Почему небо голубое?

Из чего на самом деле состоит солнечный свет

Луч Солнца кажется нам однородным и белым, хотя внутри него спрятаны все цвета радуги. Еще в семнадцатом веке английский физик Исаак Ньютон пропустил солнечный луч через стеклянную треугольную призму и доказал, что белый свет представляет собой смесь множества цветных лучей. На выходе из призмы получилась непрерывная цветная полоса, которую называют спектром.

С точки зрения физики свет — это электромагнитная волна. Цвета отличаются друг от друга именно длиной этой волны. Расстояние между гребнями волн измеряют в крошечных единицах, нанометрах. Один нанометр равен одной миллиардной части метра. В видимом диапазоне длины волн распределяются следующим образом:

• Красные и оранжевые волны имеют наибольшую длину в видимом спектре, от 590 до 750 нанометров
• Желтые и зеленые волны занимают среднюю часть диапазона с длиной от 495 до 590 нанометров
• Синие и фиолетовые волны являются самыми короткими, их длина составляет от 380 до 495 нанометров

Длина волны определяет поведение света при встрече с препятствиями. Длинные волны способны огибать мелкие частицы почти без помех. Короткие волны легко натыкаются даже на микроскопические преграды и отскакивают от них в разные стороны.

Физика процесса и рэлеевское рассеяние

Земля окружена плотной оболочкой из газов. Атмосфера состоит примерно на 78 процентов из азота, на 21 процент из кислорода, а оставшийся один процент приходится на аргон, углекислый газ, водяной пар и микроскопические частицы пыли. Размеры молекул азота и кислорода составляют доли нанометра, что значительно меньше длины световой волны.

В 1871 году британский физик Джон Уильям Стретт, более известный как лорд Рэлей, математически описал процесс взаимодействия света с частицами, размер которых меньше длины волны. Это явление назвали рэлеевским рассеянием. Ученый доказал математический закон, по которому интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.

Простыми словами это означает колоссальную разницу между цветами спектра. Если уменьшить длину волны всего в два раза, то рассеяние возрастет в шестнадцать раз. Длина синей волны составляет около 450 нанометров, а красной — около 700 нанометров. Из-за этой разницы синие лучи рассеиваются молекулами воздуха примерно в девять с половиной раз сильнее красных. Длинные красные и желтые волны прошивают атмосферу почти по прямой линии прямо к поверхности планеты, а синие лучи многократно отражаются от молекул газов во все стороны, заполняя собой все небо.

Простой домашний опыт со стаканом и молоком

Увидеть физику рассеяния света можно прямо на кухне без сложного оборудования. В 1859 году физик Джон Тиндаль первым воспроизвел этот эффект в лаборатории, а дома его легко повторить с помощью прозрачной емкости, воды и фонарика на смартфоне.

1. Налей чистую воду в прозрачный стеклянный стакан или прямоугольную стеклянную банку
2. Затемни комнату и посвети ярким фонариком сквозь воду, обратив внимание на то, что луч в прозрачной воде практически невидим сбоку
3. Добавь в воду несколько капель молока или щепотку сухого мыла и тщательно перемешай жидкость до легкого помутнения
4. Направь луч фонарика горизонтально сквозь мутную воду и посмотри на стакан сбоку под прямым углом к лучу
5. Перемести взгляд к противоположной стенке стакана, глядя прямо сквозь воду навстречу свету фонарика

Почему небо кажется голубым, а не фиолетовым

У фиолетового цвета длина волны еще короче, чем у синего, около 380-400 нанометров. По закону Рэлея фиолетовые лучи должны рассеиваться в атмосфере сильнее всего. Логично предположить, что небосвод должен быть фиолетовым, однако человек видит его чисто голубым. У этого явления сразу две причины.

Первая причина заключается в составе солнечного излучения. Солнце излучает энергию неравномерно по спектру. Максимум излучения нашей звезды приходится на видимый диапазон, но в солнечном спектре синего и зеленого света изначально значительно больше, чем фиолетового. Часть фиолетовых и ультрафиолетовых волн к тому же активно задерживается и поглощается озоновым слоем в верхних слоях стратосферы.

Вторая причина кроется в строении человеческого зрения. В сетчатке глаза человека расположены зрительные рецепторы-колбочки трех типов. Они чувствительны к красной, зеленой и синей областям спектра. К фиолетовому цвету наши рецепторы обладают гораздо более низкой чувствительностью. Когда в глаз попадает смесь из доминирующего рассеянного синего света, небольшой примеси фиолетового и немного зеленого, мозг усредняет полученные сигналы и интерпретирует их как насыщенный небесно-голубой цвет.

Почему на рассвете и закате небо меняет цвет

В полдень Солнце находится высоко над горизонтом. Солнечные лучи падают почти отвесно и преодолевают минимальный слой атмосферы толщиной около ста километров. Синий свет успевает рассеяться, окрасив небо вокруг, а прямой диск Солнца кажется нам почти белым или светло-желтым.

Утром и вечером геометрия меняется. Солнце опускается к горизонту, и его лучи скользят по касательной к поверхности Земли. Путь света сквозь плотные слои атмосферы увеличивается примерно в десять-тридцать раз по сравнению с полуднем.

На таком длинном пути почти весь спектр коротких волн — фиолетовый, синий и голубой — полностью рассеивается и рассеивается многократно, уходя в космическое пространство и в другие участки планеты. До взгляда наблюдателя доходят только самые стойкие длинные волны, которые лучше преодолевают гигантскую толщу воздуха с взвешенными частицами. В результате солнечный диск и освещенные им облака у горизонта окрашиваются в желтые, оранжевые, багровые и кроваво-красные тона.

Какого цвета небо на других планетах

Цвет дневного неба на планете полностью зависит от химического состава ее атмосферы, ее плотности и наличия аэрозолей. В Солнечной системе можно найти совершенно разные небесные пейзажи.

На Марсе атмосфера очень разреженная, ее плотность составляет меньше одного процента от земной, а состоит она преимущественно из углекислого газа. Основную роль в формировании марсианского пейзажа играет не молекулярный газ, а мелкая минеральная пыль с высоким содержанием оксида железа, поднятая постоянными песчаными бурями. Из-за ржавой пыли марсианское небо в течение дня выглядит желтовато-бурым или персиковым. Зато закаты на Красной планете приобретают холодный голубоватый ореол вокруг Солнца из-за особенностей дифракции света на пылинках определенного диаметра.

На Венере атмосфера чудовищно плотная, давление у поверхности превышает земное в девяносто раз. Толстый слой сернокислотных облаков и плотная углекислотная среда поглощают всю синюю часть спектра. Поверхность Венеры освещена тусклым оранжево-желтым рассеянным светом, напоминающим глубокие сумерки.