Диффузное излучение неба

Диффу́зное излуче́ние не́ба — солнечное излучение, достигающее земной поверхности после того, как оно было рассеяно на молекулах или твёрдых частицах в атмосфере. Из всего излучения Солнца, рассеивающегося в атмосфере, около двух третей в конечном счёте достигает Земли как диффузное излучение (если Солнце находится высоко над горизонтом, рассеивается не менее 25 % падающего излучения).

Основные механизмы рассеяния света в атмосфере (рассеяние Рэлея, рассеяние Ми) являются упругими, то есть при этом происходит смена направления излучения без изменения длины волны.

Небо выглядит голубым по той причине, что воздух рассеивает свет с короткой длиной волны сильнее длинноволнового излучения света. Интенсивность рассеяния Рэлея, обусловленного флуктуациями количества молекул газов воздуха в объёмах, соизмеримых с длинами волн света, пропорционально ${\displaystyle 1/\lambda ^{4}}$, где ${\displaystyle \lambda }$ — длина волны, то есть фиолетовый участок видимого спектра рассеивается приблизительно в 16 раз интенсивнее красного. Так как излучение синего цвета имеет более короткую длину волны и расположено в конце видимого спектра, оно больше рассеивается в атмосфере, чем красное. Поэтому участок неба вне направления на Солнце имеет голубой цвет (но не фиолетовый, так как интенсивность излучения в солнечном спектре неравномерна и интенсивность в фиолетовом участке спектра в нём меньше, а также вследствие меньшей чувствительности глаза к фиолетовому цвету и большей к синему, который раздражает не только чувствительные к синему цвету колбочки в сетчатке, но и колбочки, чувствительные к красным и зелёным лучам).

Во время заката и рассвета прямой солнечный свет проходит по касательной к земной поверхности, так что путь, проходимый светом в атмосфере, становится намного больше, чем днём при большей высоте Солнца над горизонтом. Из-за этого бо́льшая часть синего и даже зелёного света рассеивается в стороны из прямого солнечного света, поэтому прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небо вблизи горизонта окрашиваются в красные тона.

При другом составе атмосферы, например, на других планетах, цвет неба, в том числе и при закате светила, может быть другим. Например, цвет неба на Марсе красновато-розовый^[1].

Рассеяние и поглощение — главные причины ослабления интенсивности света в атмосфере. Рассеяние меняется как функция от отношения диаметра рассеивающей частицы к длине волны света. Когда это отношение меньше 1/10, возникает рэлеевское рассеяние, при котором коэффициент рассеяния пропорционален ${\displaystyle 1/\lambda ^{4}}$. При бо́льших отношениях размера рассеивающих частиц к длине волны закон рассеивания изменяется согласно уравнению Гюстава Ми; когда же это отношение больше 10, с достаточной для практики точностью применимы законы геометрической оптики.

При пасмурной погоде бо́льшая часть прямого солнечного света до земли не доходит. Рассеянный свет многократно преломляется в водяных каплях, взвешенных в воздухе. Капель много, и каждая имеет свою форму и, следовательно, преломляет по-своему. То есть облака рассеивают свет от неба, и в результате до поверхности Земли доходит белый свет. Если облака имеют большие размеры, то часть света поглощается, и цвет неба серый.

Спектральный состав излучения при рассеянии на каплях мало меняется так как размер капель воды в облаках много больше длин волн видимого спектра, поэтому все длины волн света видимого спектра (от красного до фиолетового) рассеивается примерно одинаково. По интенсивности излучение снижается (оценочно) от 1/6 интенсивности прямого солнечного света для относительно тонких облаков до 1/1000 для наиболее толстых грозовых облаков.

Так как при релеевском рассеянии рассеянный свет полностью или частично поляризован (в зависимости от угла рассеяния), на небесной полусфере существуют четыре точки, излучение из которых неполяризовано.

• Точка Араго (А), названная в честь открывателя, при отсутствии дымки и тумана расположена на 20° выше противосолнечной точки, а в туманном воздухе расположена выше. Поэтому по её положению определяют степень затуманенности атмосферы.
• Точка Бабинэ (Ba), открыта Бабинэ в 1840 году, расположена на 15°—20° выше Солнца, но её трудно наблюдать из-за близости солнечного диска.
• Точка Брюстера (Br), открыта Брюстером в 1840 году, расположена на 15°—20° ниже Солнца, но её трудно наблюдать из-за близости солнечного диска.
• Четвёртая точка (IV), открыта при наблюдении с высотных самолётов. Располагается на 20° ниже противосолнечной точки.

• 
  Синее небо с белыми облаками.
• 
  Закат. Красное небо вблизи солнца градиентно переходит в синее вдали от него.
• 
  Облачное небо. Синий цвет неба рассеивается на дымке, но не полностью. Отсюда голубоватый оттенок
• 
  Небо, затянутое серыми облаками.
• 
  Закат на Марсе.

• Воздушная перспектива
• Небо
• Атмосфера

• Why is the sky blue?
• Why is the sky blue?
• Why is the sky blue? Science made simple
• Blue Sky and Rayleigh Scattering