Почему днём небо синее, а на закате красное
Наблюдая за небом в разное время суток, мы часто задаёмся вопросом: почему же ясным днём нам видится чисто голубое небо, а на закате оно переливается оттенками красного, оранжевого и розового? Ответ на этот вопрос лежит в физике света и атмосферы нашей планеты, и разобраться в нём можно даже без глубоких знаний математики или оптики. В этой статье мы расскажем об основных причинах такого красочного явления, используя простые слова и понятные сравнения. Сразу отмечу, что мной использованы некоторые упрощения (не сильно отличающиеся от реального положения вещей), поэтому просьба к физикам 99 уровня - не кидаться тапками.
Основы взаимодействия света и атмосферы
Свет, приходящий от Солнца, на первый взгляд кажется нам прозрачным или белым. Однако, если провести спектральный анализ, окажется, что солнечный свет состоит из множества цветов, которые вместе создают его "белизну". Свет является электромагнитной волной, которую можно представить в виде колебания напряжённостей электрического и магнитного полей в пространстве и времени. Так... обещал же простыми словами, ладно.
Достаточно знать, что каждый из этих цветов характеризуется своей длиной волны: от коротких волн (синий, фиолетовый) до длинных (красный, оранжевый). Когда свет проходит через атмосферу Земли, он сталкивается с миллиардами мельчайших частиц — пылью, молекулами газа, капельками воды. Это столкновение и изменяет направление распространения света. Потерпите ещё один абзац и всё станет понятно :)
Примерный спектр солнечного излучения
Рассеяние Рэлея: почему небо голубое?
Одно из главных явлений, влияющих на цвет неба — это так называемое рассеяние Рэлея. Оно происходит, когда солнечный свет рассеивается в атмосфере из-за столкновения с молекулами воздуха и мелкими частицами. Особенность рассеяния Рэлея заключается в том, что оно зависит от длины волны света: чем короче волна и больше объект (пылинка, пар и тд.), тем сильнее свет рассеивается. Можно сказать, что свет с большей длиной волны огибает "препятствие", тогда как более короткие волны сталкиваются с ним и меняют направление движения.
Рассеивание солнечного света в атмосфере
Так синий цвет, обладающий короткой длиной волны, рассеивается практически во всех направлениях намного интенсивнее, чем красный свет. Именно поэтому, когда мы смотрим вверх в ясный день, наше зрение ловит рассеянный синий свет от всех участков неба, и оно кажется нам голубым.
По одной из версий, именно поэтому запрещающий сигнал светофора (семафора) красный - его видно издалека даже в условиях густого тумана
Представьте себе мощный фонтан, вода которого разбрызгивается на мелкие капельки. Так же и с солнечным светом: коротковолновой синий свет «брызгается» сильнее и в большом количестве разносится по небу, окрашивая его в голубые тона.
Почему же на закате и рассвете небо красное?
Если дневное небо выглядит голубым за счёт интенсивного рассеяния синего света, то почему же же в утренние и вечерние часы мы наблюдаем совсем иное явление — закатное небо, пылающее красными и оранжевыми тонами? Ответ кроется в том, что в эти периоды солнечный свет проходит через воздух под гораздо большим углом. На этом пути свет должен преодолеть гораздо больший слой атмосферы, прежде чем попасть к нашим глазам.
В течение дня, когда солнечный диск высоко в небе, путь света до нашего наблюдателя относительно короткий, и большая часть синего света рассеивается, окрашивая небо в голубой цвет. Но когда Солнце находится близко к горизонту, свет проходит через большее количество воздуха, и синие лучи грубо говоря "отфильтровываются", а остаются лишь красные и оранжевые. При таком длинном пути синий свет рассеивается практически не доходя до наблюдателя. Остаток же, состоящий из длинноволновых цветов — жёлтого, оранжевого и красного — проходит через атмосферу с меньшими потерями, что и объясняет насыщенные тёплые оттенки заката.
Кстати, если вы вернётесь к картинке, которая стоит в заглавии этой статьи, то увидите, что в верхней её части небо остаётся голубым, в то время как ближе к горизонту приобретает ярко-красный оттенок. Теперь, зная как рассеивается в атмосфере свет с разной длиной волны, вы сами сможете ответить на вопрос почему так происходит.
Кроме того, на пути солнечного света через атмосферу могут оказываться частицы пыли, капли влаги и даже загрязняющие вещества. Именно поэтому в некоторых регионах мира закаты кажутся особенно яркими и насыщенными: дополнительные частицы в воздухе усиливают эффект «отсевания» коротких волн, оставляя преимущественно длинноволновый, красный свет.
Роль переизлучения и отражения света
Не следует забывать и о том, что не только рассеяние, но и отражение света от облаков и других атмосферных структур могут влиять на наблюдаемый цвет неба. Облака, например, сами по себе могут отражать солнечный свет, добавляя дополнительные оттенки и контрасты в общую картину. При этом сами облака зачастую выглядят белыми, так как их относительно крупные капельки рассеивают свет практически равномерно во всех направлениях, не отдавая предпочтение какому-либо одному цвету. Однако, на закате, когда преобладают тёплые тона солнечного света, облака могут усилить эффект закатной палитры, блестя яркими оранжевыми, розовыми или даже пурпурными оттенками.
Послесловие
В течение многих веков люди задавались вопросом, почему небо имеет именно такой цвет. Появление теории рассеяния Рэлея стало настоящей революцией в объяснении природных явлений. Джон Уилер Рэлей, изучая свойства света, выявил, что именно зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны и есть ключ к разгадке тайны голубого неба. Раньше существовали и иные представления о том, почему небо выглядит голубым, но именно теория Рэлея оказалась верной и получила широкое признание в научном сообществе.
Практический эксперимент своими глазами
Одним из лучших способов понять, как работает рассеяние света в атмосфере, является простой эксперимент. Возьмите прозрачный сосуд, наполненный водой, и добавьте в него несколько капель молока. Вначале вы увидите, что жидкость становится слегка мутной, а при ярком свете, проходящем через неё, лучи становятся разбросанными, а не четкими. Это схоже с тем, как свет рассеивается в атмосфере, когда солнечные лучи проходят через воздух, наполненный мелкими частицами.
Это явление учит нас тому, что даже самые привычные вещи в нашей жизни имеют глубокие научные причины, которые можно понять, если потратить немного времени на наблюдение и размышление. Однако в мире, где наука раскрывает тайны мироздания, природа не теряет своей магии, а каждый закат становится приглашением к познанию и вдохновению. Надеемся, что теперь, глядя на небосвод, вы будете не просто наслаждаться его красотой, но и помнить о тонких физических процессах, создающих этот чудесный спектакль каждый день.