Как необычайны порой оттенки на небе, которые играют то одними цветами, то быстро переходят в другие или радуют глаз плавными градиентами. В лекции будет показано, как и почему небо на закате и сумерки приобретает свои цвета, почему ночное небо не всегда темное, почему горное небо такое синее и почему обычно днём оно голубое. А также розовый, персиковый и сиреневый на небе по сезонам. Рассмотрены условия сумерек в различных частях земного шара и в различное время года. Оказывается, сумеречная синева имеет совсем другую природу, чем дневная. Здесь помимо рассеяния света Релея, ответственного за голубизну неба еще вступает в силу поглощение Шаппюи.
Прежде всего нужно познакомиться с таким понятием, как релеевское рассеяние света. Здесь речь пойдет о ситуации рассеяния света на объектах, размеры которых меньше его длины волны. Релеевское рассеяние света пропорционально частоте световой волны в четвертой степени и значит, рассеиваются больше всего волны в сине-фиолетовой области спектра. Таким образом, рассеяние света Релея – это рассеяние без изменения длины волны на частицах, неоднородностях или других объектах, когда размеры рассеивающих частиц меньше длины волны света.
Но что вообще такое рассеяние и как рассеивает молекула? Свет рассеивается только при взаимодействии с молекуламии частицами, иначе он походит через среду беспрепятственно. При этом молекула наиболее вероятно рассеивает свет в направлении назад и вперед, нежели в перпендикулярном. Таким образом, часть рассеянного света все равно дойдет до наблюдателя.
Когда луч солнечного света, который имеет в своем спектре все цвета видимого диапазона и потому кажется нам интегрально белым, проходит через атмосферу, некоторые цвета солнечного луча рассеиваются и поглощаются молекулами воздуха и взвешенными частицами, изменяя его цвет.
Почему днем небо голубое?
Небо днем голубое ввиду релеевского рассеяния света, имеющего максимум в коротковолновой области спектра (сине-фиолетовых оттенках). Однако оно не фиолетовое, потому что интенсивность Солнца в голубых лучах больше и самый пик приходится на зеленые оттенки согласно закону о тепловом излучении абсолютно черного тела. Именно поэтому интегральная картинка всего видимого диапазона воспринимается глазом как голубой цвет, отодвинутый от фиолетового края, но тяготеющий именно к этой стороне спектра. Более того, глаз человека лучше воспринимает синие цвета, нежели фиолетовые.
Закатные краски
Когда Солнце движется к закату, свет от него проходит через большую толщу атмосферы, чем днем, когда Солнце находится вблизи зенита, и путь, преодолеваемый светом, увеличивается. Молекулы атмосферы поглощают и рассеивают синий свет гораздо лучше, чем красный, поэтому солнечный свет теряет коротковолновую составляющую, а другие цвета, такие как красный, оранжевый и желтый, могут продолжать проходить сквозь атмосферу без изменений. Поэтому небо на закате кажется красным. Более того, при рассеянии большей части спектра общая интенсивность излучения снижается и на Солнце можно смотреть безболезненно.
Самые красные оттенки наблюдаются у горизонта, потом они плавно переходят в оранжевые и желтые цвета. При этом интенсивность света падает и небо тускнеет.
Градиенты в закатном небе обусловлены рассеянием лучей, проходящих различную толщу атмосферы. Синие рассеиваются сильнее, чем желтые и красные и поэтому их можно наблюдать только в зените относительно заходящего Солнца (куда они идут не через такую плотную атмосферу, как к горизонту — с высотой плотность атмосферы экспоненциально падает). Иногда можно заметить и зеленый оттенок, но в очень узкой переходной области. Зелёные цвета получаются потому, что синие уже расселись на этой толщине атмосферы, а красные по сравнению с зелеными, которые занимают максимум спектра, еще не начали преобладать.
Если много взвешенных капель в атмосфере, то небо особо красное практически без желтых оттенков, потому что атмосфера плотнее и рассеяние интенсивное.
На закате у горизонта ещё сохраняются лучи, которые подсвечивают вышележащие слои неба, потому они и желто-красные. И также аналогично за ними зеленые и голубые подсвечивают более высокие слои, проходя через меньший слой воздуха (где его плотность падает) и меньше рассеиваясь по пути, а до верха дойдут через менее плотные слои атмосферы даже синие.
Когда Солнце уже зашло за горизонт, то мы все ещё видим жёлтые оттенки у горизонта. Однако это уже не прямой свет, а рассеянный молекулами, но так как луч суммарно проходит большую толщину атмосферы, то все синие рассеиваются и остается только жёлтая составляющееся. Для более верхней части неба луч проходит менее плотные слои атмосферы и там меньше рассеянных синих цветов. Почему видны желтые цвета, а не красные — из-за отсутствия прямых лучей.
Загадки сумеречной синевы неба
Сумерки — это время, когда Солнце заходит за горизонт и естественная освещенность неба падает.
После заката небо начинает приобретать сине-желтые цвета, причем они располагаются градиентом — у горизонта больше желтых, а выше — синих цветов. Все эти послезакатные градиенты связаны с прохождением солнечным лучом все большей толщины атмосферы, на которой сначала рассеиваются все синие, потом зеленые и уже потом еще более теплые цвета. Это происходит потому, что рассеяние лучей синей части спектра с более высокими частотами (и короткими длинами волн) оказывается эффективнее, что следует из формулы рассеяния Релея, где интенсивность рассеяния зависит от четвертой степени частоты падающей световой волны. Эта формула справедлива для частиц, размеры которых меньше, чем длина этой световой волны. Именно поэтому небо днем и голубое. Оно могло бы быть фиолетовым, но в солнечном спектре больше зеленых квантов света, поэтому интегрально получается именно голубой цвет.
Оказывается, что синева сумеречного неба имеет отчасти другую природу, чем дневного. И это даже по оттенку не совсем такой синий, как днем, словно лишенный каких либо примесей из теплого участка гаммы цветов. В сумерки лучу до зенита снова нужно идти долгий путь, в том числе через плотные слои атмосферы. Если бы существовало только Релеевское рассеяние, то тогда небо в сумерках было бы бледно-жёлтое [Hulbert, E. O. 1953, JOSA, 43, 113], потому что все синие относительно желтых рассеялись бы больше. Но помимо релеевского рассеяния здесь присутствует еще и новый процесс — поглощение Шаппюи. Когда солнце опускается значительно ниже горизонта, его прямой свет может достигать только верхней атмосферы.
Бывает несколько видов сумерек, различающихся по времени своего пришествия на небо, оттенкам и глубине цвета:
1. Гражданские сумерки, когда Солнце опускается ниже горизонта меньше, чем на 6 градусов. В это время ещё можно обойтись естественным освещением и небо имеет легкие отсветы заходящего Солнца у горизонта, а если есть взвешенные капли воздуха – то сиреневатые тона после его захода и синие цвета в зените.
2. Навигационные сумерки, когда Солнце располагается в диапазоне 6-12 градусов ниже горизонта. Это время самой интенсивной яркой синевы.
3. Астрономические сумерки, когда Солнце находится не ниже 18 градусов за горизонтом. В эти сумерки уже можно наблюдать звезды. Здесь оттенки уходят в ультрамарин и индиго.
В конце гражданских сумерек в зените небо получает прямой солнечный свет на высоте 40 км и выше. В сумерки до зенита лучу прямого солнечного света приходится проходить очень длинный путь через атмосферу, еще длиннее, чем на закате. При этом большинство синих цветов рассеивается релеевским рассеянием и по идее должна оставаться желто-красная область спектра. Однако ввиду малой интенсивности приходящего света и низкой плотности воздуха на данной высоте, которая экспоненциально падает (для 40 км она равна 1/1000-ой от плотности на уровне моря, поэтому на данной высоте воздух рассеивает мало света) здесь начинает доминировать эффект поглощения озона, названный поглощением Шаппюи, который убирает желтые и красные оттенки из общего цвета неба, когда луч проходит долгий путь через озоновый слой. В итоге остается часть рассеянного синего цвета релеевским рассеянием и именно этот синий достигает нашего зрения, рассеявшись верхними слоями атмосферного воздуха. Поэтому сумеречное небо не такое яркое, как дневное. Релеевское рассеяние дает третью долю вклада в цвет неба и остальную часть дает именно поглощение Шаппюи, поэтому интегрально сумерки синие.
Эффект Шаппюи заключается в поглощении излучения видимого диапазона озоном и наиболее заметен в озоновом слое, лежащем на высотах 20-40 км в атмосфере Земли. Он назван в честь французского ученого, который в 1882 году обнаружил сине-фиолетовый цвет жидкого озона при прохождении через него света. Полосы поглощения Шаппюи встречаются на длинах волн от 450 до 650 нм. В этом диапазоне находятся два максимума поглощения одинаковой высоты при 575 и 603 нм (желтый и оранжевый цвета).
По сравнению с поглощением ультрафиолетового света озоновым слоем, известным как поглощения Хартли и Хаггинса, поглощение Шаппюи заметно слабее. В течение дня озон практически не влияет на цвет неба, когда Солнце проходит через озоновый слой перпендикулярно или почти перпендикулярно, как на закате. В сумерках же солнечный луч косо проходит длинный путь по озоновому слою.
Но почему, несмотря на длинный путь луча в сумерках, не видны красные оттенки (по аналогии с закатным небом)? Ведь поглощение Шаппюи не убирает весь красный диапазон, а вырезает только его начало. Оказывается, красных цветов остается совсем мало при небольшой интенсивности общего излучения и особенно красных сравнительно с синими в спектре, в итоге красный становится практически неразличим. Более того, вместе с синим красный может давать суммарно фиолетовые оттенки. На закате красные подкрепляются желто-оранжевыми тонами, но и даже там они не абсолютно красные, потому что красный теряется ввиду малой интенсивности этой части спектра.
Другие оттенки сумерек
Градиент сумеречного неба включает в себя желтоватые оттенки у горизонта, зелено-голубоватые после них и далее ближе к зениту синие. У горизонта остаются будто бы кусочки закатного неба. В это время спадает интенсивность света, молекулы воздуха рассеивают дошедшие до них лучи через градиент плотности атмосферы. В разных областях неба разная доля прямых солнечных лучей, дошедших до молекулы на этом участке. Чем их больше – тем более красной видна эта область. Соответственно, сами молекулы рассеивают определённый кусок спектра далее, который уже доходит до наблюдателя. Чем больше интенсивности излучения, тем краснее небо в сумерки и в закат. Важно направление падения лучей и, соответственно, рассеяния.
В сумерки до глаза не доходят прямые солнечные лучи, а доходят только рассеянные молекулами воздуха. У синих рассеяние Релея больше, следовательно в такой ситуации они с большей вероятностью, чем желтые дойдут до глаза. Однако если по дороге они все рассеялись на большой толще атмосферы, то дошедшие до определенных высот неба лучи будут рассеиваться молекулами из оставшегося диапазона — желтые и красные. Постепенно эти оттенки ползут по небу в зависимости от положения Солнца и толщины атмосферы, которую оно при этом проходит, причем чем дальше Солнце за горизонтом, тем выше этот градиент (толщина атмосферы, которая ет рассеяние, суммируется по высоте и слоям воздуха). Также и на обратной к закату стороне при начале захода Солнца образуется градиент неба. Верх неба Солнце еще подсвечивает прямо, а туда идут лучи более долгой дорогой.
Желтые и голубые оттенки в сумерки у горизонта связаны с большей плотностью атмосферы и меньшим путем прохождения луча по озоновому слою. А именно, у горизонта в сумерки небо голубее, потому что там плотнее атмосфера и через эту часть неба луч меньшее расстояние идет по озоновому слою и примешивается кусочек желтого спектра от лучей, которые не проходят долгий косой путь по озоновому слою. Получается своего рода градиент озона: луч сначала частично его проходит, потом проходит сильнее, но нелинейно и неравномерно.
Ближе к горизонту общая интенсивность света больше, чем в зените и интегрально небо кажется голубым. Увеличивается роль пика солнечного излучения в голубо-зеленых цветах. Чем выше поднимается Солнце, тем больше усиливаются эти два эффекта.
Также стоит отметить, что синий наверху в сумерки не такой синий, как на закате — он более насыщенный, темный и глубокий. B не только потому, что интенсивность падает, но еще и потому, что синий лишен желто-оранжевых оттенков. На закатном небе вверху цвет голубее и остается таким из-за того, что плотность атмосферы в зените меньше. До верха неба доходят прямые лучи и красных до туда доходит больше, хоть они меньше рассеиваются, но рассеивать остается больше красных, чем синих. Однако поглощение Шаппюи их убирает и в итоге все же синие доминируют. На обратную сторону от заката красные лучи не доходят, там только остаются синие, которые блуждают по атмосфере.
Однако и в этой области неба цвет также насыщенный. Все дело в том, что уже приходящие лучи, которые перерассеиваются и блуждают по атмосфере, имеют такую преимущественную составляющую длин волн.
В сумерки к горизонту луч проходит меньший путь, чем к зениту, хотя и достаточно большой для рассеяния синих цветов, однако здесь меньше озоновый слой проходится лучем, поэтому желто-красные оттенки остаются (градиенты получаются в зависимости от толщины прошедшей атмосферы).
В итоге, цвет сумеречного неба и предшествующих градиентов складывается из трех факторов: обычного рассеяния Релея, толщины атмосферы и длины пути по озоновому слою.
Редкий зеленый на сумеречном небе
Еще один вопрос — откуда появляются зеленые оттенки между желтыми и синими в сумерках, ведь эффект Шаппюи должен вырезать и их из спектра, хотя максимум приходится именно на желтую его часть? Дело в том, что это может наблюдаться только в очень узкой области пространства и в короткий временной интервал, когда синие оттенки уже убрались релеевским рассеянием, а зеленые еще нет, при этом желто-красные еще не начали преобладать (их интенсивность ниже интенсивности зеленых). Путь луча до этой области меньше, чем до зенита.
Помимо этого, поглощение Шаппюи наблюдается только в своем максимуме — желтых оттенках, зеленый меньше отрезается в спектре поглощением озона. Скорее всего на этих высотах луч еще не идет так долго через озоновый слой.
После заката идут конкурентные процессы — рассеяние на плотной атмосфере и поглощение Шаппюи. На удалении от садящегося солнца желтые оттенки уходят и остаются зеленые. Почему же они не перекрываются синими — потому что у горизонта ввиду большой толщины атмосферы рассеяние синих превалирует над поглощением зеленых, которое не так велико, как желто-оранжевых. Вот такие казалось бы интуитивно понятные и аналогичные закату градиенты становятся совсем не аналогичными и логичными без знания о поглощении отдельных молекул атмосферы.
Зелёный цвет присутствует в градиенте, когда Солнце уже закатилось, но его практически нет на закатном небе, хотя жёлтые уже во всю есть. Дело в том, что плотность атмосферы падает неравномерно. И в случае заходящего Cолнца для возможности появления зелёного оказывается очень узкий промежуток высоты, а в ситуации уже зашедшего не такое резкое падение плотности воздуха и есть возможности для градиента.
О других необычайных цветах на небе продолжение следует. Пурпурный, сиреневый, ночные подсветы, редкий зеленый луч и горное небо откроют нам новые небесные горизонты.
______________________________
Лекция была прочитана в культурно-просветительском центре «Архэ» 04.04.24 в ряде лекций курса "Мы внутри физики".