Каждый день мы поднимаем глаза к небу и видим его в основном голубым. Это кажется нам настолько привычным, что редко возникает вопрос: почему оно именно такое? Ответ находиться в физике света и взаимодействии его с атмосферой Земли.
Свет и его природа
Свет, который мы видим, — это электромагнитные волны, которые распространяются с определённой длиной и частотой. Белый свет, например солнечный, состоит из спектра всех цветов радуги: от фиолетового с короткой длиной волны до красного с длинной. Красный, как видно на картинке ниже, имеет длину волны всего 750 нанометров. 10 миллионов нанометров равны 1 сантиметру. Когда свет от солнца проходит через атмосферу, он сталкивается с молекулами газа, пылью и другими частицами, что изменяет направление его распространения. Этот процесс зависит от свойств света, а также от состава и плотности атмосферы, и именно он становится ключевым для формирования цвета, который мы видим на небе.
Рассеяние Рэлея
Основной механизм, объясняющий голубой цвет неба, — это рассеяние Рэлея. Этот физический процесс заключается в том, что световые волны рассеиваются частицами, которые намного меньше длины волны света (в данном случае — молекулами воздуха). Молекулы кислорода и азота размером примерно в 1 нанометр, когда длина волны синего света 400 нанометров(гораздо больше, да). Частицы света "раскачивают" электроны в молекулах воздуха, и те в свою очередь получают энергию. Электроны стремяться обратно излучить потому что они находятся в возбужденном состоянии, а им это не нужно. Свет, но уже рассеянный излучается в случайном направлении. Смотря на небо, мы видим не свет от солнца, а свет от молекул газа в атмосфере.
Получается, что чем быстрее колеблется электрон, тем больше энергии в нём, и тем быстрее он стремиться отдать эту энергию в виде света. Значит красный свет будет рассеиваться меньше, чем синий, потому что красный свет может раскачать электрон не так сильно как синий. Чем меньше длина волны - тем больше энергии в этом свете.
Почему не фиолетовое?
Вполне логичный вопрос: если фиолетовые волны рассеиваются сильнее, почему небо не кажется фиолетовым? Причина в двух аспектах. Во-первых, в солнечном свете синего света больше, чем фиолетового. Во-вторых, наши глаза более чувствительны к синему цвету благодаря работе рецепторов сетчатки. Так же фиолетовый свет гораздо ближе к ульта-фиолету, чем синий, а ульта-фиолет в нашей атмосфере поглащается озоновым слоем.
Небо в разные моменты дня
Утром и вечером небо приобретает другие оттенки — от оранжевого до глубокого красного. Это происходит из-за того, что солнечный свет проходит через более толстый слой атмосферы. При этом короткие волны (синий и фиолетовый) рассеиваются настолько сильно, что практически не достигают наших глаз, и остаются только и оранжевый.
А как насчёт других планет?
Интересно, что цвет неба зависит от состава атмосферы. Например, на Марсе небо имеет красноватый оттенок из-за большого количества пыли, отражающей свет. А если бы атмосфера планеты состояла из других газов или была плотнее, небо могло бы выглядеть совершенно иначе.