Каждый вечер миллиарды людей наблюдают одно из самых обыденных и одновременно самых красивых явлений природы: Солнце, белое или жёлтое в полдень, превращается на горизонте в огромный красный диск, окрашивает небо в оранжевые, малиновые и пурпурные оттенки — и медленно уходит за край земли. Это зрелище настолько привычно, что мало кто задаётся вопросом: почему, собственно, так происходит?
Ответ лежит в физике света, в устройстве атмосферы и в одном явлении, которое носит имя британского учёного XIX века.
Солнечный свет не белый — он разноцветный
Чтобы понять закатную красноту, нужно начать с самого начала — с природы солнечного света. То, что мы воспринимаем как белый свет, на самом деле является смесью всех цветов видимого спектра: от фиолетового и синего до зелёного, жёлтого, оранжевого и красного. Это легко проверить с помощью призмы или даже дождевых капель, которые разбивают солнечный луч на компоненты, образуя радугу.
Каждый цвет в этой смеси соответствует определённой длине волны. Фиолетовый и синий — самые короткие волны (около 380–450 нанометров). Красный — самые длинные (около 620–750 нанометров). Это разделение принципиально важно, потому что именно длина волны определяет, что происходит со светом, когда он проходит через земную атмосферу.
Рассеивание Рэлея: почему небо голубое
Атмосфера Земли — это не пустое пространство. Она состоит из молекул газов, главным образом азота и кислорода, а также из мельчайших частиц пыли и аэрозолей. Когда солнечный свет проникает в атмосферу, он сталкивается с этими молекулами — и начинает рассеиваться: отклоняться от первоначального направления и разлетаться во все стороны.
Физику этого процесса описал британский учёный Джон Уильям Стретт, известный под титулом лорд Рэлей, в 1871 году. Открытое им явление теперь называется рэлеевским рассеиванием.
Его главный принцип: интенсивность рассеивания обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Говоря проще — чем короче волна, тем сильнее она рассеивается.
Синий и фиолетовый свет имеют короткие волны, поэтому рассеиваются примерно в десять раз сильнее, чем красный. В результате синие фотоны «разлетаются» по всему небосводу, приходя к нашим глазам со всех направлений. Именно поэтому небо выглядит голубым — мы видим рассеянный синий свет, пришедший не от самого Солнца, а со всего небесного купола.
Но это дневная картина. На закате всё меняется.
Длинный путь через атмосферу
Ключ к пониманию красного заката — геометрия. Когда Солнце находится высоко над горизонтом, его лучи проходят через атмосферу почти вертикально. Путь от верхней границы атмосферы до поверхности Земли при этом относительно короткий — около 100 километров.
Когда же Солнце опускается к горизонту, угол падения лучей становится очень пологим. Теперь свет вынужден пробираться сквозь значительно большую толщу атмосферы — путь вырастает до 1500–2000 километров и более. Чем ниже Солнце, тем длиннее этот путь, тем большую «стену» воздуха приходится преодолевать каждому фотону.
На таком расстоянии рэлеевское рассеивание успевает «выбить» из луча почти весь синий и фиолетовый свет. Эти короткие волны рассеиваются многократно, отклоняясь в стороны и уходя прочь от первоначального направления. До наблюдателя они практически не доходят. Зато красные и оранжевые волны — длинные и «устойчивые» к рассеиванию — проходят весь этот путь практически без потерь. Именно они добираются до наших глаз. Именно поэтому Солнце на закате выглядит красным или оранжевым.
Это не оптическая иллюзия и не художественное преувеличение. Это физический факт: на горизонте до нас доходит свет, из которого атмосфера буквально вычеркнула все короткие волны.
Почему закаты бывают разными?
Если бы атмосфера состояла только из чистых молекул газа, все закаты выглядели бы примерно одинаково. Но в реальности атмосфера — сложная смесь, и её состав сильно влияет на яркость и насыщенность закатных красок.
Пыль, дым и аэрозоли усиливают рассеивание и могут добавлять в закат дополнительные оттенки. Лесные пожары, пыльные бури, городской смог — всё это делает закаты более насыщенными и красными.
Особенно впечатляющий эффект дают вулканические извержения. Когда вулкан выбрасывает в стратосферу огромные количества диоксида серы, тот превращается в мельчайшие капли серной кислоты, которые могут оставаться на высоте 20–25 километров на протяжении нескольких лет. После крупных извержений — например, вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году — по всей планете наблюдались аномально яркие, почти фантастические закаты малинового и пурпурного цвета. Художники XVIII–XIX веков, работавшие вскоре после мощных извержений, нередко изображали небо именно в таких тонах — и учёные впоследствии использовали эти картины как своеобразный исторический архив вулканической активности.
Влажность тоже имеет значение. Сухой воздух пустынь рассеивает свет иначе, чем насыщенный водяным паром морской воздух. Именно поэтому закаты у тёплого океана часто выглядят мягче и розовее, а в засушливых горных районах — жёстче и краснее.
Феномен зелёного луча
Говоря о закатных явлениях, нельзя не упомянуть редкий и почти мистический феномен — зелёный луч. В момент, когда последний краешек солнечного диска скрывается за горизонтом, иногда можно заметить мгновенную яркую вспышку зелёного цвета. Жюль Верн посвятил этому явлению целый роман, а многие моряки считали его добрым знаком.
Природа зелёного луча — та же оптика. Атмосфера действует как призма, преломляя свет и разделяя его на цвета. Синий и фиолетовый к этому моменту уже «съедены» рассеиванием. Красный — самый нижний слой спектра — скрывается за горизонт первым. Зелёный оказывается в промежутке: он рассеивается меньше, чем синий, и преломляется чуть сильнее, чем красный. В редкие моменты, когда атмосфера особенно чиста и стабильна, именно зелёный свет даёт последнюю вспышку над горизонтом — буквально долю секунды, которую легко пропустить, если не знать, куда смотреть.
Одна физика, бесконечное разнообразие
Парадокс красного заката в том, что за ним стоит строгая и холодная физика, но результат она производит живой, тёплый и каждый раз неповторимый. Уравнения Рэлея одинаковы везде — над пустыней Сахара и над Тихим океаном, над Москвой и над Рейкьявиком. Но состав воздуха, высота горизонта, наличие облаков, влажность и запылённость создают из одного физического механизма бесчисленное множество вариаций.
Когда вы видите закат особенно красным — знайте: это значит, что воздух сегодня был особенно «занят». Он задержал, рассеял и поглотил миллиарды синих фотонов, чтобы к вашим глазам добрались только самые «выносливые» — красные и оранжевые, прошедшие сквозь тысячи километров атмосферы. Каждый такой закат — это в каком-то смысле доказательство того, что воздух, которым мы дышим, существует и работает. Просто мы привыкли видеть в этом красоту, а не физику. Впрочем, одно другому не мешает.