Когда свет встречает на своём пути частицы различного размера и природы, его направление и интенсивность изменяются. Это явление называется рассеянием. Оно играет фундаментальную роль в формировании видимого облика окружающей среды: голубое небо, белизна облаков, красные закаты — всё это связано с процессами рассеяния.
Физическая природа рассеяния определяется соотношением длины волны света и размеров рассеивающих объектов. В зависимости от этого различают несколько режимов: релеевское рассеяние, рассеяние Ми, а также геометрическое рассеяние для частиц, значительно превышающих длину волны.
Релеевское рассеяние возникает, когда размеры рассеивающих частиц много меньше длины волны света (например, молекулы воздуха, отдельные молекулы газа).
Интенсивность такого рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны:
$$ I \sim \frac{1}{\lambda^4} $$
Это объясняет, почему коротковолновая часть спектра (синий, фиолетовый) рассеивается сильнее, чем длинноволновая (красный). Именно поэтому дневное небо кажется голубым.
Рассеянный свет поляризован. Наибольшая степень поляризации наблюдается под углом 90° к направлению падающего солнечного света.
Физически процесс можно описать как вынужденное колебание диполей в молекулах под действием электромагнитной волны. Эти диполи переизлучают энергию во все стороны, формируя характерную угловую диаграмму.
Рассеяние Ми наблюдается в случае, когда размеры частиц соизмеримы с длиной волны света (капли воды в атмосфере, частицы аэрозолей, капли тумана).
Математическое описание рассеяния Ми основано на решении уравнений Максвелла для сферических частиц. Формулы получаются крайне сложными, но они позволяют вычислять угловое распределение интенсивности для частиц различных размеров и показателей преломления.
Если размеры частиц значительно превышают длину волны света (например, капли дождя, снежинки, частицы пыли), процесс рассеяния можно описывать методами геометрической оптики.
Голубое небо Является результатом релеевского рассеяния. Более сильное рассеяние коротких волн делает небосвод голубым, а в направлении к Солнцу заметен постепенный переход к белому.
Закаты и рассветы При низком положении Солнца луч проходит через большую толщу атмосферы. Синие и фиолетовые лучи рассеиваются и почти полностью уходят из прямого пучка. До наблюдателя доходят в основном красные и оранжевые лучи, придавая небу окраску заката.
Белизна облаков В облаках присутствуют капли воды размером порядка нескольких микрометров. Для них характерно рассеяние Ми, при котором все длины волн рассеиваются почти одинаково. Это делает облака белыми.
Молочное небо и дымка Наличие в атмосфере мелких аэрозольных частиц усиливает рассеяние Ми. Это приводит к снижению контрастности и появлению характерного молочного оттенка.
Рассеяние света в атмосфере влияет не только на оптический облик природы, но и на климатические процессы:
Для изучения процессов рассеяния используются как теоретические, так и экспериментальные методы: