Коротко — главное: при наблюдении Солнца у горизонта свет проходит гораздо больший слой атмосферы, поэтому его спектр изменяется комбинацией рассеяния, поглощения и преломления; вклад каждой компоненты зависит от размера частиц и от температуры (через плотность и градиенты).
Основные процессы и их влияние
1) Релейское (молекулярное) рассеяние
- Для молекул интенсивность обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны: ${\sigma }_R(\lambda )\propto {\lambda }^{-4}$. Отсюда коротковолновая часть (синий) отфильтровывается сильнее, и прямой свет у горизонта становится краснее и визуально более насыщенным.
- Убывание излучения описывается законом Бэра–Ламберта: $$I(\lambda )=I_0(\lambda )\exp (-\tau (\lambda )),$$ где оптическая толщина $\tau (\lambda )$ включает вклад молекул и частиц и растёт с «воздушной массой» $m$ (приближённо $m\approx \sec z$, $z$ — зенитный угол).
2) Миевское рассеяние (аэрозоли, капли, пыль)
- Для частиц размером сравнимым с длиной волны рассеяние слабо зависит от $\lambda$ и сильно направлено вперёд (форвард-скиннинг). Такое рассеяние приводит к сильному ослаблению и «серению» света, но при умеренном содержании аэрозолей остаётся выраженное покраснение диска Солнца; при большом содержании — цвета становятся менее насыщенными (приглушённые), т.к. происходит многократное рассеяние и почти «серое» поглощение.
- Размер частицы определяет режим: если $a\ll \lambda$ — Rayleigh; если $a\gtrsim \lambda$ — Mie.
3) Поглощение газами (например, озон)
- Узкие и широкие полосы поглощения (например, полоса Чаппьюза озона в зелёно‑жёлтой области) дополнительно изменяют форму спектра, усиливая красноту заката.
4) Атмосферная рефракция и дисперсия
- Преломление в атмосфере смещает и частично раздвигает спектр по углу: более короткие волны преломляются сильнее, поэтому край Солнца может показывать цветовые фрагменты (иногда — «зелёная вспышка»). Рефракция зависит от показателя преломления воздуха, который зависит от плотности: $$n-1\propto \rho \propto \frac{p}{T}.$$ - Температурные инверсии и сильные градиенты $T(z)$ усиливают эффект и могут давать миражи, которые меняют видимую цветовую картину.
5) Множественное рассеяние и поляризация
- При малом оптическом глубе доминирует прямой (однократный) луч — цвета кажутся насыщенными. При большом оптическом глубе множественное рассеяние «заливает» небо рассеянным светом и снижает насыщенность.
- Поляризация связана с однократным рассеянием молекулами; она меняет визуальное восприятие насыщенности при использовании поляризатора.
Роль температуры и частиц в сумме
- Температура через $p/T$ определяет плотность воздуха, следовательно общую оптическую толщу и величину рефракции; холоднее — плотнее — сильнее рассеяние и рефракция при прочих равных.
- Концентрация и размер частиц определяют, будет ли эффект преимущественно длиноволновым (Rayleigh → яркие, насыщенные закаты) или «серым» и приглушающим (большие аэрозоли, дым → тусклые, но часто очень красные закаты из‑за сильного поглощения/форвардного рассеяния).
Итого: более насыщенные и сдвинутые цвета у горизонта — результат увеличенного пути через атмосферу (увеличение $\tau (\lambda )$), доминирования ${\lambda }^{-4}$-релеевского удаления синего, добавочного поглощения (например, озоном) и модификаций от аэрозолей и рефракции; температура влияет опосредованно через плотность/рефракцию и через создание инверсий (миражи), а частицы — через режим рассеяния (Rayleigh vs Mie) и степень многократного рассеяния.