# data[].attributes.attachment_link.readable_text
Наука

Атмосферная оптика

Atmospheric optics, Phénomène optique, Atmosphärische Optik

Тема

Физика атмосферы

Предмет изучения

распространение оптического излучения в атмосфере; радуги, изменения цвета неба, рассеяние; поглощение, преломление, отражение, дифракция ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения атмосферной радиации, поляризация небесного света в атмосферах Земли и планет.

Период зарождения

IV в. до н. э.

Основные направления

аэрозоли, планетные атмосферы, оптика моря, оптика коллоидов

Вспомогат. дисциплины

Оптика, астрофизика, океанология, метеорология

Центры исследований

Академия наук РФ совместно с Федеральным управлением гидрометеорологической службы РФ, Институт оптики атмосферы имени В. Е. Зуева СО РАН, Университет Пьера и Марии Кюри (Франция), Оптическое общество (OSA, США), Американский институт физики, Общество Макса Планка (Германия)

Значительные учёные

Дж. Г. Стокс, В. Е. Зуев, В. В. Шаронов, В. Г. Фесенков, В. А. Амбарцумян, В. В. Шулейкин, Субраманьян Чандрасекар, Х. Хюлст, В. В. Шулейкин, В. А. Фок, П. И. Броунов, К. Я. Кондратьев, В. В. Соболев, Г. И. Вильд, Г. А. Тихов, Б. И. Срезневский, О. Д. Хвольсон

Медиафайлы на Викискладе

Атмосферная оптика - раздел физики атмосферы, изучающий процессы распространения оптического излучения в атмосфере. Атмосферная оптика исследует физические и химические процессы, определяющие оптическое состояние атмосферы, механизмы формирования и изменения климата, основанные на оптически значимых составляющих атмосферы, а также процессы в атмосфере, определяющие радиационный режим и климат Земли. В рамках физической оптики также разрабатываются методы исследования окружающей среды.

Разделы атмосферной оптики включают в себя молекулярную спектроскопию, распространение оптических волн, атмосферную коррекцию, дистанционную диагностику окружающей среды, эволюцию оптических характеристик под воздействием природных и антропогенных факторов.

Атмосферная оптика тесно связана с изучением оптики коллоидов и аэрозолей, планетных атмосфер, оптики моря, радиационной теплопередачи и др. С атмосферной оптикой связано открытие явления рассеяния излучения, определение числа Авогадро, доказательство молекулярного строения атмосферы и кинетическая теория газов и др. Атмосферная оптика находит применение в решении проблем физической химии, астрофизики, океанологии, техники, метеорологии, транспорта, агротехники, светотехники, курортологии, астрофизики и т. д.

Атмосферная оптика является одной из наиболее древних наук, она зародилась несколько тысяч лет назад, когда человек впервые начал систематизировать свои наблюдения за небом. До начала XX века в атмосферной оптике преимущественно использовались методы визуального наблюдения, учёных в первую очередь интересовали феноменологические явления: зори, радуги, гало, венцы, глории, миражи, ложные солнца, цвет неба и облаков. Указанные явления происходят при рассеянии световых лучей от солнца в атмосфере и сильно зависят от длин волн излучения.. Современная атмосферная оптика изучает распространение, трансформацию, а также генерацию электромагнитных волн в широком диапазоне длин волн: от ультрафиолета до радиоизлучения.

В IV в. до н. э. Аристотель в своей " Метеорологике" писал об иллюзии увеличения размеров Солнца, Луны, созвездий и других объектов на небосводе, находящихся близко к горизонту (примерная разница в размерах достигает 3-4 раза). Аристотель объяснял данную иллюзию астрономической рефракцией, то есть увеличением размеров объектов, создаваемым атмосферой. Во II веке Птоломей объяснил иллюзию тем, что в расстоянии от человека до Луны нет последовательности промежуточных объектов, поэтому Луна кажется больше на горизонте. В XI веке арабский ученый Альгазен в "Book of Optics" предположил, что иллюзия происходит в голове у человека и является субъективным явлением. В XIII веке Роджер Бэкон, Витело и Джон Пекхам (John Peckham), основываясь на Альгазене, объясняли иллюзию психофизиологическим особенностями нашего зрения, подтверждая тем самым теорию Альгазена и отвергая теорию Птоломея. В наши дни данная иллюзия объясняется особенностью человеческого восприятия. Для человека небо представляется в виде сплюснутого купола, на котором и располагаются все небесные объекты. В такой проекции объекты вблизи горизонта кажутся более удаленными чем те, что расположены в зените. Поэтому объект одного размера визуально увеличивается при проектировании на горизонт и уменьшается - при проектировании на зенит. Тем не менее, в книге Хелена Росса (2002) "Загадка лунной иллюзии", в которой рассматриваются различные теории, объясняющие иллюзию, автор приходит к выводу, что "ни одна теория не победила".

В XVI веке Леонардо да Винчи объяснял синеву небесного свода тем, что белый воздух на тёмном фоне мирового пространства кажется синим. Л. Эйлер считал (1762), что "сами частицы воздуха имеют синеватый оттенок и в общей массе создают интенсивную синеву". В начале XVIII века И. Ньютон объяснял цвет неба интерференционным отражением солнечного света от мельчайших капель воды, всегда взвешенных в воздухе. Вопрос синего неба настолько волновал учёных, что они проводили эксперименты по рассеянию света в жидкостях и газах. Об этом говорят названия их работ: "О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще" Д. Тиндаля, "Моделирование голубого цвета неба" и т. п. Точку в вопросе о цвете неба поставили физики Рэлей, Л. И. Мандельштам и др. Они объяснили синий цвет неба тем, что свет с более короткими длинами волн (синий участок видимого спектра) лучше рассеивается на флуктуациях плотности воздуха (случайно расположенные сгущения и разрежения). В 1908 и 1910 годах теория рассеяния света на флуктуациях воздуха была развита М. Смолуховским и А. Эйнштейном.

В 1890 году было предложено уравнение, на котором основан метод расчёта распределения яркости и поляризации по небу с учётом многократности рассеяния света и отражения от земной поверхности. Оно получило название "уравнение переноса". Впервые его предложил российский физик О. Д. Хвольсон. При рассмотрении безоблачного неба влияние многократного рассеяния является незначительным. Однако при рассмотрении облаков, которые являются сильно мутными средами, многократное рассеяние является важным фактором. Без этого фактора нельзя правильно рассчитать отражение, прозрачность облаков и световой режим внутри них.

Е. С. Кузнецов (1943-1945) отказался от попытки получить аналитическое решение уравнения, так как при расчётах видимости требовалось учитывать большое количество факторов. Он решал задачу методом последовательных приближений в численной форме и изучал сходимость последовательных приближений. Также совместно с Б. В. Овчинским (1949) были получены подробные таблицы яркости атмосферы для различных оптических толщин, величин альбедо и разной высоты Солнца. Обширное исследование как разнообразных факторов, влияющих на наклонную дальность видимости, так и теоретических основ её расчета было проведено В. А. Краттом в 1946 году. По этой теме работали: советские учёные В. А. Амбарцумян (1941-1943, получил уравнения для непосредственного определения коэффициентов яркости отраженного пучка), В. В. Соболев (1956, разработал метод расчета свечения мутных сред при произвольном расположении источников излучения); индийский учёный С. Чандрасекар (1950) и другие.

Исследованиями яркости и поляризации неба занимались такие советские учёные как В. Г. Фесенков, И. И. Тихановский, Е. В. Пясковская-Фесенкова ( основной её вывод заключается в том, что если исключить случаи высокой мутности, то большую часть наблюдений над яркостью неба можно интерпретировать при учете только рассеяния прямого солнечного света. Это связано с прозрачностью атмосферы для видимой радиации), Г. Д. Стамов и их учениками. В исследованиях прозрачности облаков, нижних слоев атмосферы, туманов участвовали: А. А. Лебедев, И. А. Хвостиков, С. Ф. Родионов; американские учёные Д. Стреттон и Г. Хаутон; французские учёные: Э. и А. Васей, Ж. Брикар.

Образование аэрозолей в атмосфере обусловлено производственной деятельностью человека, лесными пожарами, извержениями вулканов, биологическими процессами и другими причинами. Видное место в образовании аэрозолей занимают такие газы как диоксид серы (SO 2), сероводород (H 2S), аммиак (NH 2)[уточнить ]. Содержание аэрозольных частиц в стратосфере увеличивается тогда, когда проходят мощные вулканические извержения, что приводит к изменению оптических характеристик стратосферы, которые сохраняются в ней в течение одного-двух лет после извержения.

Теория рассеяния и поглощения света частицами аэрозоля была дополнена и развита советскими учёными В. В. Шулейкиным (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифриным (рассматривал прозрачность дождей для видимой радиации, 1951) и голландским учёным ван Хюлстом (1957). Было установлено, что характер рассеяния зависит от отношения радиуса частицы к длине волны и от вещества частицы. В теории Рэлея молекулы вещества ведут себя так же, как и небольшие частицы, однако всё меняется при значительном увеличении размера частицы. В этом случае зависимость рассеяния от длины волны ослабевает и оказывается, что большие частицы рассеивают свет нейтрально. Данный факт объясняет белый цвет облаков, поскольку радиусы капель облаков в 10-20 раз больше длины волны видимого света. Так же белесоватый цвет неба объясняется тем, что воздух содержит пыль или капельки воды.

В 1960 году изучал прозрачность снегопадов И. Л. Зельманович.

Постоянно делались попытки установить прямые связи между световыми явлениями неба и изменениями погоды. В 1924 году была опубликована монография П. И. Броунова, в которой поднимались вопросы, связанные с изучением признаков погоды по световым явлениям атмосферы. В книге систематизированы наблюдения Г. А. Тихова, Г. И. Вильда, Б. И. Срезневского и других авторов. В книге установлен ряд эмпирических закономерностей. Это направление, однако, в дальнейшем не получило большого развития. Тем не менее, изучая физику оптических явлений и изучая явления, вызывающие изменения погоды, можно попытаться найти связь между погодой и оптическими явлениями.

По этому направлению работали И. И. Тихановский (1927, разработал измеритель видимости), В. В. Шаронов (1934, разработал дымкомер) Е. С. Кузнецов (1943), Б. В. Овчинский (1943), О. Д. Бартенева, Н. Г. Болдырев и другие. Были созданы приборы по измерению видимости такие как ДМ-7 (1948), ИВ-ГГО (1953), нефелометры КОЛ-8 и КОЛ-10, регистратор прозрачности М-37 (1960, применяется для аэропортов), специальный поляризационный измеритель видимости М-53 (1963) и другие.

Перенос теплового излучения является одним из основных факторов теплопередачи в атмосфере. Тепловое излучение находится в диапазоне от 3 до 50 мкм, и его влиянием часто можно пренебречь при исследованиях в "чистой" атмосфере, поскольку для длинных волн эффект рассеяния не существенен. В то же время расчет переноса тепловых волн в реальной атмосфере оказывается трудоемким, поскольку в атмосфере существуют газы с полосами сильного поглощения и излучения в спектре. В частности, это спектры таких поглощающих газов как водяной пар (H 2O), углекислый газ (CO 2), озон (O 3) и других парниковых газов. Задача усложняется тем, что спектр этих газов может изменяться с температурой и давлением, а следовательно, весьма изменчив в реальной атмосфере. Впервые эту проблему проанализировал А. В. Либединский (1939). Также темой переноса теплового излучения занимались советские учёные В. Г. Кастров, Б. С. Непорент, который предложил метод определения содержания водяного пара в атмосфере), Е. М. Фейгельсон и американские - Д. Хоуард и Р. Гуд.

К. Я. Кондратьев выполнил подробные расчеты по этой теме (1949, 1950, 1956, 1966). В монографии, вышедшей в 1956 году, были рассмотрены вопросы радиационного теплообмена в атмосфере: данные о спектре поглощающих газов, методы измерения потоков излучения, приближённые методы расчетов, результаты расчётов и измерений потоков теплового излучения в атмосфере. В его трудах - монографии о лучистой энергии Солнца (1954) и книге о лучистом теплообмене (1956) - содержится обзор исследований в области актинометрии и атмосферной оптики.

Атмосферная оптика объясняет большое количество видимых явлений в атмосферах Земли и других планет. Так, синий цвет неба обусловлен рэлеевским рассеянием. Гало объясняется рассеиванием света на кристалликах льда и других частицах в атмосфере. Миражи объясняются тем, что лучи света изгибаются из-за колебаний температуры воздуха и тем самым перемещают изображение объекта. Фата-моргана объясняется температурной инверсией. Радуга объясняется сочетанием внутреннего отражения и дисперсионного преломления света в каплях дождя.

Мираж - оптическое явление в атмосфере, при котором лучи света изгибаются так, что происходит перемещение изображения предмета.

В отличие от галлюцинаций, мираж является реальным оптическим явлением, которое может быть снято на камеру, так как лучи света на самом деле преломляются и формируют ложное изображение, которое наблюдается при мираже. Разновидностью миража является фата-моргана, состоящая из нескольких форм миражей, когда отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями.

Фата-моргана является очень сложной формой миража, которая видна в узкой полосе прямо над горизонтом. Название произошло от Феи Морганы, одной из действующих лиц цикла легенд о короле Артуре. По легенде, этот мираж создаёт колдунья. Он демонстрирует сказочные замки в воздухе или несуществующие земли, предназначенные для того, чтобы заманить моряков на смерть.

Фата-моргану можно увидеть на суше или на море, в полярных регионах или в пустынях. Этот тип миража может включать практически любой вид удалённого объекта, в том числе такие как корабли, острова и побережья.

Зелёный луч - оптическое явление, которое происходит вскоре после заката или перед восходом солнца и выглядит как вспышка зелёного света, длящаяся несколько секунд. Зелёный луч можно наблюдать и с Луны, и на ярких планетах на горизонте, в том числе на Венере и Юпитере.

Сумеречные лучи - почти параллельные лучи солнечного света, проходящие через атмосферу Земли, но кажущиеся расходящимися из-за линейной перспективы. Сумеречные лучи можно иногда рассмотреть под водой, особенно в арктических районах. Они появляются из шельфовых ледников или трещин во льду.

Это преломление в атмосфере световых лучей от небесных светил, которое происходит таким образом, что фактическое положение светила находится ниже, чем наблюдаемое. По этой причине моряки не делают вычисления по звёздам, когда они на высоте 20° и ниже над горизонтом. А астрономы наблюдают только звёзды, которые расположены высоко в небе.

Нехарактерный цвет светила можно наблюдать, когда свет рассеивается на крупных частицах, взвешенных в атмосфере, таких как пыль, дым или водяной пар. В таком случае, в отличие от случая, когда свет проходит через чистый воздух, свет от Солнца или Луны с длинными волнами (красный, оранжевый, жёлтый) рассеивается сильнее, чем коротковолновый (синий, голубой, зелёный).

Примеры:

Солнце можно наблюдать зелёным во время песчаных или пыльных бурь или после них, когда в атмосфере находится большое количество мелких частиц пыли. При этом солнце может принимать желтоватую или даже красноватую окраску.

Если посмотреть на Солнце днём через клубы пара с мелкими капельками (то есть в первые его моменты), то можно наблюдать голубое Солнце.

Голубая окраска Луны или Солнца возникает на восходе или закате, когда идёт задымление от интенсивного извержения вулкана взрывного типа или при сильных пожарах. К примеру, данный эффект был зафиксирован 26-28 сентября 1951 года, когда по Европе распространился дым от громадных лесных пожаров, в это же время в Канаде можно было наблюдать голубое Солнце при восходе. В 1985 году после извержения вулкана Мауна-Лоа на Гавайских островах можно было наблюдать голубую восходящую Луну. Такая окраска Солнца или Луны при восходе или заходе имела место и при других интенсивных вулканических извержениях.

Цвет облаков много рассказывает о процессах, происходящих внутри облака. Плотные облака в тропосфере демонстрируют высокую отражательную способность (от 70 % до 95 %) по всей видимой области спектра. Мелкие частицы воды расположены близко друг к другу; солнечный свет, рассеиваясь на них, не может проникнуть далеко в облако и быстро выходит наружу, придавая облаку характерный белый цвет. Капельки на облаках, как правило, рассеивают свет эффективней, так что интенсивность солнечного излучения уменьшается. В результате цвет нижней границы облаков может измениться от светлого до очень тёмно-серого в зависимости от толщины облака и количества отражаемого или передаваемого к наблюдателю света.

Если облако достаточно велико, и капли разнесены достаточно далеко друг от друга, то свет, который входит в облако, не отражается, а поглощается. Этот процесс отражения и поглощения придает облакам оттенки цвета в диапазоне от белого до чёрного.

Голубовато-серый цвет облака является результатом рассеяния света в облаке. В видимой области спектра коротковолновые (синие и зелёные) лучи света легче рассеиваются каплями воды, а длинноволновые (красные и оранжевые) лучи поглощаются. Синеватый цвет говорит о скором дожде.

Красные, оранжевые и розовые облака возникают на восходе и закате и являются результатом рассеяния солнечного света в атмосфере, когда высота Солнца менее 10 градусов. Облака отражают длинноволновые нерассеянные лучи солнечного света, которые являются преобладающими в эти часы.

Газовый гигант Юпитер известен своими разноцветными облаками. Атмосфера Юпитера имеет температуру −153 °C, при которой атмосфера должна быть бесцветной. Красочный цвет облаков можно объяснить тем, что водородные соединения поднимаются из теплых слоев атмосферы в верхний холодный слой, тем самым его окрашивая. Также цвет облаков объясняется примесями соединений серы и других сложных соединений, поднимаемых из глубины планеты на поверхность. По цвету облака на Юпитере можно определить его высоту. Например, голубые облака - низкие, красные - высокие. Окраска облаков постоянно меняется.

В рамках атмосферной оптики решаются следующие задачи

Прямые задачи: изучение оптических свойств воздуха, моря и суши.

Исследование условий, влияющих на горизонтальную и наклонную видимость (на фоне неба или Земли). Этой темой занимались советские учёные В. В. Шаронов (рассмотрел различные факторы, определяющие дальность видимости, 1947), Н. Г. Болдырев, В. А. Берёзкин, В. А. Фаас (разработал специальную классификацию атмосферной дымки в связи с задачами аэрофотосъемки и наклонной видимости, 1932); немецкий учёный Х. Кошмидер; канадский учёный Д. Мидлтон.

Обратные задачи: определение по измеренным оптическим свойствам воздуха, моря и суши других их физических характеристик; оптические методы исследования стратосферы по наблюдениям сумеречного света с применением эмпирических данных; определение спектра частиц по особенностям светорассеяния; определение температуры земной поверхности или облаков по характеру излучения; определение вертикального профиля температуры и влажности; решение задач с разработкой методов зондирования атмосферы с метеорологических искусственных спутников Земли (например, определение температуры земной поверхности или облаков по характеру излучения, достигающего спутник) и другие. Задачи состоят в разработке оптических методов зондирования. Однако существуют проблемы при такой разработке: нужно установить, что в оптической информации содержатся нужные данные; необходимо указать способ их извлечения и необходимую точность измерений

Актуальным остается исследование оптических характеристик атмосферы на различных высотах. Многочисленные экспериментальные исследования производятся для различных участков спектра и при различных гелиогеофизических условиях. Исследования производятся с земли и с летательных аппаратов. Наземные измерения обеспечивают учёных материалом для исследования в оптической характеристике приземного слоя. Также с земной поверхности можно производить оптическое зондирование более высоких слоев атмосферы, с использованием прожекторных, лазерных, сумеречных методов. Однако при использовании таких методов приходится сталкиваться с трудностями методического характера по освобождению получаемой информации от влияния нижних (плотных) слоев атмосферы. Данная проблема отсутствует при использовании аэростатных, ракетных и спутниковых методов исследований. Тем не менее, здесь также возникают проблемы, связанные с высотной привязкой результатов наблюдений, с определением ориентации оптической оси аппаратуры при наблюдениях, с решением обратных задач (особенно при спутниковых измерениях).

Работы по атмосферной оптике освещаются на Международных симпозиумах по отдельным проблемам, на всесоюзных межведомственных совещаниях по актинометрии и атмосферной оптике. Атмосферная оптика изучается в следующих институтах и научных организациях:

Броунов П. И. Атмосферная оптика. - М, 1924.

Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. - М-Л, 1951.

Пясковская-Фесенкова Е. В. Исследование рассеяния света в земной атмосфере. - М, 1957.

Розенберг Г. В. Сумерки. - М, 1963.

Кондратьев К. Я. Актинометрия. - Л, 1965.

Xюлст Г. Рассеяние света малыми частицами, пер. с англ. - М, 1961.

Зуев В. Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. - М, 1970.

Мак-Картни Э. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. - Новосибирск, 1976.

В. А. Смеркалов. Оптика атмосферы, пер. с англ. - М, 1979.

(англ.) Thomas D. Rossing and Christopher J. Chiaverina, Light Science: Physics and the Visual Arts, Springer, New York, 1999, hardback, ISBN 0-387-98827-0

(англ.) Robert Greenler, Rainbows, Halos, and Glories, Elton-Wolf Publishing, 1999, hardback, ISBN 0-89716-926-3

(англ.) Polarized Light in Nature, G. P. Können, Translated by G. A. Beerling, Cambridge University Press, 1985, hardcover, ISBN 0-521-25862-6

(англ.) M.G.J. Minnaert, Light and Color in the Outdoors, ISBN 0-387-97935-2

(англ.) John Naylor "Out of the Blue: A 24-hour Skywatcher's Guide", CUP, 2002, ISBN 0-521-80925-8

# data[].attributes.attachment_link.title
Атмосферная оптика - Википедия

# data[].attributes.attachment_link.description
Наука Атмосферная оптика Atmospheric optics, Phénomène optique, Atmosphärische Optik Тема Физика атмосферы Предмет изучения распространение оптического излучения в атмосфере; радуги, изменения цвета неба, рассеяние; поглощение, преломление, отражение, дифракция ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения атмосферной радиации, поляризация небесного света в атмосферах Земли и планет. Период зарождения IV в. до н. э.

# data[].attributes.headline
Нестеров Кирилл

# data[].attributes.subject
Нестеров Кирилл

# data[].attributes.headline
Гладышева Алёна

# data[].attributes.subject
Гладышева Алёна

# data[].attributes.headline
Гладышева Алёна

# data[].attributes.subject
Гладышева Алёна

# data[].attributes.headline
Пименова Алёна 

# data[].attributes.body
Пименова Алёна

# data[].attributes.headline
Борисова Олеся

# data[].attributes.body
Борисова Олеся

# data[].attributes.headline
Малеткина Ксения

# data[].attributes.subject
Малеткина Ксения

# data[].attributes.headline
Шарова Ксения

# data[].attributes.subject
Шарова Ксения

# data[].attributes.headline
Коробова Мария

# data[].attributes.subject
Коробова Мария

# data[].attributes.headline
Коробова Мария

# data[].attributes.subject
Коробова Мария

# data[].attributes.headline
Козлова Мария

# data[].attributes.body
Козлова Мария

# data[].attributes.headline
Скачков Артём 

# data[].attributes.body
Скачков Артём

# data[].attributes.headline
Путоркина Мария

# data[].attributes.subject
Путоркина Мария

# data[].attributes.headline
Подлесова Ирина

# data[].attributes.body
Подлесова Ирина

# data[].attributes.attachment_caption
Безделёв Сергей

# data[].attributes.body
Скокова Д

# data[].attributes.headline
Воробьева Вероника

# data[].attributes.subject
Воробьева Вероника

# data[].attributes.headline
Подлесова Ирина

# data[].attributes.body
Подлесова Ирина

# data[].attributes.headline
Мерлушкин Андрей 

# data[].attributes.body
Мерлушкин Андрей

# data[].attributes.headline
Евгений Булычёв 

# data[].attributes.body
Евгений Булычёв

# data[].attributes.headline
Евгений Булычёв

# data[].attributes.subject
Евгений Булычёв

# data[].attributes.body
Монета становится видна в бокале с водой, поскольку лучи преломляются на границе воздуха и воды, а наша камера видит изображение монеты, возникающее там, где пересекаются продолжения падающих лучей.

# data[].attributes.headline
Сплав-хамелеон, способный менять структуру

# data[].attributes.subject
Сплав-хамелеон, способный менять структуру

# data[].attributes.headline
Традиционному шоколаду придали эффект радуги

# data[].attributes.subject
Традиционному шоколаду придали эффект радуги

# data[].attributes.body
Новая технология позволила добиться необычного эффекта радуги на шоколаде без использования красителей и добавок

# data[].attributes.headline
Дисперсия-разложение белого цвета в спектр.

# data[].attributes.subject
Дисперсия-разложение белого цвета в спектр.

# data[].attributes.body
Югай Павел

# data[].attributes.headline
Поглащение света 

# data[].attributes.subject
Поглащение света 

# data[].attributes.body
Ямолдина Карина

# data[].attributes.headline
Желто-оранжевый цвет неба как оптическое явление
[Фотография]

# data[].attributes.subject
Желто-оранжевый цвет неба как оптическое явление
[Фотография]

# data[].attributes.body
Кожухова Анастасия

# data[].attributes.headline
Рассеивание света Пр

# data[].attributes.body
Рассеивание света Прытков Дима

# data[].attributes.body
Рогова Анна

# data[].attributes.headline
Соснин Артём.

# data[].attributes.body
Соснин Артём.

# data[].attributes.headline
Интерференция 

# data[].attributes.subject
Интерференция 

# data[].attributes.body
Староверова Татьяна

# data[].attributes.body
Бутрина Любовь

# data[].attributes.body
один из видов гало, выглядит как светящееся кольцо вокруг источника света. Возникает вследствие преломления солнечного света.
Воронова Наташа.

# data[].attributes.body
Короткова Таня

# data[].attributes.headline
 Розовый цвет н

# data[].attributes.body
Розовый цвет неба как оптическое явление🌞🌆🌌( P.s Лена Макарова)

# data[].attributes.body
Дисперсия.
Радуга.
Разноцветная полоска в небе.
Бунегин Денис

# data[].attributes.headline
Поглощение света. Макарычев Андрей

# data[].attributes.subject
Поглощение света. Макарычев Андрей

# data[].attributes.headline
Прямолинейное распро

# data[].attributes.body
Прямолинейное распространение света. Тихонова Аня.

# data[].attributes.headline
Поглощение синей составляющей солнечного света

# data[].attributes.subject
Поглощение синей составляющей солнечного света

# data[].attributes.body
Зайцева Алёна

# data[].attributes.body
Искусственная радуга из поливального шланга

# data[].attributes.headline
Собирающая линза

# data[].attributes.subject
Собирающая линза

# data[].attributes.headline
Рассеивающая линза

# data[].attributes.subject
Рассеивающая линза

# data[].attributes.headline
Флуоресце́нция Родамина

# data[].attributes.subject
Флуоресце́нция Родамина

# data[].attributes.body
Слабенько, так как освещался ультрафиолетовыми светодиодами

# data[].attributes.headline
Флуоресце́нция эозина

# data[].attributes.subject
Флуоресце́нция эозина

# data[].attributes.headline
Флуоресце́нция флуоресцеина

# data[].attributes.subject
Флуоресце́нция флуоресцеина

# data[].attributes.headline
Флуоресценция

# data[].attributes.subject
Флуоресценция

# data[].attributes.body
флуоресцеин, эозин, родамин

# data[].attributes.attachment_link.title
Флуоресценция - Википедия

# data[].attributes.attachment_link.description
Флуоресценцию следует отличать от фосфоресценции - запрещенного по спину излучательного перехода между двумя состояниями разной мультиплетности. Например, излучательный переход возбужденного триплетного состояния T 1 в основное состояние S 0. Синглет-триплетные переходы имеют квантовомеханический запрет, поэтому время жизни возбужденного состояния при фосфоресценции составляет порядка 10 −3−10 −2 с.

# data[].attributes.headline
Структурный цвет

# data[].attributes.subject
Структурный цвет

# data[].attributes.attachment_link.readable_text
Изучив строение чешуек бабочек (Lepidoptera) юрского периода, ученые из Китая, Германии и Великобритании пришли к выводу, что для них был характерен металлический блеск с золотистым отливом. Это древнейшее сохранившееся свидетельство структурной окраски насекомых - до сих пор попытки ее реконструкции предпринимались только на материале кайнозойских бабочек и жуков возрастом менее 50 млн лет. Представление о том, как выглядели первые чешуекрылые, можно составить по ныне живущим зубатым молям (Micropterigidae) - чешуйки на крыльях устроены у них практически так же. Получается, эволюция в данном случае стояла на месте почти 200 млн лет.
Чаще всего об окраске древних существ приходится только гадать. Так, разноцветные пятна на боках динозавров, которые можно увидеть в фильмах и книжках - это всего лишь плод фантазии художника, в лучшем случае продиктованный косвенными соображениями об охотничьих повадках и брачных ритуалах. Но в последние годы в распоряжение ученых попадает все больше находок, позволяющих задокументировать окраску доисторических организмов напрямую.

Например, исследователи смогли сделать вывод об окраске ряда динозавров по чередованию светлых и темных перьев, сохранившихся рядом с их скелетом (F. M. Smithwick et al., 2017. Countershading and Stripes in the Theropod Dinosaur Sinosauropteryx Reveal Heterogeneous Habitats in the Early Cretaceous Jehol Biota). В окаменевших покровах ихтиозавра и мозазавра палеонтологи разглядели меланосомы, содержащие эумеланин, отвечающий за коричневый и черный цвета (J. Lindgren et al., 2014. Skin pigmentation provides evidence of convergent melanism in extinct marine reptiles). Наконец, у миоценовой змеи из семейства ужеобразных были выявлены окаменевшие пигментные клетки трех типов - меланофоры, содержащие меланин, иридифоры, отражающие свет, и ксантофоры, наполненные желтым пигментом (M. E. McNamara et al., 2014. Reconstructing Carotenoid-Based and Structural Coloration in Fossil Skin).

Как можно видеть, во всех этих случаях речь идет о реконструкции пигментной окраски. Она создается за счет присутствия пигмента (красящего вещества), который поглощает световые волны определенной длины и отражает всю остальную часть спектра, что и придает организму тот или иной цвет. Однако в природе не менее распространена структурная окраска - она достигается благодаря микроструктуре поверхности, вызывающей дифракцию или интерференцию света (наложение отраженных световых волн; подробнее о структурной окраске см., например, статью Т. Романовской Структурный цвет в живой природе). Избирательного поглощения света, как в случае пигментной окраски, при этом не происходит.

Особенно распространена структурная окраска среди насекомых - именно за счет нее переливаются всеми цветами радуги жуки и некоторые бабочки. Классическим примером структурной окраски являются бабочки-нимфалиды . Их крылья выглядят голубыми, но в реальности там содержится только коричневый пигмент эумеланин - голубой цвет создается благодаря интерференции света на чешуйках. Убедиться в этом позволяет простой эксперимент. Если капнуть на крыло Morpho жидкость с тем же коэффициентом преломления, что у кутикулы чешуек, то интерференция исчезает и крыло становится коричневым (рис. 1). Когда жидкость испаряется, голубая окраска возвращается вновь.

Ископаемые насекомые со светлыми и темными полосами на крыльях, указывающими на присутствие пигмента, попадаются довольно часто. Однако если крыло какой-нибудь древней стрекозы или мезозойской "бабочки" каллиграмматиды кажется нам коричневым, то это не значит, что таким оно было при жизни насекомого. Вдруг это крыло, как у бабочки Morpho, отливало голубым? Но микроскульптура, позволяющая увидеть или хотя бы реконструировать прижизненную структурную окраску насекомых, сохраняется в очень немногих случаях. Буйство красок былых времен, увы, исчезло безвозвратно.

Однако в виде исключения структурные цвета насекомых все же сохраняются (рис. 2). Самым впечатляющим примером являются жуки из эоценового местонахождения Мессель (возраст 47 млн лет). Многие златки, долгоносики, листоеды, найденные в его отложениях, сверкают прямо как современные. Там же была обнаружена бабочка-пестрянка (семейство Zygaenidae) с хорошо сохранившимися чешуйками. Исходя из строения ребер, покрывающих эти чешуйки, ученые вычислили, что передние крылья бабочки были желто-зелеными с синеватым окаймлением и коричневой вершиной (M. E. McNamara et al., 2011. Fossilized Biophotonic Nanostructures Reveal the Original Colors of 47-Million-Year-Old Moths; рис. 2, E).

До сих пор находки из Месселя считались древнейшим сохранившимся свидетельством структурной окраски насекомых. Однако авторы статьи, вышедшей недавно в журнале Science Advances, показали, что структурные цвета можно реконструировать и на куда более древнем материале. Ученые работали с юрскими чешуекрылыми (Lepidoptera) - именно в юрском периоде появились первые представители данного отряда. Юрские чешуекрылые представляли собой невзрачную мелкую моль, но, как выяснилось, даже эти крошки были не прочь "принарядиться".

Хорошо сохранившиеся чешуйки удалось разглядеть под сканирующим микроскопом у Archaeolepis mane - древнейшего чешуекрылого, найденного в отложениях нижней юры в Англии и жившего более 190 млн лет назад (рис. 3). Также чешуйки уцелели на отпечатках юрских молей, найденных в Германии и Казахстане (возраст - около 180 и 160 млн лет соответственно). Чешуйки у всех этих насекомых несут высокие параллельные ребра. Дно каждой ложбинки между этими ребрами покрыто косыми невысокими ребрышками, образующими рисунок в виде елочки. Эти косые невысокие ребрышки, в свою очередь, соединены между собой поперечными ребрышками.

Точно также чешуйки устроены у современных зубатых молей (Micropterigidae), крайне примитивных чешуекрылых, которые, в отличие от подавляющего большинства своих сородичей, не обзавелись хоботком и пользуются ротовым аппаратом грызущего типа (рис. 4). Судя по идентичной микроскульптуре, чешуйки современных зубатых молей и их юрских "прапрабабушек" обладали одними и теми же оптическими свойствами. Результаты компьютерного моделирования, проведенного авторами статьи, показывают, что главным оптическим эффектом таких чешуек является дифракция света на высоких параллельных ребрах. Благодаря ей крылья приобретает металлический блеск. Возможно, крылья юрских чешуекрылых отливали золотом - во всяком случае, узоры из ребрышек в виде елочки имеются на золотистых чешуйках современных Micropterigidae.

Это уже второе исследование за последние полгода, главным героем которого становятся чешуйки древнейших Lepidoptera. В предыдущей работе описывались чешуйки, извлеченные из буровых кернов конца триаса - начала юры. По ним был сделан вывод о существовании хоботковых чешуекрылых в начале юры (см. Хоботковые бабочки возникли до цветковых растений, "Элементы", 12.01.2018). Но главное, теперь ясно: каждая чешуйка бабочки - это своеобразный солдатский жетон, который сохраняется даже в том случае, если от остального тела ничего не осталось. На этом "жетоне" записана информация об его владельце - включая таксономическую принадлежность и данные об окраске крыльев. В дальнейшем такая информация поможет пролить новый свет на эволюцию одного из разнообразнейших отрядов насекомых (по числу видов чешуекрылые уступают только жукам, двукрылым и перепончатокрылым).

Источник: Q. Zhang et al. Fossil scales illuminate the early evolution of lepidopterans and structural colors // Science Advances. 2018. DOI: 10.1126/sciadv.1700988.
Александр Храмов

# data[].attributes.attachment_link.title
У древнейших бабочек юрского периода была структурная окраска

# data[].attributes.attachment_link.description
Изучив строение чешуек бабочек (Lepidoptera) юрского периода, ученые из Китая, Германии и Великобритании пришли к выводу, что для них был характерен металлический блеск с золотистым отливом. Это древнейшее сохранившееся свидетельство структурной окраски насекомых - до сих пор попытки ее реконструкции предпринимались только на материале кайнозойских бабочек и жуков возрастом менее 50 млн лет.

# data[].attributes.headline
Отражение света

# data[].attributes.subject
Отражение света

# data[].attributes.headline
ТЕНЬ - Прямолинейное распространие света

# data[].attributes.subject
ТЕНЬ - Прямолинейное распространие света

# data[].attributes.body
г. Свияжск

# data[].attributes.headline
Иридесценция

# data[].attributes.subject
Иридесценция

# data[].attributes.headline
Интерференция на тонких пленках (напыление на линзах очков)

# data[].attributes.subject
Интерференция на тонких пленках (напыление на линзах очков)

# data[].attributes.body
Юля Клюева

# data[].attributes.headline
Никита Бураков

# data[].attributes.subject
Никита Бураков

# data[].attributes.body
Поглощение света (голубых волн)

# data[].attributes.headline
Оптические явления в атмосфере

# data[].attributes.subject
Оптические явления в атмосфере

# data[].attributes.body
Радуга, лунная радуга - явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель. Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый);
Мираж - явление заключается в том, что вместе с реально видимым отдалённым объектом (или участком неба) также видно и его отражение в атмосфере;
Фата-моргана - редко встречающееся сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями;
Гало - светящееся кольцо вокруг источника света (Солнца, Луны), вызвано оно преимущественно ледяными кристаллами в перистых облаках. Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой размер (до 5°) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман;
Паргелий - один из видов гало, выглядит как светлое радужное пятно на уровне Солнца;
Венцы - светлые туманные кольца на небесном своде вокруг диска Солнца или Луны, появляются при прохождении перед светилом полупрозрачных облаков или тумана и отличаются от гало меньшим радиусом колец;
Глория - наблюдается на облаках, расположенных прямо перед наблюдателем или ниже него, в точке, прямо противоположной источнику света. Глория представляет собой цветной венец света на облаке вокруг тени наблюдателя;
Брокенский призрак - явление, аналогичное глории, можно наблюдать в горах вокруг тени человека, падающей на вертикальную стену тумана или облака, окутывающих горную вершину;
Иризация облаков - свечение облаков радужными цветами, с преобладанием красного и зеленого;
Полярное сияние - свечение верхних слоёв атмосферы;
Солнечный столб - это вертикальная полоса света, тянущаяся от Солнца во время заката или восхода;
Зарница - мгновенные вспышки света на горизонте при отдаленной грозе,наблюдается в темное время суток.

# data[].attributes.headline
Интерференция

# data[].attributes.subject
Интерференция

# data[].attributes.body
Световые лучи на бензиновом пятне☀☀☀☀(в пасмурный дождливый  день😔)

# data[].attributes.headline
Голубой цвет неба - результат релеевского рассеяния света

# data[].attributes.subject
Голубой цвет неба - результат релеевского рассеяния света

# data[].attributes.body
город Новороссийск

# data[].attributes.headline
Релеевское рассеяние

# data[].attributes.subject
Релеевское рассеяние

# data[].attributes.attachment_link.title
Рэлеевское рассеяние - Википедия

# data[].attributes.attachment_link.description
Рэле́евское рассе́яние - когерентное рассеяние света без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны.

# data[].attributes.body
Юля Кочергина

# data[].attributes.body
Фото- С.Настя

# data[].attributes.headline
Калькулятор на солнечных батарейках - фотоэффект

# data[].attributes.subject
Калькулятор на солнечных батарейках - фотоэффект

# data[].attributes.body
Коля Шугуров

# data[].attributes.headline
Фото- Сергеева Анастасия 

# data[].attributes.subject
Фото- Сергеева Анастасия 

# data[].attributes.body
Вспышка Айфона

# data[].attributes.headline
HID-лампы (ксенон)

# data[].attributes.subject
HID-лампы (ксенон)

# data[].attributes.body
Кирилл Курбаков

# data[].attributes.headline
Лазерный луч - когерентное излучение

# data[].attributes.subject
Лазерный луч - когерентное излучение

# data[].attributes.body
Поздеев Артем

# data[].attributes.body
Спектр

# data[].attributes.headline
Сплошной спектр

# data[].attributes.subject
Сплошной спектр

# data[].attributes.headline
Солнечный элемент

# data[].attributes.subject
Солнечный элемент

# data[].attributes.body
Фотоэффект

# data[].attributes.headline
Игрушка на солнечной батерее

# data[].attributes.subject
Игрушка на солнечной батерее

# data[].attributes.body
Фотоэффект

# data[].attributes.headline
Пленочный фотоаппарат

# data[].attributes.subject
Пленочный фотоаппарат

# data[].attributes.body
Артем Поздеев

# data[].attributes.headline
LED-лампы (диоды)

# data[].attributes.subject
LED-лампы (диоды)

# data[].attributes.body
Миша Кобыленков

# data[].attributes.attachment_link.title
Креативная елка 2016

# data[].attributes.headline
Дисперсия на кристаллах льда

# data[].attributes.subject
Дисперсия на кристаллах льда

# data[].attributes.body
Кобыленков Миша

# data[].attributes.headline
Иридесценция, Голубая ель 

# data[].attributes.subject
Иридесценция, Голубая ель 

# data[].attributes.body
Юля Кочергина

# data[].attributes.headline
Иридесценция, листья бегонии

# data[].attributes.subject
Иридесценция, листья бегонии

# data[].attributes.body
Голубой отлив создается особыми хлоропластами (иридопластами). Они более плоские, чем обычные хлоропласты. Тилакоиды в них расположены регулярно и работают как светоотражатели
фото: Саша Гарахин

# data[].attributes.headline
Иридесценция, Голубая ель (Picea pungens)

# data[].attributes.subject
Иридесценция, Голубая ель (Picea pungens)

# data[].attributes.body
Цвет хвои связан с наноструктурой воскового налета, покрывающего иголочки

# data[].attributes.headline
Иридесценция жемчуга

# data[].attributes.subject
Иридесценция жемчуга

# data[].attributes.body
Юля Кочергина

# data[].attributes.headline
Иридесценция жемчуга

# data[].attributes.subject
Иридесценция жемчуга

# data[].attributes.body
Настя Сергеева

# data[].attributes.headline
Иридесценция, Голубой неон

# data[].attributes.subject
Иридесценция, Голубой неон

# data[].attributes.body
Никитина Н.М.

# data[].attributes.headline
Иридесценция, Голубой неон (Paracheirodon innesi) в океанариуме Кабардинки

# data[].attributes.subject
Иридесценция, Голубой неон (Paracheirodon innesi) в океанариуме Кабардинки

# data[].attributes.body
Зеркальный эффект связан с присутствием регулярно расположенных светоотражающих кристаллов гуанина в чешуе

# data[].attributes.headline
Иридесценция перьев павлина (зоопарк Кабардинки)

# data[].attributes.subject
Иридесценция перьев павлина (зоопарк Кабардинки)

# data[].attributes.body
обеспечивается правильным расположением волокон кератина в клетках пера

# data[].attributes.headline
Иридесценция

# data[].attributes.subject
Иридесценция

# data[].attributes.body
Структурный цвет

# data[].attributes.attachment_link.readable_text
Татьяна Романовская

Окружающий мир наполнен объектами миллионов цветов и оттенков. Их разнообразие окажется еще шире, если учесть, что многие насекомые и птицы видят в ультрафиолетовой части спектра. Эта статья посвящена тому, как получаются все эти цвета и переливы в живой природе - благодаря законам оптической физики и хитроумному устройству живых клеток и тканей, созданному биологической эволюцией.

Химия и физика цвета

Цвет объекта может формироваться при участии двух механизмов. Более широко известный и в некотором смысле более привычный для нас - химический. Он связан со способностью некоторых молекул избирательно поглощать, отражать или излучать свет с определенной длиной волны. Так определяется, например, цвет самых обычных красок для рисования. Биологические молекулы с такими свойствами называют пигментами. У растений это в основном хлорофиллы (имеют зеленый цвет), каротиноиды (желтые, оранжевые и красные) и флавоноиды (дают разные оттенки желтого, синего или фиолетового цвета). У животных это преимущественно разные варианты меланина, имеющие желтый, оранжевый, красный или коричнево-черный цвет. Пигменты синего цвета у представителей этого царства появляются лишь как крайне редкие исключения. Помимо "обычных" окрашенных веществ некоторые животные и грибы производят флуоресцирующие, которые не отражают падающий на них свет, а поглощают, а затем излучают собственный свет с другой длиной волны. Особенно в этом преуспели медузы, некоторые морские рыбы и моллюски.

Второй способ формирования окраски - структурный. Цвет, образованный таким способом, зависит не от химических свойств молекул, а от структуры поверхностей, на которые падает свет от источника. Другое название структурного способа формирования цвета - иридесценция, или иризация. Объяснение этому явлению предложил в 1803 году английский физик Томас Юнг, одна из важнейших заслуг которого - доказательство волновой природы света посредством демонстрации явления интерференции световых волн.

Во всех случаях основой иридесценции служат наноструктуры в форме ребер, волокон, пластинок, организованных в регулярно расположенные ряды или решетки (в физике структуры такого типа называют фотонными кристаллами). Важно, что линейные размеры чередующихся элементов решетки и пространств между ними близки к длинам волн светового спектра. Фотонные кристаллы создают специфические оптические эффекты, такие как дифракция и интерференция (подробнее механизмы формирования структурного цвета освещены в статье "Структурная окраска", "Химия и жизнь" №11, 2010). Для возникновения эффекта интерференции необходимо, чтобы световые волны, многократно отраженные от элементов решетки, оказывались в одинаковой фазе. Амплитуды волн, для которых данное условие соблюдается, суммируются, а длины этих волн определяют основной визуально воспринимаемый цветовой фон.

Общий физический механизм определяет как переливчатую окраску некоторых природных минералов (перламутра и жемчуга, лунного камня, опала), так и структурный цвет наружных покровов множества живых организмов. Примеры такой окраски чрезвычайно многочисленны, и природа наноструктур, обеспечивающих эту окраску, также бывает самой разнообразной.

Оттенки и яркость структурно определяемого цвета могут меняться при изменении угла, под которым зритель находится к объекту: вспомните, как переливаются от сизого к зеленому перья на крыльях скворцов или на шее селезня. Иридесценция, помимо раскрашивания объекта в разные цвета, может также создавать эффекты блеска (как у вишневого долгоносика) или зеркальности (наблюдается у многих рыб).

Радужные переливы и металлический блеск достигаются за счет особенностей конфигурации многослойной трехмерной структуры дифракционных решеток. Посмотрите, например, на красавицу морскую мышь из типа многощетинковых червей. На латинском языке ее вполне заслуженно именуют Aphrodita (полное видовое название - Aphrodita aculeata) за красивое обрамление из ворсинок, переливающихся всеми цветами радуги (рис. 1). Правда, если это животное вынуть из воды, магия исчезает. Среда, в которой происходит преломление лучей света, критична для этого механизма окраски: в другой среде она может и не проявиться (T. Lu et al., 2016. Bio-inspired fabrication of stimuli-responsive photonic crystals with hierarchical structures and their applications).

Иридесценция существенно расширяет спектр возможных окрасов по сравнению с использованием только лишь пигментов. Еще более широкие горизонты открывает сочетание химического и структурного цветов. Например, зеленый в окраске многих амфибий и рептилий формируется за счет пропускания лучей синего структурного цвета через вышележащий слой клеток с желтым пигментом. У насекомых механизм получения сходных оттенков может отличаться. Так, блестящая зеленая окраска крыльев бабочек Papilio palinurus (парусник Палинур) получается за счет визуального смешения синих и желтых лучей, отражаемых структурами поверхности чешуек крыла по механизму иридесценции. Две разные световые волны отражаются от разных частей вогнутой поверхности светоотражающих наноструктур (рис. 2). Смешанный структурный цвет используется и некоторыми видами жуков.

Структурная окраска: живые примеры

Иридесценция встречается как среди животных, так и среди растений. Некоторые примеры структурной окраски у животных уже были продемонстрированы выше, а на рисунке 3 показан еще ряд случаев. Обладателей структурного цвета можно встретить среди морских и сухопутных, позвоночных и беспозвоночных, сидячих и подвижных представителей животного мира. В каждом случае за формирование цвета отвечают разные типы тканевых структур и элементов: в одном случае это компоненты межклеточного вещества ( хитин или коллаген), в других - внутриклеточные структуры.

У растений явление иридесценции тоже имеет место, причем гораздо чаще, чем может показаться на первый взгляд. Достаточно указать, что цвет хвои такой привычной голубой ели - это именно результат структурной окраски. Целенаправленные исследования показывают, что в каждом семействе имеется как минимум один вид, демонстрирующий структурную окраску листьев, цветов или плодов. Красивая голубая иридесценция обнаружена даже у красной водоросли Chondrus crispus (традиционно называемой "ирландским мхом"). Некоторые другие частные случаи показаны на рисунке 4. В пояснении к рисунку описаны разнообразные механизмы, определяющие появление структурного цвета в каждом из показанных примеров. Более подробно о данных механизмах можно прочесть в статьях H. M. Whitney et al., 2016. Flower Iridescence Increases Object Detection in the Insect Visual System without Compromising Object Identity и B. J. Glover and H. M. Whitney, 2009. Structural colour and iridescence in plants: the poorly studied relations of pigment colour, а также в картинке дня Иридесценция листьев бегонии.

Функция и эволюция иридесцентной окраски

Биологический смысл структурной окраски разнообразен: это и камуфляж, помогающий скрываться от хищников или оставаться незаметным для жертвы при охоте, и коммуникативный сигнал, позволяющий привлекать партнеров для спаривания или отпугивать соперников, и терморегуляция за счет контроля количества поглощаемых через поверхность тела фотонов. Растениями иридесценция используется для привлечения насекомых-опылителей, а также фруктоядных животных, помогающих распространять семена. Также структуры, которые избирательно отражают или рассеивают свет, могут быть полезны для оптимизации спектра лучей, поглощаемых листьями при фотосинтезе. По-видимому, сходную функцию выполняет структурная окраска мантии у гигантских двустворчатых моллюсков тридакн (род Tridacna, см. рис. 5), которые значительную часть органики получают от симбиотических водорослей рода Symbiodinium (A. L. Holt et al., 2014. Photosymbiotic giant clams are transformers of solar flux).

Вместе с тем в некоторых случаях иридесценция, по-видимому, возникает просто как следствие эволюции каких-то свойств, не связанных с оптическими функциями: например, структурированная поверхность может приобретать водоотталкивающие свойства и при этом создавать эффект иридесценции. То же можно предположить и по поводу переливов на тонких прозрачных крылышках стрекоз - иридесценция здесь возникает по тому же механизму, что и переливы в тонкой пленке мыльного пузыря или в луже с разлитым бензином.

Полезность и достаточно высокая вероятность получения структурной окраски вполне очевидна, с учетом того, как много раз она возникала у самых разных организмов. В обширном обзоре, посвященном явлению иридесценции у жуков, приводится филогенетическое дерево (рис. 6), которое впечатляет многократностью и спектром механизмов структурной окраски в пределах одного лишь этого отряда (A. E. Seago et al., 2009. Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera)).

Обратимые изменения структурного цвета: причины и механизмы

Некоторые животные способны изменять цвет, в том числе и определяемый структурно. Иногда эти изменения необратимы и зависят от возраста, но особенно интересны случаи обратимого изменения цвета, которые происходят в ответ на некоторые события во внешней среде. Реакция такого типа может быть пассивной - как следствие непосредственного влияния тех или иных параметров среды на физические параметры иридесцирующих структур. Например, жук-геркулес ( Dynastes hercules, рис. 7) имеет зеленовато-рыжий цвет при обычной влажности, однако если влажность воздуха превышает 80%, окраска меняется на черную из-за заполнения влагой воздушных полостей в структуре хитинового покрова надкрыльев (M. Rassart et al., 2008. Diffractive hygrochromic effect in the cuticle of the hercules beetle Dynastes hercules).

Жуки-черепашки рода Charidotella тоже имеют переменчивую окраску. Однако в этом случае механизм изменения цвета активный, то есть зависит от физиологического контроля (рис. 7, нижняя левая часть рисунка). В обычном состоянии они сверкают золотом. Но если им становится холодно или голодно, или если их потревожить, блеск исчезает, а ярко-желтый оттенок сменяется оранжевым, и затем красным, у некоторых видов - еще и с черными точками. Оказалось, дело в том, что в обычном состоянии полости микроструктуры хитинового покрова их надкрыльев заполнены жидкостью ( гемолимфой). При этом надкрылья отражают свет подобно зеркалу, с иридесценцией в желтой области спектра. Но при стрессе происходит отток жидкости из полостей, и они заполняются воздухом (к сожалению, пока не совсем ясно, как именно это происходит), при этом надкрылья перестают действовать как отражатели и становятся просто прозрачными. Сквозь них становится видна красная окраска брюшка жука (она может быть равномерной или нести "рисунок"). В данном случае смена окраски, по-видимому, зависит от нейрогуморальных сигналов, возникающих в ответ на стресс (J. P. Vigneron et al., 2007. Switchable reflector in the Panamanian tortoise beetle Charidotella egregia (Chrysomelidae: Cassidinae)).

Самые известные мастера по изменению цвета, это, пожалуй, головоногие моллюски (к ним относятся осьминоги, кальмары и каракатицы (рис. 8)) и хамелеоны (семейство Chamaeleonidae, фото в самом верху). И здесь снова не обошлось без структурного цвета. Рассмотрим эти случаи подробнее.

Механизм изменения цвета, который используют хамелеоны (рис. 9), был расшифрован в 2015 году (J. Teyssier et al., 2015. Photonic crystals cause active colour change in chameleons). В коже хамелеонов обнаружено 3 слоя пигментных клеток. Верхний слой - хроматофоры, содержит черные, красные и желтые пигменты. Под ним располагается два слоя клеток- иридофоров, содержащих кристаллы гуанина. В верхнем из двух слоев иридофоров кристаллы мелкие, они располагаются в форме правильной решетки и создают эффект волновой интерференции. От близости расположения кристаллов в решетке зависит, какой длины лучи интерферируют положительно и отражаются наиболее интенсивно. Отраженные лучи, проходя через выше расположенные хроматофоры, способны создать богатую гамму оттенков, плавно сменяющих друг друга. Самый нижний слой иридофоров содержит более крупные кристаллы гуанина, расположенные менее регулярно. От этих клеток зависит уровень поглощения или отражения инфракрасных лучей кожей хамелеона. Таким образом хроматофоры, по-видимому, участвуют в терморегуляции животного.

В организме хамелеона существует и система контроля окрашивания. Кристаллы гуанина связаны с микротрубочками цитоскелета иридофоров, и именно перестройки в цитоскелете в ответ на изменения гормонального фона при возбуждении самца и приводят к смене цветовой гаммы отражаемого света. О некоторых интересных деталях этого исследования рассказывается в видео.

Механизм изменения цвета головоногих моллюсков раскрывается в статье D. G. DeMartini et al., 2013. Dynamic biophotonics: female squid exhibit sexually dimorphic tunable leucophores and iridocytes. В коже этих животных также имеется поверхностный слой с хроматофорами, содержащими желтые, красные и коричнево-черные пигменты, а под ним расположен слой, содержащий иридофоры и лейкофоры. Иридофоры создают интерференцию для узкого спектра волн, а лейкофоры интенсивно отражают полный спектр, создавая визуально белую окраску. Опять же, видимая окраска тела животного создается за счет комбинирования структурного и химического цвета. Принципиальное сходство механизмов достаточно очевидно.

Между тем, мы здесь сталкиваемся с одним из удивительных случаев конвергентного появления сложных адаптаций. Головоногие развили способность к изменению окраски кожи независимо и на иной биохимической базе, нежели хамелеоны, о чем свидетельствует ряд важных отличий.

Во-первых, отражающая наноструктура формируется у осьминогов, кальмаров и каракатиц не из кристаллов гуанина, как у хамелеонов, а из складок цитоплазматической мембраны клеток-иридофоров, в которых находятся специфичные для головоногих моллюсков белки рефлектины (см. reflectin). Лейкофоры содержат те же рефлектины, но складок на их мембранах не формируется, так что отраженный ими свет просто рассеивается во всех направлениях. Изменение длины волны отражаемого иридофорами света происходит при ковалентном присоединении фосфатных групп к рефлектинам. Эта модификация меняет конформацию и растворимость этих белков, что в свою очередь вызывает изменение частоты складок клеточной мембраны, а следовательно, меняется и светоотражение.

Вторая особенность кожи головоногих моллюсков - наличие специальных хроматофорных органов, которык не встречаются в других группах живых организмов. Каждый хроматофорный орган имеет диаметр до нескольких миллиметров в расправленном состоянии и состоит из большого числа клеток, содержащих один тип пигмента. Площадь поверхности хроматофорного органа может меняться благодаря окружающим его концентрическим и радиальным пучкам мышечных волокон (рис. 10). При сокращении мышечного кольца площадь поверхности хроматофора может уменьшаться в сотни раз (см. видео). У хамелеонов и других позвоночных пигмент либо концентрируется в центре пигментной клетки, либо распределяется по всей ее цитоплазме, тем самым обеспечивая уменьшение или увеличение выраженности окрашивания соответствующего участка кожи.

Система регуляции окраски кожи у головоногих моллюсков устроена сложнее, чем у хамелеонов. Центральная нервная система в ней играет более существенную роль, обеспечивая гораздо более тонкие и разнообразные реакции на сигналы внешней среды. По-видимому, определенную роль играет также и автономная реакция кожи на внешнее окружение. Было доказано, что клетки кожи головоногих экспрессируют родопсин и обладают способностью к фоторецепции и автономным адаптивным реакциям на визуальные стимулы (A. C. N. Kingston et al., 2015. An Unexpected Diversity of Photoreceptor Classes in the Longfin Squid, Doryteuthis pealeii). Впрочем, фоточувствительные хроматофоры и иридофоры, экспрессирующие белки- опсины и способные к автономным реакциям, известны и среди рыб, в том числе у голубого неона и радужной форели (см., например, A. Kasai and N. Oshima, 2006. Light-sensitive Motile Iridophores and Visual Pigments in the Neon Tetra, Paracheirodon innesi).

От живой природы к творениям рук человеческих

В заключение стоит отметить, что природная иридесценция служит источником вдохновения для специалистов в области материалов, а также компонентов различных электронных устройств. На самом деле существует целый раздел технологии, опирающийся на имитацию природных явлений (иридесценция - лишь один из множества возможных примеров) при создании приборов и искусственных материалов. Он называется бионикой или биомиметикой.

Принцип иридесценции используется при создании цветных голограмм, которые наклеивают на товары с целью защиты от подделок, а также декоративных материалов вроде переливающихся тканей или искусственного перламутра, красок для автомобилей и лаков для ногтей и тому подобного. Искусственные фотонные кристаллы с переменной конфигурацией решетки используют в некоторых специальных типах сенсоров, индикаторов и переключателей, способных реагировать на изменения температуры, влажности, кислотности, электрические или магнитные поля.

В 2014 году было предложено индикаторное колориметрическое устройство, которое реагирует изменением цвета в зависимости от присутствия в среде летучих органических веществ (например, метанола или изопропилового спирта), или даже инфекционных частиц (J.-W. Oh et al., 2014. Biomimetic virus-based colourimetric sensors). Светоотражающий элемент этого устройства представлен волокнистым материалом, образованным из особым образом видоизмененных частиц фага M13 (фаги - это вирусы бактерий). Волокна полученного материала уплотняются или, наоборот, "разбухают" при контакте со специфическими молекулами благодаря особенностям белка вирусной оболочки - капсида. Изменение конфигурации решетки материала, вызванное этими переходами, приводит к изменению цвета индикатора. Индикатор содержит полоску с четырьмя сегментами, отличающимися исходной структурой материала, и каждый сегмент реагирует определенным образом на водяной пар или конкретные органические соединения. Чтобы провести необходимый анализ, требуется сфотографировать индикатор обычной камерой (например, на смартфон), а затем считать полученный спектр специально разработанной программой для обработки изображений. Авторы назвали свое изобретение "фаговым лакмусом". А в качестве прототипа-вдохновителя исследователи указывают... индюка, цвет кожи на шее которого служит "лакмусом" его настроения и меняется благодаря изменениям плотности расположения волокон коллагена при расширении или сужении сосудов кожи (рис. 11).

В том же 2014 году, вдохновившись жуком-геркулесом (см. выше, рис. 7), другая команда исследователей (L. Bai et al., 2014. Bio-Inspired Vapor-Responsive Colloidal Photonic Crystal Patterns by Inkjet Printing) изобрела специальные чернила для печати, меняющие цвет при воздействии паров этилового спирта, предлагая использовать их, например, для маркировки продукции в целях защиты от подделок (рис. 12).

В 2017 году была изобретена пленка с нанопокрытием из силиконовых частичек, которая работает как индикатор влажности, причем авторы экспериментально показали, что индикатор продолжал эффективно работать после 250 циклов увлажнения и высушивания (H. Seo and S.-Y. Lee, 2017. Bio-inspired colorimetric film based on hygroscopic coloration of longhorn beetles (Tmesisternus isabellae)). На этот раз источником вдохновения стал жук Tmesisternus isabellae, чьи надкрылья при изменениях влажности меняют цвет от металлического зеленого до металлического красного (принцип в этом случае тот же, что у жука-геркулеса).

Некоторые технические решения, основанные на принципах иридесценции, находятся в состоянии разработки или еще ждут своего изобретателя. С использованием этого явления потенциально могут быть созданы дисплеи с новым принципом цветопередачи, материалы-хамелеоны, которые бы меняли цвет в зависимости от параметров окружающей среды, многоразовая бумага без электронных микросхем, записи на которой можно было бы стирать и наносить вновь, и многое другое. В библиотеках современной научной литературы как биологического, так и технического профиля, можно найти еще немало работ с конкретными разработками или обзорами в русле использования необычных свойств иридесцирующих структур, обнаруживаемых в живой природе.
Литература:
1. Е. К. Герман. "Структурная окраска", "Химия и жизнь" №11, 2010.

6. M. Jacobs, M. Lopez-Garcia, O.-P. Phrathep, T. Lawson, R. Oulton, and H. M. Whitney. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency // Nat. Plants. Oct. 2016. V. 2. No. 11. P. 16162.

8. M. Rassart, J.-F. Colomer, T. Tabarrant, and J. P. Vigneron. Diffractive hygrochromic effect in the cuticle of the hercules beetle Dynastes hercules // New J. Phys. 2008. V. 10. No. 3. P. 033014.

9. J. P. Vigneron et al. Switchable reflector in the Panamanian tortoise beetle Charidotella egregia (Chrysomelidae: Cassidinae) // Phys. Rev. E Stat. Nonlin. Soft Matter Phys. Sep. 2007. V. 76. No. 3 Pt 1. P. 031907.

13. A. C. N. Kingston, T. J. Wardill, R. T. Hanlon, and T. W. Cronin. An Unexpected Diversity of Photoreceptor Classes in the Longfin Squid, Doryteuthis pealeii // PLOS ONE. Sep. 2015. V. 10. No. 9. P. e0135381.

14. A. Kasai and N. Oshima. Light-sensitive Motile Iridophores and Visual Pigments in the Neon Tetra, Paracheirodon innesi // Zoolog. Sci. Sep. 2006. V. 23. No. 9. P. 815-819.

15. J.-W. Oh et al. Biomimetic virus-based colourimetric sensors // Nat. Commun. Jan. 2014. V. 5. P. ncomms4043.

16. L. Bai et al. Bio-Inspired Vapor-Responsive Colloidal Photonic Crystal Patterns by Inkjet Printing // ACS Nano. Nov. 2014. V. 8. No. 11. P. 11094-11100.

17. H. Seo and S.-Y. Lee. Bio-inspired colorimetric film based on hygroscopic coloration of longhorn beetles (Tmesisternus isabellae) // Sci. Rep. Mar. 2017. V. 7. Article number: 44927.
Татьяна Романовская

# data[].attributes.attachment_link.title
Структурный цвет в живой природе

# data[].attributes.attachment_link.description
Окружающий мир наполнен объектами миллионов цветов и оттенков. Их разнообразие окажется еще шире, если учесть, что многие насекомые и птицы видят в ультрафиолетовой части спектра. Эта статья посвящена тому, как получаются все эти цвета и переливы в живой природе - благодаря законам оптической физики и хитроумному устройству живых клеток и тканей, созданному биологической эволюцией.

# data[].attributes.attachment_link.title
Поляризация волн - Википедия

# data[].attributes.attachment_link.description
В общем случае для гармонических волн конец вектора колеблющейся величины описывает в плоскости, поперечной направлению распространения волны, эллипс: это эллиптическая поляризация. Важными частными случаями являются линейная поляризация, при которой колебания возмущения происходят в какой-то одной плоскости, в таком случае говорят о " плоско-поляризованной волне", и круговая или циркулярная поляризация, при которой конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний; круговая поляризация (как и эллиптическая) в зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.

# data[].attributes.attachment_link.title
Дифракция - Википедия

# data[].attributes.attachment_link.description
Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как случай интерференции ограниченных в пространстве волн (интерференция вторичных волн). Общим свойством всех эффектов дифракции является зависимость степени её проявления от соотношения между длиной волны λ и размером ширины волнового фронта d, либо непрозрачного экрана на пути его распространения, либо неоднородностей структуры самой волны.

# data[].attributes.attachment_link.title
Интерференция света - Википедия

# data[].attributes.attachment_link.description
В некоторых учебниках и пособиях говорится о том, что интерференция света возможна только для волн, образованных от одного источника света путём амплитудного либо полевого деления волновых фронтов. Это утверждение является неверным. С точки зрения принципа суперпозиции интерференция существует всегда, даже когда интерферируют волны от двух разных источников света.

# data[].attributes.attachment_link.title
Дисперсия света - Википедия

# data[].attributes.attachment_link.description
Диспе́рсия све́та (разложение света) - это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты (или длины волны). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

# data[].attributes.body
на треугольной призме

# data[].attributes.headline
Кольца Ньютона

# data[].attributes.subject
Кольца Ньютона

# data[].attributes.body
Кольца Ньютона

# data[].attributes.body
В больнице

# data[].attributes.body
Юля Кочергина

# data[].attributes.headline
Дифракционная решетка

# data[].attributes.subject
Дифракционная решетка

# data[].attributes.body
Настя Сергеева

# data[].attributes.headline
Аахахахахах!!!!111од

# data[].attributes.body
Аахахахахах!!!!111одинодин

# data[].attributes.body
Саша Гарахин