Почему небо синее

Почему небо синее — вопрос, относящийся к области атмосферной оптики, объясняющий цвет дневного неба рассеянием солнечного света на молекулах газов, составляющих земную атмосферу. Голубой цвет неба является результатом физического процесса, известного как рэлеевское рассеяние, при котором коротковолновая (синяя) часть спектра солнечного излучения рассеивается атмосферой значительно сильнее, чем длинноволновая (красная).

Физическая природа явления

Солнце излучает свет, который воспринимается человеческим глазом как белый, однако в действительности он представляет собой смесь электромагнитных волн различной длины. Видимый спектр включает диапазон от фиолетового (длина волны около 380 нм) до красного (около 700 нм). Проходя через атмосферу Земли, солнечные лучи взаимодействуют с её составными частицами.

Основную роль в рассеянии света играют молекулы азота и кислорода, составляющие около 99 % сухого воздуха. Размер этих молекул (порядка 10⁻¹⁰ м) значительно меньше длины волны видимого света. При таком соотношении размеров возникает явление, описанное британским физиком Джоном Уильямом Стреттом (лордом Рэлеем) в 1871 году. Он установил, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны (I ~ 1/λ⁴).

Это означает, что синий свет с длиной волны около 450 нм рассеивается примерно в 5–6 раз интенсивнее, чем красный (около 650 нм), и почти в 16 раз сильнее, чем инфракрасное излучение. В результате, когда солнечный свет проходит через атмосферу, его синяя составляющая отклоняется от прямолинейного направления и переизлучается во все стороны, заполняя небесный свод голубым свечением.

Роль атмосферы и её толщина

Цвет неба напрямую зависит от толщины атмосферного слоя, через который проходит солнечный свет. При высоком положении солнца (в зените) лучи преодолевают минимальную толщу атмосферы, и рассеяние происходит наиболее эффективно для коротковолновой части спектра. Именно поэтому небо в ясный полдень имеет насыщенный голубой цвет.

При закате и восходе солнца лучи проходят через атмосферу под острым углом, и их путь увеличивается в 30–40 раз по сравнению с вертикальным. За это время синяя и зелёная составляющие спектра рассеиваются практически полностью, и до наблюдателя доходит преимущественно красный и оранжевый свет. Этим объясняется характерная окраска закатного неба.

Восприятие цвета человеческим глазом

Человеческий глаз воспринимает цвет неба не как чистый синий, а как смесь различных длин волн. Сетчатка содержит три типа колбочек, чувствительных к красному, зелёному и синему свету. Рассеянный атмосферой свет содержит весь спектр, но с преобладанием синих и фиолетовых компонентов. Однако из-за того, что фиолетовая часть спектра частично поглощается озоновым слоем, а также вследствие особенностей чувствительности человеческого глаза (максимум чувствительности синих колбочек приходится на длину волны около 420–440 нм), небо воспринимается как голубое, а не фиолетовое.

Отличие от других планет

Цвет неба на других планетах зависит от состава их атмосфер. На Марсе, где атмосфера разрежена и содержит много пылевых частиц, рассеяние происходит по иному механизму (ми-рассеяние на частицах, сравнимых с длиной волны света), что придаёт небу рыжевато-коричневый оттенок. На Венере, атмосфера которой состоит преимущественно из углекислого газа с облаками серной кислоты, небо имеет желтовато-оранжевый цвет из-за сильного поглощения синей части спектра.

Исторические представления

До XIX века вопрос о цвете неба оставался предметом философских и теологических рассуждений. Аристотель и его последователи полагали, что голубой цвет возникает из-за смешения света и тьмы. Леонардо да Винчи предполагал, что синева неба связана с рассеянием света на мельчайших частицах влаги. Первое научное объяснение предложил Леонард Эйлер в XVIII веке, связав цвет неба с отражением света от молекул воздуха.

В 1869 году ирландский физик Джон Тиндалл провёл эксперименты с рассеянием света на коллоидных частицах, показав, что голубой цвет возникает при рассеянии на частицах, меньших длины волны. Однако окончательное количественное объяснение дал лорд Рэлей в 1871 году, опубликовав теорию рассеяния света на малых частицах. В 1899 году он уточнил свою теорию, показав, что рассеяние происходит на самих молекулах воздуха, а не на взвешенных частицах пыли или капельках воды.

Связь с цветом воды и льда

Аналогичный механизм рэлеевского рассеяния объясняет голубоватый оттенок чистой воды в глубоких водоёмах. Вода поглощает красную часть спектра сильнее, чем синюю, поэтому при достаточной толщине слоя вода приобретает голубой цвет. Однако в отличие от неба, где преобладает рассеяние, в воде основную роль играет избирательное поглощение.

Практическое значение

Понимание механизма рассеяния света в атмосфере имеет практическое значение в ряде областей: в метеорологии для оценки состояния атмосферы и загрязнения воздуха, в астрономии для коррекции наблюдений наземных телескопов, в оптике при создании светофильтров и поляризационных устройств. Степень поляризации рассеянного небесного света используется некоторыми насекомыми, например пчёлами, для навигации по поляризационной картине неба даже при частичной облачности.

Интересные факты

На больших высотах, где атмосфера разрежена, небо выглядит более тёмным, а на высоте более 20 километров приобретает глубокий фиолетово-синий цвет. На границе космоса, на высоте около 100 километров, небо становится чёрным даже днём, поскольку плотность молекул недостаточна для заметного рассеяния света. Именно поэтому на фотографиях, сделанных космонавтами, небо всегда чёрное, а Земля окружена тонкой голубой каймой — это и есть слой атмосферы, в котором происходит рассеяние.

В пасмурную погоду небо кажется серым или белым, потому что капли воды в облаках имеют размеры, сравнимые с длиной волны света или превышающие её. В этом случае рассеяние происходит одинаково для всех длин волн, и небо теряет синюю окраску.

Источники

• Рэлей Дж. У. «О свете от неба, его поляризации и цвете» (1871)
• Тиндалл Дж. «О голубом цвете неба, поляризации света облачными частицами и в общем случае» (1869)
• Министерство образования и науки РФ, учебные пособия по курсу общей физики, раздел «Оптика атмосферы»