Небо кажется голубым, потому что молекулы воздуха сильнее рассеивают голубую часть солнечного света, чем красную. Рассеянный свет приходит к нам со всего неба. На закате прямой солнечный луч проходит более длинный путь через воздух, теряет больше голубого света и выглядит жёлтым, оранжевым или красным.
Это один механизм с двумя разными точками наблюдения. Разберём, что именно попадает в глаза, почему небо не фиолетовое, откуда берутся белые облака и как показать рассеяние света дома без сложных приборов.
В статье вы узнаете:
Представьте ясный полдень. Свет от Солнца идёт к Земле, и воздух вокруг кажется прозрачным. Но стоит посмотреть на свободный участок неба далеко в стороне от Солнца, и он светится голубым. Откуда пришёл свет, если в той стороне нет лампы?
Солнце освещает большой объём воздуха. Часть света меняет направление при встрече с молекулами газа. Совсем небольшая доля повернула как раз к вашим глазам. Поэтому вы видите свет и там, где не видите сам источник. Каждая точка ясного неба даёт такой рассеянный свет. Не нужно смотреть на солнечный диск, чтобы проверить это наблюдение: достаточно участка неба в стороне от него.
Это важное различие для всей статьи. Когда мы говорим «голубое небо», речь идёт преимущественно о свете, который повернул к нам из других направлений. Когда говорим «красное Солнце на закате», речь идёт о свете, который дошёл почти по прямой линии от Солнца. У двух путей разный цветовой состав, хотя источник один.
Солнечный свет днём выглядит белым или почти белым. В нём смешаны цвета видимого спектра, от фиолетового до красного. Призма или капли воды в радуге помогают увидеть их раздельно. Красный свет соответствует более длинным волнам, а голубой и фиолетовый более коротким. Цвета переходят друг в друга плавно, а не существуют как семь отдельных полос.
«Длина волны» здесь означает расстояние между одинаковыми участками световой волны. Глаз не видит волны по одной, он воспринимает их смесь как цвет. Разделение на «голубой» и «красный» помогает сравнить две части солнечного света и понять, почему они ведут себя в воздухе по-разному.
Когда свет встречает молекулы воздуха, часть его отклоняется от исходного направления. Это называется рассеянием. Молекулы газа настолько малы по сравнению с длиной видимой световой волны, что коротковолновый голубой свет рассеивается заметно сильнее длинноволнового красного. Такой случай называют рассеянием Рэлея, по имени физика, который описал его закономерность.
Представьте две группы лучей: условно голубые и красные. Красные чаще продолжают путь почти прямо, голубые чаще меняют направление. Но часть света каждого цвета делает и то и другое. Если вы стоите сбоку, к вам придёт сравнительно больше голубых лучей. Голубой свет не возникает в воздухе заново: он приходит от Солнца и поворачивает к глазам.
Цвет, который мы видим, складывается из солнечного света, воздуха и чувствительности человеческих глаз. Поэтому на фотографиях и в разных условиях голубой бывает ярким, бледным или почти белёсым.
Там, где почти нет воздуха, даже яркое Солнце не создаёт голубой фон: вокруг освещённого космического аппарата небо выглядит тёмным. Солнечный свет есть, но его почти нечему направить к наблюдателю со стороны. Это проверка роли земной атмосферы, а не особый цвет самого космоса.
У фиолетового света волна ещё короче, чем у голубого. Значит, при том же механизме он должен рассеиваться ещё сильнее. Кажется, мы нашли противоречие: где тогда фиолетовое небо?
Глаз воспринимает смесь, а не оценивает один цвет по числу рассеянных лучей. Солнечного фиолетового света меньше, чем голубого, а человеческое зрение менее чувствительно к фиолетовому. Вместе эти причины дают привычный голубой оттенок. Национальная метеослужба США объясняет и рассеяние, и роль чувствительности глаза.
Здесь нет простой кнопки «воздух поглотил весь фиолетовый». Часть фиолетового света остаётся, но её вклад в цвет неба для нашего зрения не становится главным. Другие животные с иной чувствительностью к цветам могли бы видеть ту же освещённую атмосферу по-другому. Цвет неба зависит не только от летящего света, но и от того, кто на него смотрит.
Днём Солнце высоко, и его свет проходит через сравнительно короткий слой атмосферы на пути к вам. К вечеру оно оказывается низко над горизонтом. Теперь свет идёт через воздух наискосок, гораздо дальше. На этом длинном пути коротковолновый свет многократно уходит из прямого луча в стороны. В луче, который дошёл прямо от низкого Солнца, доля жёлтого, оранжевого и красного становится заметнее.
Вернитесь к человеку, который смотрит не на Солнце, а на небо рядом с ним. Отдельные участки небосвода ещё могут оставаться голубыми, потому что туда приходит рассеянный свет. У самого горизонта и возле солнечного направления условия меняются: прямой свет уже сильно «покраснел», а освещённые им облака получают тёплую смесь. Они отражают и рассеивают то освещение, которое на них упало. Поэтому закат может выглядеть как несколько красок одновременно: тёплый диск, розовые облака и синяя часть неба выше.
Чем больше частиц и дымки на пути света, тем сложнее рисунок заката. Но яркий красный цвет сам по себе не позволяет назвать точную причину: на него влияют положение Солнца, прозрачность воздуха, облака и направление взгляда. Утверждение «самый красный закат означает самый грязный воздух» слишком прямолинейно.
Рассвет работает по той же геометрии. Земля повернулась так, что Солнце только появилось у горизонта; прямому свету снова приходится идти через длинный атмосферный путь. Разница между конкретными рассветом и закатом определяется погодой и частицами в воздухе, а не новым «утренним» физическим законом.
В ясный день небо прямо над головой бывает насыщенно-синим, а к горизонту становится светло-голубым или белёсым. Посмотрите на две области в один момент, не переводя взгляд на Солнце. Разница видна даже без прибора.
В направлении горизонта взгляд проходит через более длинный слой воздуха. Свет успевает рассеяться снова, смешаться с вкладом других направлений. Пыль, капельки воды и другие взвешенные частицы добавляют светлую дымку, потому что рассеивают цвета не так избирательно, как отдельные молекулы газа. Поэтому бледность горизонта особенно заметна во влажный или пыльный день. Высоко в горах при очень чистом воздухе небо над головой, наоборот, может казаться темнее и глубже.
Направление взгляда и состояние воздуха меняют оттенок, поэтому даже в один день небо над головой и у горизонта выглядит по-разному.
Облако состоит из множества крошечных капель воды или кристалликов льда. Это уже не те отдельные молекулы газа, которые окрашивают ясное небо. Капли и кристаллы гораздо крупнее молекул и рассеивают видимые цвета более равномерно. Когда с разных сторон к глазам приходит смесь цветов солнечного света, облако выглядит белым. Голубой фон вокруг него остаётся виден потому, что между облаками свет проходит через обычный воздух.
Толстое облако может выглядеть серым снизу: сквозь него к вам приходит меньше света. При этом верхушка того же облака под Солнцем остаётся ярко-белой. Серый цвет не означает, что вода внутри стала серой. Он описывает освещение и направление, с которого вы смотрите. Контраст с очень ярким соседним облаком тоже заставляет менее яркую часть казаться темнее.
На закате облако может стать оранжевым или розовым. Его капли рассеивают тот свет, который дошёл до него; если солнечный луч уже приобрёл тёплый оттенок после длинного пути через атмосферу, облако подсветится этим оттенком. Так один вечерний вид соединяет два процесса: воздух меняет состав прямого света, а облако показывает цвет полученного освещения.
Понадобятся прозрачная ёмкость с водой, фонарик с белым светом, белый лист и немного молока. Это необязательный домашний опыт: те же изменения цвета можно увидеть на настоящем небе. Если хотите собрать модель, сделайте так:
Сбоку свет в воде может получить голубоватый оттенок: часть коротковолнового света повернула к вам. Свет, прошедший через всю ёмкость до листа, может казаться теплее. Если сразу ничего не видно, осторожно добавьте ещё каплю молока и перемешайте. Результат зависит от фонарика, сосуда и количества молока; отсутствие заметного цвета не опровергает объяснение неба.
Это модель, а не кусок атмосферы в стакане: взвешенные частицы молока отличаются от молекул воздуха. Опыт показывает полезную связь между взглядом сбоку на рассеянный свет и взглядом вдоль прошедшего луча. Учебное упражнение NASA использует такую модель, но по цвету стакана нельзя измерить свойства земной атмосферы.
Если не хочется ничего готовить, устройте наблюдение за настоящим небом. В ясный день сравните участок над головой и около горизонта в стороне от Солнца. Вечером посмотрите, какие облака освещены тёплым светом и где ещё сохранился голубой цвет. Получится три наблюдения, которые объясняются одним ходом света, без взгляда на солнечный диск.
Когда в следующий раз увидите одновременно голубую высоту, бледный горизонт и розовое облако, спросите: откуда пришёл свет и через что он прошёл? Голубой участок даёт свет, рассеянный молекулами воздуха. Тёплый закатный луч долго шёл прямо через атмосферу и потерял больше коротких волн. Белое или розовое облако показывает цвет и яркость освещения, которое получило. Это не три несвязанных объяснения, а три маршрута одного солнечного света.
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.