Мы всю жизнь живем под небом голубым. Это настолько привычно, что мало кто задается вопросом - почему оно голубое? Ответ не такой и простой. Газы, из которых состоит воздух (азот, кислород и далее), не имеют цвета. Но небо, при этом, голубое. Почему?
Для начала нужно вспомнить о том, что видимый свет - это смесь излучения разных длин волн. Длина волны света определяет цвет, который мы воспринимаем. Самые длинные волны видимого спектра наш глаз видит красными. Самые короткие - фиолетовыми.
В 1871 году британский физик лорд Рэлей установил зависимость степени рассеивания света на объектах с размерами меньше длины волны этого света. Закон получил его имя - рэлеевское рассеивание. Примечательно оно тем, что энергия фотонов при переизлучении не изменяется. То есть, если был поглощен "красный" фотон, то "красный" же фотон будет и излучен. Но направление излучения может быль любым, что и приводит к рассеиванию.
В атмосфере молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении. Хаотическое движение приводит к созданию небольших локальных неоднородностей плотности. Эти образования по размеру схожи с размерами длин волн видимого света и на них происходит рэлеевское рассеивание. Чем меньше длина волны, тем эффективнее свет рассеивается. Значит синий и фиолетовый свет в атмосфере рассеивается сильнее. Вот поэтому наше небо видится нам голубым. Стоит сказать, что рассеивание происходит и на мелких частицах пыли и кристалликах льда.
Почему трава зеленая? Наиболее хорошо наша атмосфера пропускает именно видимый спектр. Не зря наши глаза "настроены" именно на него. Растения поглощают фотоны света при помощи пигментов. Какого цвета пигмент лучше подходит? Синяя часть спектра сильно рассеивается. Красная часть спектра несет меньше энергии. Значит самый эффективная часть спектра для фотосинтеза - зеленая. Поэтому растения, в основном, зеленые.
Следует понимать, что такая ситуация имеет место быть только в атмосфере. В воде зеленая часть спектра тоже хорошо рассеивается. На большой глубине рассеивание становится существенным. Тогда лучше использовать красную часть спектра. Как раз на дне глубоких водоемов можно встретить красные водоросли.
Почему закат красный? Это следствие голубого цвета нашего неба. Если бы границы нашей атмосферы простирались гораздо дальше, то слой воздуха, через который проходят солнечные лучи, был бы больше. А значит рэлеевское рассеивание синей части спектра было бы сильнее. Чем больше света рассеивается из синей части спектра, тем больше в исходном потоке остается света из красной части. Будь наша атмосфера раз в пять толще, то мы бы всегда видели только красное Солнце. На закате и на восходе лучи света проходят через атмосферу под меньшим углом к поверхности и преодолевают более толстый слой воздуха. Синяя часть спектра вычитается, окрашивая Солнце в красные цвета.