Trong không gian xanh bao la

10

A. Varlamov, A. Shapiro

Trong không gian xanh bao la

Nhìn xung quanh, chúng ta thường chỉ nhìn thấy những gì chúng ta đã quen thuộc, những gì chúng ta đã quen. Trong khi đó, quá trình nhận thức hầu như luôn bắt đầu bằng những quan sát mới.

Các nghệ sĩ có óc quan sát nhạy bén, chuyên nghiệp, đó là lý do tại sao thế giới được phản ánh qua con mắt của các nghệ sĩ theo chủ nghĩa hiện thực trong phong cảnh của họ đặc biệt tươi sáng và nhiều màu sắc, đồng thời xuất hiện các hiện tượng tự nhiên riêng lẻ. Đồng thời, ngay cả một nghệ sĩ giỏi cũng không cần các khái niệm, đôi khi là bản chất phức tạp của các hiện tượng bắt nguồn từ tự nhiên, mà anh ta thể hiện một cách chân thực trên các bức vẽ của mình. Nhưng bạn có thể khám phá thế giới xung quanh mình từ những bức tranh của một họa sĩ phong cảnh giỏi, thậm chí còn tốt hơn cả trong đời thực, hoặc trong một bức tranh phong cảnh, tác giả dường như dừng lại trong giây lát, nâng cao một cách trực quan những điều thiết yếu và bỏ qua những điều không cần thiết, những điều ngẫu nhiên.

Hãy xem kỹ bức tranh “In the Blue Expanse” của Arkady Aleksandrovich Rylov. “Những chú chim trắng như những đám mây, dễ dàng bay lên, tắm mình trong bầu trời xanh. Và êm ái như một chú chim trắng, một con tàu căng buồm lướt đi trên những làn sóng xanh gợn sóng của đại dương,” đây là cách nhà phê bình nghệ thuật nổi tiếng A. Fedorov-Davydov mô tả bức tranh này. Chiêm ngưỡng bức tranh tuyệt vời này trong Phòng trưng bày Tretykov, bạn quên mất rằng mình đang rên rỉ trong sảnh của một bảo tàng và có cảm giác như mình là người tham gia lễ hội thiên nhiên này.

Và bây giờ hãy trả lời từ việc vẽ tranh và nhìn xung quanh qua con mắt của một nhà phê bình nghệ thuật. Chúng ta đã kết thúc ở đâu?

Câu hỏi này không khó trả lời - hòn đảo đá có thể nhìn thấy từ xa được bao phủ bởi tuyết và biển không hề có mùa đông, vì vậy có lẽ chúng ta đang ở các vĩ độ cực.

Người nghệ sĩ đã vẽ phong cảnh từ đâu - từ một mỏm đá bên bờ biển? hay từ con tàu?

Rất có thể, anh ta đang ở trên tàu, vì ở phía trước của bức tranh

11

không thể nhìn thấy sóng lướt, sự phân bố sóng đối xứng và không bị biến dạng do sự hiện diện gần gũi của bờ biển.

Bây giờ chúng ta hãy thử ước tính tốc độ của gió làm phồng cánh buồm của một con tàu đang lướt đi ở phía xa. Chúng tôi không phải là người đầu tiên đặt câu hỏi về việc ước tính tốc độ gió dựa trên kích thước của sóng hoặc các biểu hiện khác trong tự nhiên xung quanh chúng ta. Trở lại năm 1806, đô đốc người Anh F. Beaufort đã phát triển thang đo mười hai để đánh giá gần đúng tốc độ gió dựa trên tác động của nó lên các vật thể trên mặt đất và bởi sóng trên biển khơi. Thang đo này đã được Tổ chức Khí tượng Thế giới thông qua và cũng được sử dụng trong khái niệm này.

Nhìn vào hình, chúng ta thấy, theo bảng Beaufort, gió “yếu” với tốc độ 5 m/s, sóng trên mặt nước nhẹ, thỉnh thoảng hình thành những đám mây trắng nhỏ. Nhân tiện, tại sao chúng có màu trắng và có màu khác biệt với nước biển xanh lam?

Màu sắc của biển được quyết định bởi nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là vị trí của Mặt trời, màu sắc của bầu trời, lời giải bề mặt biển, độ sâu của biển; nếu độ sâu nông thì một yếu tố quan trọng là sự hiện diện hay vắng mặt của tảo trong nước và hàm lượng chất rắn lơ lửng trong đó. Tất cả những yếu tố này ảnh hưởng đến sự phản xạ ánh sáng từ bề mặt biển, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng ở độ sâu. Vì vậy, đơn giản là không thể quy định rõ ràng màu sắc nhìn thấy được của biển. Nhưng có một số điều bạn có thể tìm ra. Vì thế,

Điểm Beaufort	Định nghĩa bằng lời về lực gió	Tốc độ gió trung bình (m/s) ở độ cao 10 m	Hành động gió
0	Bình tĩnh	0 0,2	Gương mịn sea
1	Quiet	0.3 1.5</td><td>Mặt biển gợn sóng nhẹ; không có bọt trên các đường vân. Độ cao sóng lên tới 0,1 m</td></tr><tr><td>2</td><td>Light</td><td>1.6 ÷ 3,3</td><td>Sóng ngắn trên biển với độ cao tối đa lên tới 0,3 m</td></tr><tr><td>3</td><td>Yếu</td><td>3,4 5,4	Xung động nhẹ trên mặt nước; Thỉnh thoảng những con cừu nhỏ được hình thành. Độ cao sóng lên tới 0,6 m
4	Trung bình	5,5 ữ 7,9	Xám trắng trên biển hiện rõ ở nhiều nơi. Chiều cao sóng tối đa lên tới 1,5 m
5	Fresh	8.0 ÷ 10.7	Cừu trắng có thể nhìn thấy ở khắp mọi nơi Chiều cao sóng trung bình 2 m
6	Strong	10.8 13.8</td><td>Mào bọt trắng chiếm diện tích đáng kể, hình thành bụi nước. Chiều cao sóng tối đa lên tới 4 m</td></tr><tr><td>7</td><td>Strong</td><td>13.9 17.1	Các đỉnh sóng bị xé toạc bởi sóng gió. Độ cao sóng tối đa lên tới 5,5 m
8	Rất mạnh	17.2 20,7	Biển mạnh. Chiều cao sóng tối đa lên tới 7,5 m
9	Storm	20.8 24,4</td><td>Rất thô biển. Chiều cao sóng tối đa lên tới 10 m</td></tr><tr><td>10</td><td>Bão dữ dội</td><td>24,5 28,4	The mặt biển nổi bọt trắng xóa. Tiếng sóng mạnh mẽ như những cú đánh. Sóng rất cao - lên tới 12,5 m
11	Bão dữ dội	28.5 ` 32.6	Biển có sóng cực cao - lên tới 16 m. Những mạch máu nhỏ tạm thời bị xé ra khỏi tâm trí.
12	Uragaan	≥ 32,7	—

13

được miễn phí. Rayleigh áp dụng định luật này cho sự tán xạ ánh sáng trong khí quyển, tin rằng sự tán xạ của tia mặt trời xảy ra trên các phân tử khí tạo nên không khí (đây là lý do tại sao định luật hình thành ở trên đôi khi được gọi là “Định luật Shingo bầu trời”).

Tỷ lệ bước sóng của ánh sáng đỏ với bước sóng của ánh sáng tổng hợp là 6500Å/4500Å≈1,44. Nâng con số này lên lũy thừa bốn, chúng ta nhận được 4,3. Do đó, theo định luật Rayleigh, cường độ của ánh sáng xanh tán xạ cao gấp bốn lần cường độ của ánh sáng đỏ tán xạ và một lớp không khí dày hàng chục km thu được màu với ưu thế rõ rệt là màu xanh lam và lục lam. Và ánh sáng mặt trời nhìn thấy được, chiếu tới chúng ta qua “rào cản” của khí quyển, phần lớn không có phần sóng ngắn trong quang phổ của nó. Do đó, Mặt trời mà chúng ta nhìn thấy trong các tia xuyên qua bầu khí quyển sẽ có màu vàng nhạt. Nó có thể trở nên mạnh hơn, cam hơn và đỏ hơn khi Mặt trời lặn, khi các tia mặt trời phải di chuyển một khoảng cách lớn hơn trong khí quyển (khi Mặt trời mọc tất nhiên sự thay đổi màu sắc xảy ra theo thứ tự ngược lại).

Lưu ý rằng trong định luật Rayleigh người ta giả định rằng λ ≥d, nhưng bản thân giá trị của d không được đưa vào biểu thức cường độ. Thực tế này dẫn đến sự nhầm lẫn về bản chất của các chất tán xạ ánh sáng xanh trong khí quyển, nhờ có Rayleigh, tồn tại cho đến giữa thế kỷ 20. Và chỉ đến năm 1940, nhà vật lý học Liên Xô L.I. Mandelstam đã chỉ ra rằng trên thực tế, sự tán xạ ánh sáng trong khí quyển không xảy ra trên các phân tử khí tạo nên không khí, mà trên quy mô của các vật thể không mong muốn - sự không đồng nhất của mật độ không khí. Nhưng những sự không đồng nhất này đến từ đâu? Xét cho cùng, không khí ở trạng thái cân bằng nhiệt động, và ngay cả khi gió thổi, sự không đồng nhất liên quan đến nó có kích thước vượt quá bước sóng ánh sáng rất nhiều lần và không thể ảnh hưởng đến sự tán xạ ánh sáng.

Để hiểu bản chất của sự không đồng nhất trong chiết suất của ánh sáng, chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn sự hiểu biết về trạng thái cân bằng nhiệt động. Để đơn giản, khoảng cách là thể tích khí macrosoppersia không đồng nhất ở trạng thái đóng.

Vật lý là một hệ thống khoảng cách bao gồm một số lượng lớn các hạt, do đó cách duy nhất có thể mô tả các tính chất của các hệ thống đó là thống kê. Cách tiếp cận tĩnh có nghĩa là chúng tôi không theo dõi trạng thái của từng phân tử riêng lẻ mà tính toán giá trị trung bình của các đại lượng vật lý tương ứng cho toàn bộ hệ thống. Trong trường hợp này, không nhất thiết là đối với tất cả các phân tử, giá trị của đại lượng vật lý đang được xem xét phải bằng giá trị trung bình tương ứng. Khi xem xét thể tích vĩ mô của một chất khí, trạng thái quan trọng nhất là trong đó các phân tử khí được phân bổ đều trong toàn bộ thể tích của bình. Tuy nhiên, do chuyển động nhiệt của các phân tử, luôn có xác suất khác 0 rằng nồng độ của các phân tử ở một số khu vực của bình trong một thời gian sẽ vượt quá nồng độ trung bình của các phân tử trong thể tích đang được xem xét (trong trường hợp này, một cách tự nhiên, ở một khu vực khác của thể tích đang được xem xét, nồng độ của các phân tử sẽ giảm trong thời gian này). Về mặt lý thuyết, thậm chí có thể có trạng thái trong đó tất cả các phân tử khí có mặt trong một nửa thể tích của bình đang được xem xét, và thể tích thứ hai hoàn toàn trống rỗng. Nhưng xác suất xảy ra một sự kiện như vậy chỉ được thể hiện bằng những gì chúng ta thấy khi thực hiện nó, ngay cả trong vòng đời của Vũ trụ, mà theo các khái niệm hiện đại là 10¹³ năm.

Tuy nhiên, có thể xảy ra những sai lệch nhỏ của các đại lượng vật lý so với giá trị trung bình của chúng nhưng cũng liên tục xảy ra do chuyển động nhiệt của các phân tử. Những sai lệch này được gọi là biến động (từ tiếng Latin fluctuari - dao động). Chính chúng đã dẫn đến thực tế là ở một số khu vực, mật độ khí tăng lên, còn ở những khu vực khác thì nó giết chết, điều này ảnh hưởng đến giá trị chiết suất của ánh sáng ở những khu vực này.

Nếu bây giờ chúng ta quay lại xem xét sự tán xạ ánh sáng trong khí quyển, thì tất cả những khác biệt được đưa ra đối với một thể tích khí hạn chế vẫn có giá trị. Ngoài ra, giống như không khí là hỗn hợp của nhiều loại khí khác nhau, sự khác biệt trong chuyển động nhiệt của các phân tử của các loại khí khác nhau dẫn đến khả năng xuất hiện thêm tính không đồng nhất cục bộ trong chiết suất của ánh sáng liên quan đến sự thăng giáng.

Kích thước đặc trưng của vùng không đồng nhất của chiết suất ánh sáng (tính không đồng nhất về mật độ) nảy sinh từ nhu cầu về tính không đồng nhất của trạng thái cân bằng, và ngay cả khi gió thổi, các tính không đồng nhất liên quan có kích thước vượt quá bước sóng ánh sáng rất nhiều lần, và không thể ảnh hưởng đến sự tán xạ ánh sáng theo bất kỳ cách nào.

Để hiểu bản chất của sự không đồng nhất trong chiết suất của ánh sáng, chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn sự hiểu biết về trạng thái cân bằng nhiệt động. Để đơn giản hóa khoảng cách, thể tích khí macrosoppersia không đồng nhất ở trạng thái đóng,

Do đó, các hệ thống khoảng cách vật lý, bao gồm một số lượng hạt khổng lồ, là khả thi duy nhất, do đó việc xem xét sự tán xạ ánh sáng xảy ra ở trạng thái đóng.

Tuy nhiên, chúng ta nhìn thấy bầu trời xuyên qua bầu trời chứ không phải qua bầu trời Philotian, mặc dù định luật Rayleigh dự đoán ưu thế của ánh sáng vật lý. Hóa ra sự khác biệt này là do hai lý do. Thứ nhất, trong quang phổ mặt trời

14

Trong ánh sáng ban ngày có ít tia tím hơn tia xanh lam. Thủ phạm thứ hai dẫn đến sự khác biệt rõ ràng giữa lý thuyết và thực hành là “thiết bị ghi âm” của chúng ta - mắt của một người có thị lực bình thường. Thực tế là khả năng nhận thức thị giác của mắt người phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Hình 2 cho thấy việc xây dựng thử nghiệm một đường cong mô tả sự phụ thuộc này. Từ hình vẽ có thể thấy rằng mắt phản ứng với tia tím yếu hơn nhiều so với tia xanh lam. Đó là lý do tại sao các tia mặt trời phân tán mà mắt người cảm nhận được thực tế không có thành phần pholet.

Tại sao chúng ta nhìn thấy rõ mây trắng trên bầu trời xanh? Khi ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt cấu thành của nó, chẳng phải kết luận của định luật Rayleigh là hợp lệ sao?

Thực tế là các đám mây bao gồm những giọt nước hoặc tinh thể băng nhỏ, tuy nhiên, kích thước của chúng vượt quá đáng kể bước sóng của ánh sáng khả kiến. Do đó, khi ánh sáng mặt trời bị tán xạ trên các hạt tạo nên mây, định luật Rayleigh không được áp dụng - ánh sáng thuộc mọi bước sóng bị tán xạ với cường độ xấp xỉ như nhau và các đám mây được coi là màu trắng. Đây là những gì chúng ta thấy trong hình.

Bây giờ hãy cùng nhau hòa vào hình dạng của những đám mây. Đỉnh mây trong ảnh -

Hình 2.

Hình 3.