Коротко: небо краснеет на закате потому, что при низком солнечном угле свет проходит через больший путь в атмосфере, короткие волны (синий, фиолетовый) сильнее рассеиваются вне направления на наблюдателя, а в поле зрения остаётся преимущественно длинноволновая часть (красная/оранжевая). Дальше — подробнее по механизмам и по тому, как изменяется спектр при загрязнении и вулканических аэрозолях.
1) Базовый эффект — рассеяние Рэлея
- Интенсивность рассеяния молекулами воздуха примерно пропорциональна обратной четвёртой степени длины волны: $I_R(\lambda )\propto {\lambda }^{-4}$.
- При большом тангенциальном пути (закат) короткие длины волн почти полностью рассеиваются из прямого пучка, поэтому прямой свет обедняется по синим и остаётся «краснее».
- Угловая диаграмма для Рэлея: $P_R(\theta )\propto 1+{\cos }^2\theta$ (симметричное рассеяние, без сильного пикового переднего лепестка).
2) Роль рассеяния Ми (Mie) и аэрозолей
- Для частиц размера $r$ вводят параметр размера $x=\frac{2\pi r}{\lambda }$. При $x\gtrsim 1$ действует Mie-теория; зависимость от $\lambda$ в общем не такая крутая, как у Рэлея, и сильно зависит от распределения размеров и комплексного показателя преломления. Иногда аппроксимируют как ${\sigma }_M(\lambda )\propto {\lambda }^{-p}$ с $p$ в диапазоне $0$…$2$ в зависимости от режима.
- Mie-рассеяние даёт сильный передний лепесток (интенсивная направленная компонента), поэтому аэрозоли/капли могут перенаправлять солнечный свет прямо в глаз наблюдателя, увеличивая яркость «облака заката» рядом с диском Солнца.
- Мелкие аэрозоли (тонкодисперсный дым, сажа) дают более выраженную спектральную зависимость (больше рассеяние коротких волн) — насыщенные красные; крупные частицы (пыль, морская соль) рассеивают почти без сильной спектральной селекции → пастельные, «выцветшие» цвета.
3) Облака
- Капли воды/леда типичного размера $\sim 1$–$100\mu$m сильно Mie-рассеивают и почти не зависят от $\lambda$ в видимом диапазоне → белые. Но при закате облачные слёзы, освещённые снизу длинноволновым светом, выглядят интенсивно оранжево/красно. Облака также могут действовать «экраном», рассеивая/отражая свет и делая закат ярче в больших углах.
4) Как количественно меняется спектр и интенсивность
- Прямой луч: закон Бугера–Ламберта–Бера: $I(\lambda )=I_0(\lambda )\exp (-\tau (\lambda ))$, где оптическая толщина $\tau (\lambda )={\tau }_R(\lambda )+{\tau }_a(\lambda )+{\tau }_{\text{abs}}(\lambda )$.
- Для аэрозольной оптической толщины часто используют закон Ансгтрема: ${\tau }_a(\lambda )=\beta {\lambda }^{-\alpha }$, где экспонента $\alpha$ показывает долю мелких частиц ($\alpha$ большого порядка → много тонкодисперсных частиц).
- Увеличение $\tau (\lambda )$ для коротких волн приводит к смещению энергии в сторону длинных волн и к уменьшению суммарной яркости; Mie-компонента даёт больший вклад в рассеяный свет в направлении наблюдателя (особенно при сильной передней дифракции).
5) Влияние загрязнения и вулканических аэрозолей — конкретные эффекты
- Городские/промышленные аэрозоли (тонкая сажа, сульфаты): повышают аэрозольную оптическую толщину; при больших $\alpha$ (тонкая фракция) закаты становятся более насыщенно-красными и яркими, но содержащие сильно поглощающие частицы (сажа) могут уменьшать общую яркость и «тушить» краски.
- Пыль (песчаные бури): крупные частицы → меньше спектрального сдвига, цвета становятся менее насыщенными, более коричневатыми/пастельными.
- Вулканические аэрозоли (саженая/сульфатная стратосферная пыль): формируют тонкий слой в стратосфере, дают длительный (месяцы — годы) рост оптической толщины на глобальном уровне. Эффекты: очень яркие и глубокие красные и пурпурные закаты, удлинённые сумерки (из-за многоступенчатого рассеяния и отражения в стратосфере), усиление рассеянного света на больших углах от Солнца; иногда появляются необычные пурпурные/синие оттенки вследствие сложного многократного рассеяния и селективного поглощения. При больших оптических толщинах уменьшается общее поступление прямой энергии (похолодание климата).
- Абсорбирующие частицы (сажевый чёрный углерод) уменьшают отражённую/рассеянную энергию и могут «затемнять» и укорачивать эффект ярких закатов.
6) Какие изменения в спектрах наблюдаются
- Пик спектра прямого света смещается к большим $\lambda$ (красное) по мере роста $\tau (\lambda )$ для коротких волн.
- Расширение и усиление длинноволновой компоненты рассеиваемого света: увеличивается доля красно-оранжевых фотонов в рассеяном спектре.
- Спектральный наклон (color index) коррелирует с аэрозольной оптической толщиной и с Ångström-экспонентой $\alpha$.
- В присутствии крупных частиц спектр становится «плоским» (меньше цветового контраста), при мелких — более насыщенно-красным.
Краткое резюме:
- Основная причина красного заката — геометрическое удлинение пути и сильное ${\lambda }^{-4}$-зависимое рассеяние Рэлея, которое удаляет синие.
- Mie-рассеяние от аэрозолей и капель влияет в основном направлением (передний лепесток), степенью зависимости от длины волны и насыщенностью цвета.
- Загрязнение и вулканические аэрозоли увеличивают аэрозольную оптическую толщину; тонкодисперсные частицы обычно усиливают насыщенность красных закатов, крупные частицы делают цвета более пастельными, сильно поглощающие частицы уменьшают яркость и контраст.