«Почему небо голубое?» — один из тех детских вопросов, на которые взрослые обычно отвечают неуверенно. Популярный ответ «потому что в нём отражается море» не выдерживает проверки: небо такое же голубое и над пустыней, и над серединой континента. Скорее уж наоборот: море отчасти отражает небо, а сама вода голубовата потому, что слегка поглощает красный свет. Настоящее объяснение физики искали долго, и оно оказалось изящнее, чем можно было ожидать.
Свет, который сбивается с пути
Солнечный свет кажется белым, но на самом деле это смесь всех цветов радуги — волн разной длины. Проходя через атмосферу, свет встречает молекулы азота и кислорода. Они намного меньше длины световой волны и, сталкиваясь со светом, рассеивают его в разные стороны.
В 1871 году британский физик лорд Рэлей показал, что сила такого рассеяния резко зависит от длины волны: она обратно пропорциональна её четвёртой степени. Синий свет примерно в полтора раза короче красного, а значит, рассеивается в пять-шесть раз сильнее. Пока красные и жёлтые лучи идут от Солнца почти напрямую, синие многократно отскакивают от молекул и приходят к нам со всех сторон неба. Куда ни посмотри — видишь рассеянную синеву.
Опыт, который это иллюстрирует, ещё в 1860-х ставил ирландский физик Джон Тиндаль. Пучок белого света, проходя через сосуд с мельчайшими взвешенными частицами, сбоку казался голубоватым, а на выходе желтел и рыжел. Получался маленький закат в пробирке.
Позже теорию уточнили Мариан Смолуховский и Альберт Эйнштейн, описав рассеяние через мельчайшие колебания плотности воздуха. Для атмосферы их результат совпал с выводом Рэлея.
Почему же не фиолетовое
Если короткие волны рассеиваются сильнее, фиолетовый должен был бы победить синий. Этого не происходит по нескольким причинам:
- в солнечном свете фиолетовых лучей изначально меньше, чем синих и голубых;
- глаз гораздо хуже чувствует фиолетовый, чем синий и зелёный;
- рассеянный свет — не одна волна, а смесь, в которой есть и зелёный, и понемногу остальные цвета, и мозг воспринимает её как светло-голубой.
Именно поэтому небо не густо-синее, а голубое и к горизонту заметно белеет: там свет проходит через более толстый слой воздуха и рассеивается многократно, перемешивая цвета. Чем чище и суше воздух, тем глубже синева: в горах небо заметно темнее и насыщеннее, чем над пыльным городом.
Закат: свет, прошедший долгий путь
Вечером Солнце опускается к горизонту, и его лучам приходится пройти через атмосферу куда более длинный путь — у самого горизонта в десятки раз длиннее, чем в полдень. По дороге синие и голубые волны успевают рассеяться в стороны, и до нас добираются в основном оранжевые и красные. Пыль, дым и мелкие капли усиливают эффект, поэтому над большими городами и после лесных пожаров закаты бывают особенно густыми.
Синева, которой нам не хватает на закате, никуда не пропала: по пути её рассеяли в небо над теми, кто живёт западнее и для кого солнце ещё высоко.
Самые яркие зори случаются после крупных извержений, когда в верхние слои атмосферы попадает много мелких частиц. После взрыва Кракатау в 1883 году по всему миру месяцами наблюдались необычно огненные закаты, и в некоторых городах даже вызывали пожарных, приняв зарево за пожар. А в сумерках, когда Солнце уже скрылось, синеву неба над головой во многом поддерживает озон: он поглощает оранжево-красную часть света, и без него сумеречное небо было бы бледнее и серее.
Белые облака и голубой закат на Марсе
Облака белые, потому что капли воды и кристаллики льда намного крупнее световой волны. Они рассеивают все цвета примерно одинаково, и мы видим белый — или серый, если облако настолько толстое, что пропускает мало света.
На Луне, где воздуха нет, небо чёрное даже днём: рассеивать свет просто нечему. А на Марсе всё наоборот. Днём небо там желтовато-бурое из-за взвеси тонкой пыли, а закаты голубоватые: марсианская пыль рассеивает синий свет в основном вперёд, почти по направлению лучей, и вокруг заходящего Солнца возникает голубой ореол. Такие кадры не раз передавали марсоходы.
И напоследок — эффект, которого мы вовсе не видим. Свет голубого неба поляризован, сильнее всего под прямым углом к направлению на Солнце. Пчёлы ориентируются по этому узору, даже когда Солнце закрыто облаками. Есть гипотеза, что викинги находили Солнце в пасмурную погоду с помощью прозрачных кристаллов исландского шпата, но прямых доказательств из их эпохи пока нет.
Комментарии
Пока нет комментариев — будьте первым.