже глаза режет.
Помню, как-то мне привелось ехать на санках по зимней дороге. Вокруг расстилались белые поля, вдоль дороги стояли запорошенные снегом кустарники и деревья. Белым-бело… Казалось, на свете нет другого цвета, кроме белого. И эту белизну я особенно почувствовала, когда вдруг впереди, справа от дороги, мелькнуло нечто ярко-красное. Словно на снег бросили громадный драгоценный камень - рубин; мне даже казалось, что это красное пятно сверкает! А была то просто нарядная птица наших зимних лесов - снегирь. Он прыгал, скакал, перепархивал с ветки на ветку; с веток, сверкая на солнце, осыпалась снежная пыль, и снегирь со своей красной грудкой тоже блестел, а снег вокруг был белый-белый, чистый, пушистый.
Снежная белизна... Белее ничего нет на свете. Недаром, когда хотят подчеркнуть безупречную чистоту белого цвета, его всегда сравнивают со снегом: белоснежный лебедь, белоснежные лепестки лилии, белоснежное платье...
В чем же секрет белизны снега?
Пожалуй, «виноват» тот же разноцветный солнечный луч.
Какого цвета лед? Никакого. Он бесцветный.
Почему?
Потому что он пропускает через себя весь солнечный луч, целиком, и остается бесцветным. Таков закон природы. Если бы лед не пропускал, а поглощал луч солнца целиком, все его цвета, мы видели бы его черным. Но лед не задерживает, не поглощает и лишь частично отражает солнечные лучи. Потому-то он бесцветный и блестящий.
Каждая снежинка, каждая красивая звездочка в отдельности свободно пропускала бы через себя весь солнечный луч, как лед, и тоже была бы бесцветна. Но снежинки в беспорядке падают друг на друга, лежат рыхлой массой; все вместе они становятся непрозрачными и потому не могут пропустить через себя весь луч солнца. Они его целиком отражают нам в глаза. А ведь луч солнца, солнечный зайчик, - белый. И снег потому мы видим белым.
Но утром, в часы восхода, лучи солнца кажутся нам золотисто-розовыми и освещенный ими снег тоже становится золотисто-розовым. Он может быть и зеленым, и красным, если его освещают праздничные новогодние огоньки на елках, устроенных под открытым небом, в парке. Любой цвет, падающий на снег, целиком отражается беспорядочно лежащими снежинками.
Но на снег обычно падает солнечный свет. И снег потому ослепительно белый, что он отражает солнечный луч.
Почему трава зеленая?
Океан растений окружает нас, и все они зелены. Зелена трава, зелены листья деревьев и цветов. Даже слова «растения» и «зелень» в сущности обозначают одно и то же. «Здесь очень зелено», - говорят люди, когда видят много деревьев, кустарников, зеленой травы.
А почему растения зелены?
Знаменитый русский баснописец Крылов написал нравоучительную басню о корнях и листьях; он сравнивал листья с бездельниками, у которых только и есть за душой что красивый наряд. А вот корни - это скромные труженики. Во времена Крылова так и считалось, что главное в растении - это корни, они кормильцы. А листья? Какой в них прок! Разве что они красивы, но ведь это бесполезный наряд, не больше!
И вдруг все перевернулось! Оказалось, что в зеленом листе, как говорил замечательный русский ученый Климентий Аркадьевич Тимирязев, самая сущность растительной жизни, что растение - это прежде всего лист. Не было бы на земле зеленых листьев - не было бы жизни. Почему?
Вот это мы сейчас и должны понять. И то, что мы узнаем, имеет прямое отношение к солнечному лучу и к окраске листьев и травы.
Мы дышим. Воздух - это смесь разных газов. Для нас, людей, и для животных необходим кислород.
Без кислорода мы не прожили бы и трех минут, задохнулись бы.
Мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ. Чем меньше в воздухе кислорода и чем больше углекислого газа, тем труднее дышать.
Горят дрова в топках; для того чтобы они горели, тоже нужен кислород.
Расход кислорода огромный: сколько людей на земном шаре, сколько животных требуют его каждую секунду. Тут никаких запасов не хватит!
А между тем состав воздуха не меняется, в нем остается достаточно кислорода для дыхания и всегда лишь сотые доли углекислого газа.
Но кто же пополняет воздух кислородом, кто очищает его от излишнего углекислого газа?
Зеленый лист! Он вбирает в свои клетки углекислый газ, а выделяет в воздух кислород.
Это ему нужно. А для чего?
Солнце - главный источник жизни. Луч солнца падает на лист. В клетках листа есть зеленое вещество, которое называется хлорофилл. И в зеленой части растения - в листе, в траве с помощью хлорофилла вырабатываются важнейшие питательные вещества, без которых не может обойтись ничто живое: ни человек, ни животное, ни само растение. Эти питательные вещества - крахмал, сахар, белок. Из них, главным образом, построено наше тело, тело животного и самих растений.
А вырабатывает их зеленый лист из углекислого газа, который берет из воздуха, и воды, которая всегда есть в клетках.
В зеленом листе, в его клетках, с хлорофиллом работает удивительная фабрика. Она бывает, что называется, «на ходу» только тогда, когда на нее падает свет. Упал на лист свет - и началась великая работа жизни. Нет света - и замирает фабрика зеленого листа.
Нигде больше во всем мире со всем его многообразием, нигде - только здесь, в зеленом листе, в зеленой части растения, вырабатываются важнейшие питательные вещества. Исчезни вдруг зеленый лист - и все на нашей планете Земля вымрет.
Мы, люди, получаем белок, крахмал, сахар и от самих растений, и от животных, которых мы едим и которые, в свою очередь, питаются растениями.
Корова летом щиплет траву, зимой жует сено. Мы пьем молоко коровы, едим творог, сметану, масло. Молоко потому главная пища малышей, что в нем есть все те вещества, которые необходимы для их здоровья, для их развития, роста.
Мы едим коровье мясо, а в нем тоже есть главные питательные вещества. Куры клюют зерно, а зерно - тоже растение, и мясо курицы построено из важнейших питательных веществ, и куриные яйца.
И главный наш кормилец - зеленый лист.
А почему же все-таки лист зелен, почему трава зеленая?
Благодаря хлорофиллу.
Все превращения происходят в зернах хлорофилла. А хлорофилл поглощает все цвета солнечного спектра, кроме зеленого, зеленый луч он отражает - и мы видим лист зеленым.
Вот почему трава зеленая. Вот почему лист зелен. Вот почему сама сущность растения - это лист. Зеленый лист, о котором долго и очень несправедливо думали, будто он лишь красивый, но бесполезный убор растения.
А оказалось, без этого «красивого убора» не было бы жизни на Земле!
Почему желтеют листья?
Итак, лист зелен потому, что зелен хлорофилл. Он придает листу такую окраску.
Ну, а почему осенью листья становятся желтыми, красными, фиолетовыми?
Хлорофилл легко разрушается. Но летом он быстро, легко восстанавливается, и листья остаются свежими, зелеными. Окраска листа не меняется, образование хлорофилла не отстает от его разрушения.
Но вот дни убывают. Света становится все меньше и меньше. Между тем зерна хлорофилла продолжают все так же быстро, как и летом, разрушаться, а новые образуются медленнее, их становится меньше, и лист бледнеет.
Но в клетках листа есть и другие красящие вещества - желтые; только летом буйная зелень хлорофилла их заглушает, и теперь, когда хлорофилл постепенно разрушается, они выступают ярче. Листья желтеют.
Они не только желтеют. Они становятся иной раз багряными и фиолетовыми. В листе теперь появляется еще одно красящее вещество, оно и придает ему такую окраску. Это вещество осенью захватывает все больше места в листе, потому что для его образования нужно, чтобы стало похолоднее и чтобы замирала жизнь растения. Все это и происходит в природе осенью.
Вот почему листья меняют свою окраску.
