Почему небо голубое?

• Солнечная система

Вопрос, почему небо имеет голубой цвет, кажется простым, но его научное объяснение связано с глубокими физическими явлениями. Ответ на него лежит в области рассеяния света — процесса, который был подробно изучен английским физиком лордом Рэлеем (Джон Уильям Стретт) в конце XIX века.

Что такое белый свет?

Солнце излучает белый свет, который состоит из семи основных цветов: красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового. Это можно увидеть при прохождении света через призму, где он раскладывается в радугу.

Однако когда свет попадает в атмосферу Земли, не все длины волн доходят до нас одинаково. Именно это делает небо голубым, а не белым или другим.

Теория рассеяния Рэлея

Лорд Рэлей установил, что свет рассеивается молекулами воздуха (азота, кислорода и других газов), и степень этого рассеяния зависит от длины волны:

Чем короче длина волны, тем сильнее рассеяние.

Формула:

Интенсивность рассеяния обратна четвёртой степени длины волны:
I ~ 1/λ⁴

Это значит:

• Фиолетовый свет рассеивается сильнее всего.
• Синий — чуть меньше, чем фиолетовый.
• Голубой — меньше, чем синий.
• Красный — слабее всех.

Но если фиолетовый и синий рассеиваются больше, то почему мы видим голубое небо, а не синее или фиолетовое?

Почему именно голубое?

Хотя фиолетовый свет рассеивается сильнее, чем голубой, наш глаз менее чувствителен к фиолетовому цвету. Также спектр Солнца содержит меньше фиолетового света, чем голубого.

Кроме того:

• Синие и голубые лучи раздражают разные типы колбочек в глазу, создавая ощущение голубизны.
• Молекулы атмосферы рассеивают все коротковолновые компоненты, но голубой цвет доминирует в восприятии человека.

Поэтому мы наблюдаем голубое небо, особенно в ясную погоду, когда в атмосфере минимум крупных частиц (пыль, капли воды), которые могли бы изменить этот эффект.

А как же закат? Почему он красный?

Во время заката или рассвета Солнце находится на горизонте, и его свет проходит через гораздо больший слой атмосферы, чем в полдень.

Что происходит?

• Коротковолновый свет (голубой и фиолетовый) почти полностью рассеивается ещё до достижения поверхности.
• Длинноволновый свет (красный, оранжевый, жёлтый) проходит сквозь атмосферу, поэтому мы видим красные закаты.

Также могут играть роль:

• Аэрозольные частицы (пыль, загрязнения, вулканические выбросы);
• Водяной пар и облака, усиливающие рассеяние;
• Высота над уровнем моря и чистота воздуха.

Почему не фиолетовое?

Хотя фиолетовый свет рассеивается сильнее голубого, он не доминирует в нашем восприятии по нескольким причинам:

1. Солнечный свет содержит меньше фиолетовых лучей, чем голубых.
2. Человеческий глаз менее чувствителен к фиолетовому цвету.
3. Фиолетовый свет частично поглощается верхними слоями атмосферы.
4. Колбочки сетчатки реагируют на синий и голубой цвета так, что дают общий эффект «голубого» неба.

Как другие факторы влияют на цвет неба?

1. Пыль и дым

Если в атмосфере много крупных частиц, таких как пыль или дым, они вызывают рассеяние Ми, при котором все длины волн рассеиваются примерно одинаково.

Это приводит к появлению белесоватого или серого неба — например, в городах или после песчаных бурь.

2. Облака и водяной пар

Облака состоят из крупных капель воды, которые рассеивают все длины волн одинаково — поэтому они кажутся белыми или серыми.

3. Загрязнение воздуха

В больших городах из-за высокого уровня загрязнения небо может казаться серым или оранжевым, особенно в условиях низкой облачности.

Интересные факты

• Если бы наш глаз имел более высокую чувствительность к фиолетовому цвету, мы бы видели фиолетовое небо.
• На Марсе небо имеет розовато-красный оттенок из-за большого количества пыли в атмосфере.
• При высоких широтах зимой, когда солнечный свет проходит через толстый слой атмосферы, небо может казаться бледно-голубым или даже белым.
• Рассеяние Рэлея используется для объяснения цвета неба на других планетах.
• Цвет неба влияет на биологические ритмы человека и даже на работу фотосинтеза у растений.

Цвет неба на других планетах

Современные исследования

Сегодня учёные продолжают изучать, как разные газы и частицы влияют на цвет неба:

• Используются космические телескопы, чтобы наблюдать за атмосферами других планет.
• Изучаются влияние изменения климата на цвет неба — например, увеличение аэрозолей делает небо более белым или желтоватым.
• Разрабатываются модели атмосферы экзопланет, чтобы предсказывать их внешний вид.