Все на­гре­тые тела из­лу­ча­ют элек­тро­маг­нит­ные волны. Чтобы экс­пе­ри­мен­таль­но ис­сле­до­вать за­ви­си­мость ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния от длины волны, не­об­хо­ди­мо:

1)  раз­ло­жить из­лу­че­ние в спектр;

2)  из­ме­рить рас­пре­де­ле­ние энер­гии в спек­тре.

Для по­лу­че­ния и ис­сле­до­ва­ния спек­тров слу­жат спек­траль­ные ап­па­ра­ты -спек­тро­гра­фы. Схема приз­мен­но­го спек­тро­гра­фа пред­став­ле­на на ри­сун­ке. Ис­сле­ду­е­мое из­лу­че­ние по­сту­па­ет сна­ча­ла в трубу, на одном конце ко­то­рой име­ет­ся ширма с узкой щелью, а на дру­гом - со­би­ра­ю­щая линза L₁. Щель на­хо­дит­ся в фо­ку­се линзы. По­это­му рас­хо­дя­щий­ся све­то­вой пучок, по­па­да­ю­щий на линзу из щели, вы­хо­дит из нее па­рал­лель­ным пуч­ком и па­да­ет на приз­му Р.

Так как раз­ным ча­сто­там со­от­вет­ству­ют раз­лич­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния, то из приз­мы вы­хо­дят па­рал­лель­ные пучки раз­но­го цвета, не сов­па­да­ю­щие по на­прав­ле­нию. Они па­да­ют на линзу L₂. На фо­кус­ном рас­сто­я­нии от этой линзы рас­по­ла­га­ет­ся экран, ма­то­вое стек­ло или фо­то­пла­стин­ка. Линза L₂ фо­ку­си­ру­ет па­рал­лель­ные пучки лучей на экра­не, и вме­сто од­но­го изоб­ра­же­ния щели по­лу­ча­ет­ся целый ряд изоб­ра­же­ний. Каж­дой ча­сто­те (точ­нее, уз­ко­му спек­траль­но­му ин­тер­ва­лу) со­от­вет­ству­ет свое изоб­ра­же­ние в виде цвет­ной по­лос­ки. Все эти изоб­ра­же­ния вме­сте и об­ра­зу­ют спектр. Энер­гия из­лу­че­ния вы­зы­ва­ет на­гре­ва­ние тела, по­это­му до­ста­точ­но из­ме­рить тем­пе­ра­ту­ру тела и по ней су­дить о ко­ли­че­стве по­гло­щен­ной в еди­ни­цу вре­ме­ни энер­гии. В ка­че­стве чув­стви­тель­но­го эле­мен­та можно взять тон­кую ме­тал­ли­че­скую пла­сти­ну, по­кры­тую тон­ким слоем сажи, и по на­гре­ва­нию пла­сти­ны су­дить об энер­гии из­лу­че­ния в дан­ной части спек­тра.

Окрас­ка раз­лич­ных пред­ме­тов, осве­щен­ных одним и тем же ис­точ­ни­ком света (на­при­мер, Солн­цем), бы­ва­ет весь­ма раз­но­об­раз­на. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что свет, па­да­ю­щий на пред­мет, ча­стич­но от­ра­жа­ет­ся (рас­се­и­ва­ет­ся), ча­стич­но про­пус­ка­ет­ся и ча­стич­но по­гло­ща­ет­ся им. Доля све­то­во­го по­то­ка, участ­ву­ю­ще­го в каж­дом из этих про­цес­сов, опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью со­от­вет­ству­ю­щих ко­эф­фи­ци­ен­тов: от­ра­же­ния, про­пус­ка­ния, по­гло­ще­ния.

Эти ко­эф­фи­ци­ен­ты могут за­ви­сеть от длины све­то­вой волны, по­это­му при осве­ще­нии тел на­блю­да­ют­ся раз­лич­ные све­то­вые эф­фек­ты. Тела, у ко­то­рых ко­эф­фи­ци­ент по­гло­ще­ния бли­зок к еди­ни­це, будут чер­ны­ми не­про­зрач­ны­ми те­ла­ми, а те тела, у ко­то­рых ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния бли­зок к еди­ни­це, будут бе­лы­ми не­про­зрач­ны­ми те­ла­ми.

Кроме обо­зна­че­ния цвета  — крас­ный, жел­тый, синий и т. д.  — мы не­ред­ко раз­ли­ча­ем цвет по на­сы­щен­но­сти, то есть по чи­сто­те от­тен­ка, от­сут­ствию бе­ле­со­ва­то­сти. При­ме­ром глу­бо­ких или на­сы­щен­ных цве­тов яв­ля­ют­ся спек­траль­ные цвета. В них пред­став­ле­на узкая об­ласть длин волн без при­ме­си дру­гих цве­тов. Цвета же тка­ней и кра­сок, по­кры­ва­ю­щих пред­ме­ты, обыч­но бы­ва­ют менее на­сы­щен­ны­ми и в боль­шей или мень­шей сте­пе­ни бе­ле­со­ва­ты­ми.

При­чи­на в том, что ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния боль­шин­ства кра­ся­щих ве­ществ не равен нулю ни для одной длины волны. Таким об­ра­зом, при осве­ще­нии окра­шен­ной в крас­ный цвет ткани белым све­том мы на­блю­да­ем в рас­се­ян­ном свете пре­иму­ще­ствен­но одну об­ласть цвета (крас­ную), но к ней при­ме­ши­ва­ет­ся за­мет­ное ко­ли­че­ство и дру­гих длин волн, да­ю­щих в со­во­куп­но­сти белый свет. Но если такой рас­се­ян­ный тка­нью свет с пре­об­ла­да­ни­ем од­но­го цвета (на­при­мер, крас­но­го) на­пра­вить не прямо в глаз, а за­ста­вить вто­рич­но от­ра­зить­ся от той же ткани, то доля пре­об­ла­да­ю­ще­го цвета уси­лит­ся по срав­не­нию с осталь­ны­ми, и бе­ле­со­ва­тость умень­шит­ся. Мно­го­крат­ное по­вто­ре­ние та­ко­го про­цес­са может при­ве­сти к по­лу­че­нию до­ста­точ­но на­сы­щен­но­го цвета.

По­верх­ност­ный слой любой крас­ки все­гда рас­се­и­ва­ет белый свет в ко­ли­че­стве не­сколь­ких про­цен­тов. Это об­сто­я­тель­ство пор­тит на­сы­щен­ность цве­тов кар­тин. По­это­му кар­ти­ны, на­пи­сан­ные мас­ля­ны­ми крас­ка­ми, обыч­но по­кры­ва­ют слоем лака. За­ли­вая все не­ров­но­сти крас­ки, лак со­зда­ет глад­кую зер­каль­ную по­верх­ность кар­ти­ны. Белый свет от этой по­верх­но­сти не рас­се­и­ва­ет­ся во все сто­ро­ны, а от­ра­жа­ет­ся в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии. Ко­неч­но, если смот­реть на кар­ти­ну из не­удач­но вы­бран­но­го по­ло­же­ния, то такой свет будет очень ме­шать (от­све­чи­вать). Но если рас­смат­ри­вать кар­ти­ну с дру­гих по­ло­же­ний, то бла­го­да­ря ла­ко­во­му по­кры­тию белый свет от по­верх­но­сти в этих на­прав­ле­ни­ях не рас­про­стра­ня­ет­ся, и цвета кар­ти­ны вы­иг­ры­ва­ют в на­сы­щен­но­сти.

Тем­пе­ра­ту­ра у по­верх­но­сти Земли за­ви­сит от от­ра­жа­тель­ной спо­соб­но­сти пла­не­ты  — аль­бе­до. Аль­бе­до по­верх­но­сти  — это от­но­ше­ние по­то­ка энер­гии от­ра­жен­ных сол­неч­ных лучей к по­то­ку энер­гии па­да­ю­щих на по­верх­ность сол­неч­ных лучей, вы­ра­жен­ное в про­цен­тах или долях еди­ни­цы. Аль­бе­до Земли в ви­ди­мой части спек­тра  — около 40%. В от­сут­ствие об­ла­ков оно было бы около 15%.

Аль­бе­до за­ви­сит от мно­гих фак­то­ров: на­ли­чия и со­сто­я­ния об­лач­но­сти, из­ме­не­ния лед­ни­ков, вре­ме­ни года и со­от­вет­ствен­но от осад­ков. В 90-х годах XX века стала оче­вид­на зна­чи­тель­ная роль аэро­зо­лей  — мель­чай­ших твер­дых и жид­ких ча­стиц в ат­мо­сфе­ре. При сжи­га­нии топ­ли­ва в воз­дух по­па­да­ют га­зо­об­раз­ные ок­си­ды серы и азота; со­еди­ня­ясь в ат­мо­сфе­ре с ка­пель­ка­ми воды, они об­ра­зу­ют сер­ную, азот­ную кис­ло­ты и ам­ми­ак, ко­то­рые пре­вра­ща­ют­ся потом в суль­фат­ный и нит­рат­ный аэро­зо­ли. Аэро­зо­ли не толь­ко от­ра­жа­ют сол­неч­ный свет, не про­пус­кая его к по­верх­но­сти Земли. Аэро­золь­ные ча­сти­цы слу­жат яд­ра­ми кон­ден­са­ции ат­мо­сфер­ной влаги при об­ра­зо­ва­нии об­ла­ков и тем самым спо­соб­ству­ют уве­ли­че­нию об­лач­но­сти. А это, в свою оче­редь, умень­ша­ет при­ток сол­неч­но­го тепла к зем­ной по­верх­но­сти.

Про­зрач­ность для сол­неч­ных лучей в ниж­них слоях зем­ной ат­мо­сфе­ры за­ви­сит также от по­жа­ров. Из-за по­жа­ров в ат­мо­сфе­ру под­ни­ма­ет­ся пыль и сажа, ко­то­рые плот­ным экра­ном за­кры­ва­ют Землю и уве­ли­чи­ва­ют аль­бе­до по­верх­но­сти.

На ско­рость света не вли­я­ет ни ско­рость ис­точ­ни­ка света, ни ско­рость на­блю­да­те­ля. По­сто­ян­ство ско­ро­сти света в ва­ку­у­ме имеет огром­ное зна­че­ние для фи­зи­ки и аст­ро­но­мии. Од­на­ко ча­сто­та и длина све­то­вой волны ме­ня­ют­ся с из­ме­не­ни­ем ско­ро­сти ис­точ­ни­ка или на­блю­да­те­ля. Этот факт из­ве­стен как эф­фект До­пле­ра.

Пред­по­ло­жим, что ис­точ­ник, рас­по­ло­жен­ный в точке О, ис­пус­ка­ет свет с дли­ной волны λ₀. На­блю­да­те­ли в точ­ках A и B, для ко­то­рых ис­точ­ник света на­хо­дит­ся в покое, за­фик­си­ру­ют из­лу­че­ние с дли­ной волны λ₀ (рис. 1). Если ис­точ­ник света на­чи­на­ет дви­гать­ся со ско­ро­стью v, то длина волны ме­ня­ет­ся. Для на­блю­да­те­ля A, к ко­то­ро­му ис­точ­ник света при­бли­жа­ет­ся, длина све­то­вой волны умень­ша­ет­ся. Для на­блю­да­те­ля B, от ко­то­ро­го ис­точ­ник света уда­ля­ет­ся, длина све­то­вой волны уве­ли­чи­ва­ет­ся (рис. 2). Так как в ви­ди­мой части элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния наи­мень­шим дли­нам волн со­от­вет­ству­ет фи­о­ле­то­вый свет, а наи­боль­шим  — крас­ный, то го­во­рят, что для при­бли­жа­ю­ще­го­ся ис­точ­ни­ка света на­блю­да­ет­ся сме­ще­ние длины волны в фи­о­ле­то­вую сто­ро­ну спек­тра, а для уда­ля­ю­ще­го­ся ис­точ­ни­ка света  — в крас­ную сто­ро­ну спек­тра.

Из­ме­не­ние длины све­то­вой волны за­ви­сит от ско­ро­сти ис­точ­ни­ка от­но­си­тель­но на­блю­да­те­ля (по лучу зре­ния) и опре­де­ля­ет­ся фор­му­лой До­пле­ра:

Эф­фект До­пле­ра нашел ши­ро­кое при­ме­не­ние, в част­но­сти в аст­ро­но­мии, для опре­де­ле­ния ско­ро­стей ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния.

Рис. 1

Рис. 2

Мираж яв­ля­ет­ся оп­ти­че­ским яв­ле­ни­ем в ат­мо­сфе­ре, ко­то­рое де­ла­ет ви­ди­мы­ми пред­ме­ты, ко­то­рые в дей­стви­тель­но­сти на­хо­дят­ся вдали от места на­блю­де­ния, отоб­ра­жа­ет их в ис­ка­жен­ном виде или со­зда­ет мни­мое изоб­ра­же­ние.

Ми­ра­жи бы­ва­ют не­сколь­ких видов: ниж­ние, верх­ние, бо­ко­вые ми­ра­жи и дру­гие. Об­ра­зо­ва­ние ми­ра­жей свя­за­но с ано­маль­ным из­ме­не­ни­ем плот­но­сти в ниж­них слоях ат­мо­сфе­ры (что, в свою оче­редь, свя­за­но с быст­ры­ми из­ме­не­ни­я­ми тем­пе­ра­ту­ры).

Ниж­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют пре­иму­ще­ствен­но в тех слу­ча­ях, когда слои воз­ду­ха у по­верх­но­сти Земли (на­при­мер, в пу­сты­не) очень силь­но разо­гре­ты и их плот­ность ста­но­вит­ся ано­маль­но низ­кой. Лучи света, ко­то­рые ис­хо­дят от пред­ме­тов, на­чи­на­ют пре­лом­лять­ся и силь­но ис­крив­лять­ся. Они опи­сы­ва­ют дугу у по­верх­но­сти и под­хо­дят к глазу снизу. В таком слу­чае можно уви­деть пред­ме­ты как будто зер­каль­но от­ра­жен­ны­ми в воде, а на самом деле это пе­ре­вер­ну­тые изоб­ра­же­ния от­да­лен­ных объ­ек­тов (рис. 1). А мни­мое изоб­ра­же­ние неба со­зда­ет при этом ил­лю­зию воды на по­верх­но­сти.

Рис. 1. Схема по­яв­ле­ния ниж­не­го ми­ра­жа

Верх­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют над силь­но охла­жден­ной по­верх­но­стью, когда над слоем хо­лод­но­го воз­ду­ха у по­верх­но­сти об­ра­зу­ет­ся более теп­лый верх­ний слой (рис. 2). Верх­ние ми­ра­жи яв­ля­ют­ся наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ны­ми в по­ляр­ных ре­ги­о­нах, осо­бен­но на боль­ших ров­ных льди­нах со ста­биль­ной низ­кой тем­пе­ра­ту­рой. Изоб­ра­же­ния пред­ме­тов, на­блю­да­е­мые прямо в воз­ду­хе, могут быть и пря­мы­ми, и пе­ре­вер­ну­ты­ми.

Рис. 2. Схема по­яв­ле­ния верх­не­го ми­ра­жа

По мере при­бли­же­ния к по­верх­но­сти Земли плот­ность ат­мо­сфе­ры рас­тет (рис. 3).

Рис. 3. Из­ме­не­ние плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той от­но­си­тель­но уров­ня моря