Вы когда-нибудь смотрели на небо в ясный день, восхищаясь его бескрайним пространством, при этом задаваясь вопросом, почему небо синее? Не зелёное, не красное, а именно синее?
Этот, казалось бы, простой вопрос, многих людей ставит в тупик.
Синий оттенок неба — результат сложного взаимодействия солнечного света и земной атмосферы, в первую очередь объясняемого явлением, известным как рэлеевское рассеяние.
В этой статье я попробую объяснить, почему небо кажется синим, с опорой на фундаментальные концепции света, состава атмосферы и человеческое восприятие.
Природа солнечного света
Чтобы понять, почему небо синее, необходимо сначала рассмотреть природу солнечного света.
Солнечный свет, или солнечное излучение, состоит из спектра электромагнитных волн разной длины. Этот спектр включает в себя видимый свет — диапазон длин волн, которые могут воспринимать наши глаза, — от фиолетового (~380 нанометров) до красного (~750 нанометров).
Хотя солнечный свет и кажется нам белым, он представляет собой сочетание всех этих цветов, каждый из которых по-своему влияет на общее восприятие цвета.
Когда солнечный свет попадает в атмосферу Земли, он взаимодействует с молекулами и мелкими частицами, присутствующими в воздухе. Эти взаимодействия играют ключевую роль в определении цвета неба, которое мы видим.
Состав атмосферы Земли
Атмосфера Земли представляет собой смесь различных газов, в основном азота (около 78%) и кислорода (около 21%), а также незначительное количество аргона, углекислого газа, водяного пара и других газов.
Кроме того, атмосфера содержит мельчайшие частицы, такие как пыль, пыльца и сажа. Размер и распределение этих молекул и частиц играют важную роль в рассеивании солнечного света.
Рэлеевское рассеяние: основной механизм
Основной причиной почему мы видим неба в синих и голубых оттенках, является рэлеевское рассеяние, названное в честь британского физика лорда Рэлея, который впервые описал его в XIX веке.
Рэлеевское рассеяние происходит, когда свет взаимодействует с частицами, размер которых намного меньше длины его волны, — в частности, с молекулами газов в атмосфере.
Ключевые характеристики Рэлеевского рассеяния:
- Длинна волны: рассеяние Рэлея сильно зависит от длины волны света. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Это означает, что более короткие волны (синие и фиолетовые) рассеиваются гораздо сильнее, чем более длинные (красные и жёлтые).
- Угол: рассеяние более эффективно при меньших углах, то есть свет рассеивается во всех направлениях, но интенсивность зависит от угла.
Учитывая эти характеристики, синий свет, имеющий более короткую длину волны (~450–495 нм), рассеивается примерно в десять раз сильнее, чем красный свет (~620–750 нм).
Несмотря на то, что фиолетовый свет имеет ещё более короткую длину волны и рассеивается ещё сильнее, небо не кажется нам фиолетовым по нескольким причинам.
Человеческое восприятие цвета
На наше восприятие цвета неба влияет не только физика рассеивания света, но и строение наших глаз. В человеческих глазах есть три типа колбочек, каждая из которых чувствительна к разным диапазонам длин волн: красному, зелёному и синему.
Колбочки, отвечающие за зелёный и красный цвета, более чувствительны, чем те, что отвечают за синий и фиолетовый. Более того, атмосфера поглощает часть фиолетового света, и наш мозг интерпретирует преобладающий рассеянный синий свет как цвет неба.
Положения Солнца
Цвет неба меняется в зависимости от положения Солнца на небе. В полдень, когда Солнце находится высоко над головой, солнечный свет проходит более короткий путь в атмосфере, что приводит к минимальному рассеянию и более глубокому синему цвету неба.
И наоборот, во время восхода и заката солнечный свет проходит более длинный путь в атмосфере, рассеивая больше синего и зелёного света за пределами прямой видимости и позволяя преобладать более длинным волнам, таким как красный и оранжевый, что приводит к ярким цветам восхода и заката.
Дополнительные факторы, влияющие на цвет неба
- Атмосферные условия: влажность, пыль и уровень загрязнения могут изменять свойства рассеивания, меняя интенсивность и оттенок цвета неба.
- Географическое положение: в районах, расположенных ближе к полюсам или экватору, небо может иметь другой цвет из-за различий в составе атмосферы и углах падения солнечных лучей.
- Высота: на больших высотах атмосфера тоньше, что приводит к меньшему рассеянию света и более насыщенному голубому цвету неба.
- Погодные условия: облака и осадки также могут по-разному отражать и рассеивать свет, влияя на цвет неба.