Почему небо голубое¶
Почему небо голубое — вопрос о причинах голубого (синего) цвета неба в дневное время, объясняемый физикой рассеяния света в атмосфере Земли. Солнечный свет, достигающий верхних слоёв атмосферы, содержит весь видимый спектр, однако при прохождении через газовую оболочку планеты коротковолновая часть спектра рассеивается сильнее длинноволновой, поэтому глаз наблюдателя воспринимает небо преимущественно синим. Явление получило название рэлеевского рассеяния, по имени британского физика Джона Уильяма Стретта (лорда Рэлея), описавшего его математически в 1871 году.
¶Физическая природа явления
Атмосфера Земли состоит преимущественно из молекул азота (около 78 %) и кислорода (около 21 %), размеры которых существенно меньше длины волны видимого света (400–700 нм). Когда электромагнитная волна попадает на такую молекулу, она заставляет электроны молекулы колебаться с частотой падающего излучения. Колеблющаяся заряда сама излучает свет, рассеивая его во все стороны — это и есть рассеяние.
Интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны (закон ∼1/λ⁴). Синий свет с длиной волны около 450 нм рассеивается примерно в 5,5 раза сильнее, чем красный с длиной волны около 700 нм (700⁴/450⁴ ≈ 5,5). Именно поэтому при наблюдении на небосводе глаз получает преимущественно рассеянный синий свет, а прямой солнечный свет, из которого удалён синий компонент, воспринимается как жёлтый или белый.
¶Почему не фиолетовое
Спектр солнечного света содержит ещё более коротковолновый фиолетовый свет, который должен рассеиваться сильнее синего. Однако небо выглядит синим, а не фиолетовым, по нескольким причинам:
- Солнце испускает фиолетового света существенно меньше, чем синего.
- Верхние слои атмосферы поглощают значительную часть ультрафиолетового и фиолетового излучения (в частности, озоновый слой).
- Человеческий глаз менее чувствителен к фиолетовой части спектра: три типа колбочек (L, M, S) дают максимальный отклик на сине-зелёные и жёлто-зелёные длины волн, а на фиолетовые — заметно слабее.
Сочетание этих факторов делает воспринимаемый цвет неба голубым.
¶Роль размера частиц
Рэлеевское рассеяние описывает случай, когда частица заметно меньше длины волны. Если размер частицы сопоставим с длиной волны (капли тумана, пылинки, аэрозоли), работает другая закономерность — рассеяние Минье, при котором зависимость от длины волны выражена слабее. Это объясняет наблюдаемые эффекты:
- Белое небо в пасмурную погоду. Капли облаков имеют размеры порядка микрометров, близкие к длине волны видимого света, поэтому они рассеивают все длины волн примерно одинаково, и облако выглядит белым.
- Белёсый оттенок неба у горизонта. Вблизи горизонта путь света в атмосфере длиннее, доля молекулярного рассеяния уменьшается, а вклад аэрозолей и пыли растёт, из-за чего цвет приближается к белому.
- Серость неба в городах. Промышленные выбросы увеличивают концентрацию аэрозолей, ослабляя чистый синий цвет.
¶Цвет неба в других условиях
¶Рассветы и закаты
Вблизи горизонта солнечный свет проходит через атмосферу значительно длиннее пути, чем при полуденном солнце. Синий свет практически полностью рассеивается на удалении, до глаза доходит преимущественно длинноволновая часть спектра — поэтому небо у горизонта окрашивается в жёлтые, оранжевые и красные тона. Интенсивность этих цветов усиливается вулканической пылью и аэрозолями, попавшими в стратосферу (например, после извержения вулкана Пинатубо в 1991 году закаты по всему миру приобретали необычно яркую окраску).
¶Небо на других планетах
Цвет неба определяется составом атмосферы. На Марсе атмосфера разрежена и содержит много пыли, поэтому дневное небо имеет желтовато-оранжевый оттенок, а закаты, наоборот, синие — из-за того, что мелкие пылинки рассеивают синий свет сильнее. На спутнике Сатурна Титане плотная азотно-метановая атмосфера даёт оранжевый туман. На Земле в стратосфере (выше 10–12 км) небо приобретает тёмно-синий, почти фиолетовый оттенок из-за уменьшения плотности воздуха и ослабления рассеяния.
¶История вопроса
Попытки объяснить цвет неба предпринимались с античности. Аристотель в трактате «О небе» связывал его с отражением света от водяного пара. В XVII веке Исаак Ньютон показал, что солнечный свет состоит из смеси спектральных цветов, но причину рассеяния не объяснил. В 1841 году Джон Гершель предположил, что синий цвет обусловлен рассеянием света молекулами воздуха. Количественную теорию разработал лорд Рэлей в 1871 году, показавший обратную четвёртую степень зависимости интенсивности от длины волны. Позже, в 1908 году, Густав Мие описал рассеяние на частицах, сопоставимых с длиной волны, что завершило картину.
Исторические источники:
- Рэлей Дж. У. С. Теория рассеяния света (1871)
- Мие Г. К теории рассеяния света (1908)
- Минье Г. Оптика атмосферы
- Гершель Дж. Ф. Вклад в оптику (1841)
- Аристотель. О небе
- Хансен Дж., Маккейн Л. Атмосферная оптика