Как устроен солнечный свет и атмосфера

Солнечный свет кажется нам прозрачным или слегка белым. В действительности в нём смешаны все цвета радуги. Каждый цвет представляет собой электромагнитную волну определённой длины. Физики измеряют эту длину в нанометрах. Самые длинные волны в видимой части спектра принадлежат красному цвету, их длина составляет примерно 700 нанометров. Самые короткие волны у фиолетового и синего цветов, их длина находится около 400 нанометров.

Наша планета окружена воздушной оболочкой, состоящей из молекул азота, кислорода, углекислого газа, капель воды и мельчайших пылинок. Когда поток солнечных лучей врезается в эту газовую смесь, фотоны сталкиваются с молекулами воздуха. Происходит физическое явление, которое называют рассеянием света.

Закон Рэлея и дневное небо

В конце девятнадцатого века британский физик Джон Уильям Рэлей математически описал поведение света в прозрачной среде. Он доказал, что частицы, размер которых значительно меньше длины волны света, рассеивают излучение неравномерно. Интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны.

Это математическое правило означает простую вещь. Если уменьшить длину волны в два раза, рассеяние усилится в шестнадцать раз. Синие и фиолетовые волны рассеиваются молекулами газов примерно в десять раз эффективнее длинных красных волн. Когда мы смотрим днем в любую точку чистого неба в стороне от Солнца, наш глаз улавливает именно этот синий свет, хаотично разбросанный молекулами воздуха во все стороны.

Почему закат и рассвет становятся красными

Цвет неба меняется из-за изменения угла падения солнечных лучей. В полдень Солнце стоит высоко над головой, поэтому свет пробивает атмосферу по кратчайшему пути перпендикулярно поверхности Земли. Толщина воздушного слоя на этом пути минимальна.

На закате и рассвете Солнце опускается к линии горизонта. Теперь лучам приходится пробиваться к наблюдателю сквозь атмосферу по пологой траектории. Толщина слоя воздуха, который преодолевает луч на закате, примерно в десять раз больше полуденного расстояния. На таком длинном пути почти весь спектр коротких синих и зеленых волн многократно рассеивается и уходит в стороны, практически теряясь в пространстве. Длинные волны красного, оранжевого и желтого оттенков легко огибают микроскопические молекулы газа и напрямую достигают поверхности Земли. Поэтому сам солнечный диск и освещенные им облака окрашиваются в багряные оттенки.

Домашний эксперимент с молоком и фонариком

Эффект рассеяния Рэлея можно воспроизвести дома на кухне или в школьном кабинете физики. Для этого понадобятся прозрачная емкость с водой, яркий фонарик с белым диодом и немного обычного молока.

Эксперимент наглядно показывает переход от голубого неба к закатному красному:

  1. Налей чистую воду в прозрачную прямоугольную емкость или высокий стакан.
  2. Затемни комнату и посвети лучом фонарика сквозь емкость. Вода останется прозрачной, луч почти незаметен сбоку, потому что в чистой воде свету не на чем рассеиваться.
  3. Добавь в воду несколько капель молока и аккуратно перемешай. Белки и жировые шарики молока создадут взвесь микроскопических частиц, имитирующих молекулы атмосферы.
  4. Посмотри на емкость сбоку перпендикулярно лучу фонарика. Вода приобретет явный голубоватый оттенок, показывая поведение дневного неба.
  5. Перемести взгляд в торец емкости прямо навстречу лучу света. Источник станет желтоватым, а при добавлении еще пары капель молока приобретет ярко-оранжевый или красноватый оттенок заката.

Влияние пыли и вулканов на цвет заката

Насыщенность вечерней зари сильно зависит от чистоты воздуха. Если в нижних слоях атмосферы много водяного пара, пыли или дыма от лесных пожаров, цвет заката меняется. Крупные частицы размером больше длины световой волны рассеивают свет по законам оптики Густава Ми. Это рассеяние действует на все цвета спектра одинаково, делая небо белесым.

При мощных извержениях вулканов в стратосферу выбрасываются миллионы тонн микроскопических аэрозолей серы. Эти частицы сохраняют рэлеевский масштаб рассеяния, но задерживают лучи гораздо сильнее обычного воздуха. После извержения индонезийского вулкана Кракатау в 1883 году жители всей Европы несколько месяцев наблюдали фантастические кроваво-красные закаты.

Частые вопросы

Какого цвета небо на Луне?

На Луне небо абсолютно черное круглые сутки, даже когда Солнце находится в зените. У Луны нет атмосферы, свету не на чем рассеиваться, поэтому солнечные лучи идут прямолинейно, а вокруг сияют звезды на черном фоне.

Почему облака белые, а не голубые?

Облака состоят из крупных водяных капель и кристалликов льда. Их размер в десятки раз превышает длину световой волны. Такие частицы одинаково рассеивают все цвета спектра. Смешение всех рассеянных цветов дает белый цвет.

Какого цвета небо и закаты на Марсе?

На Марсе атмосфера очень разреженная, но наполнена мелкой пылью с высоким содержанием оксида железа. Днем марсианское небо выглядит желтовато-бурым или розоватым, а закаты там имеют непривычный холодный голубой оттенок вокруг заходящего Солнца.

Почему рассвет часто бледнее вечернего заката?

За день солнечный прогрев поднимает с земли миллионы тонн пыли, пыльцы и промышленных аэрозолей. К вечеру воздух сильнее замутнен взвесью, что усиливает рассеяние света и делает закат насыщенным. За ночь пыль частично оседает, влага конденсируется в росу, воздух становится чище, поэтому утренняя заря выглядит прозрачнее и спокойнее.