Полдень, ни облачка. Воздух между вами и космосом прозрачен, своего цвета у него нет — а небо над головой всё равно залито ровным голубым светом. Значит, цвет рождается по дороге. Что-то в атмосфере разбрасывает солнечный свет в стороны.
Короткий ответ простой. Солнечный свет несёт в себе все видимые цвета сразу, а молекулы воздуха рассеивают его во все стороны. Короткие волны (синие) разлетаются заметно охотнее длинных (красных). Вот почему в глаз попадает не только прямой солнечный луч, но и синий свет, пришедший со всех участков неба.
Оговорюсь сразу: всё это верно для дня, когда Солнце освещает относительно чистую атмосферу. На закате, в облаках, в дымке или за пределами атмосферы картина другая. Это не исключение из правила, а его продолжение.
Механизм: что молекулы воздуха делают со светом
Свет — электромагнитная волна, колеблющиеся электрическое и магнитное поля. Молекулы азота и кислорода, из которых в основном состоит воздух, намного меньше длины волны видимого света.
Волна проходит мимо молекулы, и её электрическое поле слегка смещает заряды внутри. На короткое время возникает колеблющийся диполь: положительный и отрицательный заряд разошлись. А любой колеблющийся заряд сам излучает свет, причём во все стороны, а не только вперёд.
Это и есть рассеяние. Если частицы много меньше длины волны, его называют рэлеевским. Ключевое свойство: сила рассеяния резко растёт, когда длина волны падает, — по закону Рэлея она пропорциональна обратной четвёртой степени длины волны.
Практический смысл прост: синюю часть спектра молекулы воздуха рассеивают гораздо эффективнее красной. Значит, синий свет добирается до глаза не только по прямой от Солнца. Он приходит со всех сторон — оттуда, где луч «зацепил» молекулу и отправил часть света вбок и вниз. Поэтому небо светится голубым по всей площади, а не только вокруг солнечного диска.
Почему тогда не фиолетовое, если фиолетовый ещё короче?
Самый частый вопрос после первого. Короткие волны рассеиваются сильнее, так что «чемпионом» вроде бы должно быть фиолетовое. Но сходятся три обстоятельства, и все тянут в одну сторону.
В доходящем до поверхности солнечном свете фиолетовой составляющей меньше, чем синей. Часть фиолетового поглощает верхняя атмосфера. А человеческий глаз к фиолетовому менее чувствителен, чем к синему. В сумме и получается оттенок, который мы привыкли называть небесно-голубым.
Почему на закате небо краснеет
Здесь работает тот же механизм, только с другого ракурса. У горизонта солнечный свет идёт к нам не «в лоб», сквозь тонкий слой воздуха, а по длинной наклонной траектории. Почти вдоль земной поверхности, через куда более толстый слой атмосферы.
Пока свет добирается до глаза, синие и фиолетовые составляющие успевают рассеяться в стороны. В прямом луче остаётся относительно больше красного и оранжевого. Оттого диск Солнца у горизонта краснеет, а небо вокруг наливается тёплыми тонами.
Аналогия с молоком в воде — и её предел
Классический опыт, знакомый по школьным кабинетам: слабая взвесь молока в воде. Смотришь на источник света сбоку, и взвесь кажется голубоватой. Смотришь сквозь неё на сам источник — прошедший свет выглядит красноватым.
Аналогия хорошая: она показывает саму идею — короткие волны рассеиваются охотнее, а прошедший свет краснеет. Но у неё есть чёткий предел. Частицы молочного жира ведь значительно крупнее молекул воздуха, и рассеяние на них не рэлеевское. Так что молоко в стакане не точная модель чистой атмосферы. Оно лишь напоминает о том же принципе.
Где это объяснение не работает
Облака и дымка. Капли воды в облаках и крупные аэрозоли в дымке намного больше длины волны света. Рассеяние на них почти не различает цвета. Потому облака и туман выглядят белыми или серыми, а небо сквозь дымку бледнеет. Рэлеевское объяснение тут напрямую не работает.
Из космоса или с Луны. Над наблюдателем нет атмосферы, рассеивать свет нечему — небо остаётся чёрным даже при ярком Солнце. Пожалуй, самое наглядное подтверждение того, что голубизну создаёт именно воздух.
Приписывание цвета самому воздуху. Иногда говорят, что «в воздухе есть голубой пигмент». Так не бывает: воздух прозрачен. Вторая ошибка того же рода — будто небо отражает цвет океана. Но отражение воды не объяснит, почему небо голубое и над пустыней, и над сушей, где океана поблизости нет.
Коротко
Небо голубое не потому, что в нём что-то «накрашено». Просто молекулы воздуха рассеивают солнечный свет во все стороны, и короткие волны при этом разлетаются намного сильнее длинных. Днём к глазу приходит рассеянный синий свет со всего небосвода. На закате свет идёт через более толстый слой воздуха, синее рассеивается по пути, остаётся красное. В облаках, в дымке и за пределами атмосферы условия другие — и правило честно перестаёт работать.
А вот связанный вопрос на следующий раз: почему тени в ясный день выглядят слегка голубоватыми, если сам источник света — белое Солнце?
Подпишитесь, чтобы не гадать, а понимать, почему всё вокруг устроено именно так.
#космос #астрономияпростымисловами #почемуэтотак #наукапростымисловами #интересныефакты