40. Понятие о нелинейной оптике. Прохождение света через оптически неоднородную среду. Закон Рэлея. Цвет неба и зорь. Радуга. Миражи. Гало.

Атмосфера Земли оптически неоднородна. С увеличени­ем высоты показатель преломления ее непрерывно уменьша­ется. Световой луч в атмосфере проходит как бы через множе­ство тонких, параллельных друг другу, слоев. В результате луч света, в атмосфере искривляется. Это явление называют рефракцией света в атмосфере. При рефракции искривление светового луча может достигать таких значений, при которых становятся видимыми объекты, находящиеся за горизонтом.

Рефракция отсутствует для лучей, идущих от объекта, на­ходящегося в зените. Однако при смещении объекта из наи­высшего положения она возникает и увеличивается по мере приближения объекта к линии горизонта.

В качестве дифракционной нерегулярной решетки может служить совокупность большого числа любых неоднородностей в объеме. Например, мутная среда, в которой взвешено мно­жество очень мелких частиц инородного вещества. К мутным средам относятся коллоидные растворы, облака, задымленные газы, туман и т.п. В такой среде свет дифрагирует на неоднородностях и распространяется по всевозможным направлени­ям. При этом не возникает определенной дифракционной кар­тины. Поэтому дифракцию света в мутных средах называют рассеянием света. Из-за рассеяния солнечного света на пылин­ках лучи света становятся видимыми в воздухе.

Определенный интерес представляет молекулярное рассея­ние света в чистых средах: жидкостях и газах, очищенных от посторонних частиц. Источником рассеяния света в таких сре­дах являются незначительные флуктуации плотности. Возни­кают флуктуации плотности вследствие хаотического теплово­го движения молекул среды. Интенсивность рассеянного света при молекулярном рассеянии мала и становится заметной при прохождении света через толщу рассеивающей среды, напри­мер, атмосферного воздуха. Следует обратить внимание и на то, что наличие в воздухе пыли и капелек воды приводит к дополнительному рассеянию света.

В 1871 г. лауреат Нобелевской премии Стретт Джон Уиль­ям Рэлей сформулировал закон, согласно которому интенсив­ность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты света или, иначе говоря, обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны . С помощью закона Рэлея нетрудно объяснить голубой цвет дневного неба, оранжевый цвет Солнца в дневное время и красный — при восходе и заходе его за горизонт. Так как интенсивнее рассеи­ваются световые волны с более высокими частотами, то спектр рассеянного света будет содержать высокие частоты, а спектр света, остающегося в потоке. — низкие. В первом случае бе­лый цвет становится голубым, а во втором — оранжевым или красноватым. Глядя на дневной небосвод, наблюдатель вос­принимает свет, рассеянный в атмосфере. Спектр этого света, согласно закону Рэлея, содержит интервал высоких частот. Этим-то и обусловлен голубой цвет неба. Флуктуации плотно­сти и интенсивность рассеяния пропорциональны температу­ре. Поэтому небо ясного летнего дня является более колорит­ным в сравнении с таким же зимним днем.

Глядя же на Солнце, наблюдатель воспринимает свет, проходящий через атмосферу, без рассеяния. Спектр этого света содержит интервал низких частот. И солнечный диск в днев­ное время кажется оранжево-желтым. Чем ближе Солнце к линии горизонта, тем более длинный из-за рефракции путь проходит свет в атмосфере. Интервал частот при этом сдвига­ется в сторону более низких частот. Поэтому восходящее Сол­нце видится наблюдателю красным. Вполне понятно и то, по­чему нижняя часть солнечного шара выглядит более красной, нежели его верхняя часть. Флуктуации плотности воздуха в значительной степени определяются состоянием атмосферы: различных слоев воздуха. Именно в связи с этим в ясную по­году закат — золотистый, а в ветреную — багровый.