ОТВЕТ • При извержении вулкана пепел и другие выброшенные вверх частицы формируют на высоте около 20 км плотное облако, в состав которого входит диоксид серы. На этой высоте при реакции диоксида серы с озоном выделяются сульфаты, частицы которых остаются в воздухе во взвешенном состоянии. Облако из пепла и сульфатного аэрозоля распространяется вокруг Земли. Теперь цвет неба на закате определяется комбинацией солнечного света, рассеянного этим слоем, и света, рассеянного молекулами воздуха под и над ним. Свет, прошедший к наблюдателю из-под облака, в основном красный. Он проходит через плотные слои атмосферы и, многократно рассеиваясь на большом числе молекул воздуха, теряет почти всю свою синюю составляющую. Свет, доходящий до наблюдателя из вулканического облака, тоже проходит через нижние слои атмосферы, но из-за поглощения озоном теряется часть его красной составляющей. Свет, идущий из области над облаком, проходит через более разреженную атмосферу и на своем пути теряет только небольшую часть синего солнечного света. После извержения разнообразие цветов на небе во время заката завораживает. Разные участки неба окрашены по-разному, и картина меняется каждый день. Вулканический пепел и взвешенные частицы остаются в воздухе месяцами, поэтому и фантастические закаты можно наблюдать очень долго. Если на западе далекие тучи за линией горизонта частично блокируют свет под образовавшимся вулканическим слоем, в горизонтальной плоскости цвета меняются, и возможен закат, при котором расцветка неба справа и слева от солнца будет отличаться очень сильно.

В августе 1883 года на острове Кракатау вблизи Явы произошло одно из самых разрушительных в истории извержений вулкана. В сентябре преподобный Серено Бишоп, ученый и священник из Гонолулу, описал «необычный венец или гало — белое с розоватым оттенком расходящееся на угол от 20 до 30° туманное кольцо вокруг солнца, цвет которого по краям переходил в сиреневый или пурпурный на голубом фоне. Мы видели это кольцо каждый день, в течение всего дня». В чем причина появления этого гало, сопровождающего многие сильные извержения вулканов, которое теперь называют кольцом Бишопа? Что определяет размер такого гало и цвет по его краям?

ОТВЕТ • Кольцо Бишопа образуется из-за дифракции света на маленьких частичках, попавших в верхние слои атмосферы в результате извержения вулкана. Дифракция — один из вариантов рассеяния; при дифракции на малых частицах белый свет разлагается на цвета солнечного спектра. Частицы большего размера, поднявшиеся в атмосферу при извержении, осаждаются, а мельчайшие частицы остаются в воздухе и распространяются вокруг всего земного шара благодаря атмосферным потокам на больших высотах. Если смотреть в сторону солнца, кроме обычного света, исходящего от неба, глаз наблюдателя воспринимает свет, рассеянный этими малыми частицами. Этот дополнительный свет образует необычайно яркую, похожую на кольцо круговую область вокруг солнца. Размер кольца зависит от угла рассеяния, который тем больше, чем меньше радиус частицы. Край кольца может быть окрашен в красный цвет, у которого самая большая длина волны среди цветов видимого спектра, и его угол рассеяния самый большой. Таким образом, от частиц на краю кольца, скажем, справа от наблюдателя, к нему доходит рассеянный красный свет, а синий, рассеивающийся меньше, не доходит. Однако край кольца может быть окрашен в лиловый цвет, если на краю кольца виден и рассеянный красный свет, и обычный синий свет неба. Если все частицы пыли примерно одного размера и, следовательно, одинаково рассеивают солнечный свет, край кольца будет более ярким и более четким. Если же радиус рассеивающих частиц варьируется в широком диапазоне, кольцо будет размытым и белесым.

Когда в следующий раз полетите на самолете, обратите внимание на текстуру (периодический рисунок) облаков внутри угла порядка 42° с вершиной в точке солнечного противостояния (то есть в точке, строго противоположной положению солнца относительно наблюдателя). Возможно, вы заметите, что внутри этого угла облака более текстурированы, чем вне его. С чем это связано?

ОТВЕТ • Характерную структуру облаков легче разглядеть при хорошем контрасте между областью яркого рассеянного света и соседней, затененной тучами областью. Самый яркий свет при рассеянии каплями в тучах исходит из области внутри угла порядка 42° с вершиной в точке солнечного противостояния, так что эта область более контрастна.

Почему во время полного солнечного затмения небо на горизонте становится красным, а над головой небо кажется более насыщенно синим, чем до и после затмения?

ОТВЕТ • Обычно над линией горизонта мы видим белое небо. Молекулы воздуха, находящиеся не слишком далеко от наблюдателя, рассеивают в его направлении больше синего света, чем красного. Рассеянный свет от молекул, находящихся существенно дальше, распределен по цветам так же, однако, поскольку расстояние до наблюдателя больше, в результате рассеяния свет почти полностью теряет синюю составляющую. Таким образом, более близкие молекулы окрашивают небо в синий цвет, а более далекие — в красный. Поскольку их комбинация дает белый цвет, небо над горизонтом кажется белым. Во время полного солнечного затмения небо над головой окрашено в более темный синий цвет, поскольку из-за тени наблюдатель не видит свет, рассеянный в нижних слоях атмосферы. Обычно такой свет имеет красноватый оттенок: прежде чем достичь наблюдателя, световые лучи проходят через плотные слои атмосферы, теряя большую часть голубой компоненты при рассеянии на большом количестве молекул воздуха. Когда наконец этот свет рассеивается в направлении наблюдателя, в нем доминирует красный цвет. Лучи света, идущие в направлении наблюдателя из более высоких, менее плотных слоев атмосферы, сталкиваются с меньшим числом молекул и поэтому теряют меньше синего света. Когда в конце концов они рассеиваются в направлении наблюдателя, в них остаются в основном лучи синего цвета. Обычно цвет неба у нас над головой — комбинация красноватого света, идущего от нижних слоев атмосферы, и света, где преобладает синий, доходящий до наблюдателя от более высоких слоев. Однако полное солнечное затмение не пропускает красноватый свет, и поэтому в это время небо над головой окрашено в более насыщенный синий цвет, чем обычно.

Когда я мальчиком жил в Техасе, бабушка всегда отправляла нас в погреб, если во время сильной бури небо приобретало зеленоватый оттенок. Она, как и все соседи, верила, что это сигнал опасности: возможно торнадо. Почему же небо окрашивается в зеленый цвет, а не просто становится темным?

ОТВЕТ • Чтобы небо стало зеленым, требуется выполнение двух условий. Во-первых, при рассеивании на молекулах воздуха падающего солнечного света в нем не должно остаться цветов синей области видимого спектра. А это означает, что солнце должно быть низко. Во-вторых, когда этот свет проходит через тучи, водяные капли должны поглощать свет из красной области видимого спектра. Если облака достаточно плотные (что бывает при сильной буре), в пробившемся через них свете отсутствует как голубая, так и красная области видимого спектра. Поэтому небо будет выглядеть зеленоватым или зеленовато-желтым, поскольку останутся именно эти цвета видимого спектра (рис. 6.5).