Туман выглядит белым потому, что состоит из множества мельчайших капель воды, которые рассеивают падающий на них свет почти без предпочтения какого-либо одного видимого цвета. Красные, зелёные и синие составляющие дневного света смешиваются для нашего зрения, поэтому освещённая туманная пелена кажется белой. Если света мало или туман очень плотный, тот же туман может выглядеть серым и даже почти тёмным.
Из чего на самом деле состоит туман
Водяной пар сам по себе невидим. Это отдельные молекулы воды в газообразном состоянии, смешанные с воздухом. Когда влажный воздух охлаждается до точки росы или получает достаточно дополнительной влаги, часть пара конденсируется. Возникают крошечные жидкие капли, взвешенные у поверхности земли. Именно их скопление мы и видим как туман.
При отрицательной температуре в тумане могут находиться переохлаждённые капли, которые остаются жидкими и замерзают при соприкосновении с предметами. При сильном морозе встречается ледяной туман из очень мелких кристаллов. В обоих случаях пелена обычно сохраняет беловатый вид, поскольку и капли, и многочисленные ледяные частицы эффективно рассеивают видимый свет.
По своей природе обычный туман похож на облако, расположенное у самой земли. Поэтому причина белого цвета у них общая, как подробно объясняется в статье о том, почему облака белые. Различается прежде всего положение относительно наблюдателя: облако мы видим издалека на фоне неба, а внутри тумана сами оказываемся среди рассеивающих свет частиц.
Что происходит со светом внутри тумана
Белый солнечный свет представляет собой смесь видимых излучений разных длин волн. Условно их можно связать с цветами от фиолетового до красного. Когда луч встречает каплю, он частично отражается от её поверхности, частично проникает внутрь, преломляется и выходит в изменённом направлении. В результате свет распространяется не только прямо, но и в стороны, назад и под множеством промежуточных углов.
В тумане капель очень много. Свет, рассеянный одной каплей, попадает на другие и снова меняет направление. Такое многократное рассеяние скрывает чёткие контуры предметов и заполняет поле зрения рассеянным сиянием. Наблюдатель получает свет не только непосредственно от Солнца или неба, но и от огромного количества капель вокруг.
Видимый свет охватывает сравнительно узкий диапазон длин волн, а типичная капля тумана крупнее каждой из них. Поэтому капли рассеивают разные видимые цвета гораздо более равномерно, чем отдельные молекулы воздуха. В потоке, дошедшем до глаз после рассеяния, обычно остаётся смесь всех основных цветов. Глаз воспринимает эту смесь как белый или нейтрально-серый свет.
Такое рассеяние называют неселективным, то есть не отдающим заметного предпочтения одному участку видимого спектра. В более строгом описании рассеяние на сферических частицах сопоставимого или большего размера связывают с теорией Ми. Реальная картина зависит от размеров капель, их количества, длины волны и направления наблюдения, но для ответа на вопрос достаточно главного: туман не отделяет синий цвет от красного настолько сильно, чтобы приобрести устойчивую яркую окраску.
Почему небо синее, а туман белый
Сравнение с ясным небом помогает понять роль размера частиц. В чистом воздухе солнечный свет рассеивают главным образом молекулы азота и кислорода. Они намного меньше длины волны видимого света. Такое молекулярное рассеяние значительно сильнее для коротких волн, поэтому синий и фиолетовый свет меняют направление чаще красного. Именно этот механизм отвечает на вопрос, почему небо голубое, с учётом особенностей солнечного спектра и чувствительности зрения.
Капли тумана намного крупнее молекул воздуха. Разница в рассеянии красной, зелёной и синей частей спектра у них гораздо слабее. Все эти составляющие приходят к наблюдателю вместе, и туман кажется белым. Таким образом, цвет определяется не тем, что воздух и вода имеют собственную белую краску, а тем, какие частицы рассеивают свет и как их размер соотносится с длиной волны.
Похожее наблюдение можно сделать с водой в быту. Прозрачная вода в стакане хорошо пропускает свет, потому что в ней нет плотного скопления границ между воздухом и множеством капель. Мелкая водяная взвесь из распылителя уже выглядит белёсой. Ещё один наглядный пример – целый прозрачный кусок льда и раздробленный лёд. Много мелких поверхностей направляют свет в разные стороны, поэтому ледяная крошка кажется белее и менее прозрачной.
Почему плотный туман бывает серым
Белый цвет не означает, что любой туман выглядит ослепительно светлым. Его яркость зависит от освещения и от того, сколько света дошло до наблюдателя. В тонком тумане при дневном свете капли хорошо освещены, а часть рассеянного света направляется к глазам. Такая дымка может казаться молочно-белой.
В очень плотном слое луч проходит через множество капель. Каждая из них отклоняет часть света, поэтому прямое излучение быстро ослабевает. Глубокие участки получают меньше света и выглядят серыми. Аналогично толстое облако снизу часто кажется тёмным, хотя его освещённая верхняя поверхность ярко-белая. Серый цвет означает прежде всего недостаток дошедшего света, а не появление серого вещества в каплях.
Важна и точка наблюдения. Если Солнце находится за спиной, передняя часть тумана может быть хорошо освещена и выглядеть светлой. При взгляде против света удалённые предметы превращаются в тёмные силуэты, а распределение яркости меняется. Ночью без Луны, фонарей и другого заметного источника света туман почти не виден как белая пелена, потому что ему нечего рассеивать в сторону глаз.
Количество и размеры капель тоже влияют на прозрачность и яркость. Чем больше жидкой воды находится в единице объёма и чем длиннее путь света через туман, тем сильнее скрывается фон. Поэтому два тумана, одинаково белые вблизи, могут очень различаться по видимости на дороге.
Почему у тумана иногда появляется цветной оттенок
Туман не всегда освещён белым полуденным светом. На рассвете и закате прямые солнечные лучи проходят через более длинный путь в атмосфере. Значительная часть коротковолнового синего света рассеивается ещё до того, как лучи достигнут тумана. До капель приходит больше красного, оранжевого и жёлтого света, поэтому вся пелена может приобрести тёплый оттенок.
Ночью цвет определяется искусственным освещением. Натриевые уличные фонари окрашивают туман в желтовато-оранжевый тон, холодные светодиоды создают белое или голубоватое сияние, а красные сигнальные огни формируют красные ореолы. Капли в таких случаях не меняют состав – они лишь перераспределяют уже окрашенный свет.
На внешний вид могут влиять дым, пыль и загрязняющие частицы. Они способны не только рассеивать, но и заметно поглощать отдельные участки спектра. Поэтому смесь тумана с дымом бывает грязно-серой, желтоватой или бурой. Это не обычный чистый цвет водяного тумана, а результат присутствия других аэрозолей и особенностей освещения.
Иногда в тумане наблюдают белую дугу, похожую на слабую радугу. Её называют туманной радугой. Крупные дождевые капли хорошо разделяют цвета в обычной радуге – этому явлению посвящено отдельное научное объяснение радуги. Очень мелкие капли тумана создают более широкие и перекрывающиеся цветовые полосы, поэтому дуга выглядит преимущественно белой, хотя по краям иногда заметны слабые красноватые и голубоватые оттенки.
Почему фары создают перед водителем белую стену
Когда автомобильные фары светят в густой туман, часть их света рассеивается обратно в сторону водителя. Вместо того чтобы освещать только дорогу впереди, луч подсвечивает ближайшие капли. Они образуют яркую белёсую завесу, на фоне которой слабый свет от дальних объектов становится ещё менее заметным.
Особенно мешает свет, направленный высоко и попадающий в поле зрения после обратного рассеяния. Поэтому дальний свет в плотном тумане часто ухудшает видимость: яркость ближней пелены возрастает, а увидеть дальше всё равно не удаётся. Этот эффект ещё раз показывает, что белизна тумана возникает при взаимодействии капель со светом, а не является постоянным свойством самой влажности воздуха.
Главное
Туман обычно белый, потому что его многочисленные водяные капли рассеивают почти все видимые цвета достаточно равномерно. Смешавшись, эти цвета воспринимаются глазом как белый свет. Плотность капель, толщина слоя, направление освещения и яркость источника определяют, будет туман молочно-белым, светло-серым или почти тёмным. Красноватые, жёлтые и другие оттенки появляются главным образом тогда, когда сам падающий свет уже окрашен или в воздухе присутствуют дым и пыль.
