Каждый день над нами разыгрывается оптический трюк, к которому мы так привыкли, что перестали удивляться. Утром небо голубое. Вечером — оранжево-красное. А солнце при этом всё то же, и воздух всё тот же.
Самое интересное, что по строгой физике небо вообще должно быть фиолетовым. Но оно голубое. И вот почему природа выбрала именно этот цвет — история, в которой замешаны свет, воздух и особенности нашего собственного глаза.
Разбираем по порядку.
Белый свет — это обман
Начать придётся с того, что солнечный свет только кажется белым. На самом деле он смесь всех цветов радуги разом: красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего, фиолетового.
Доказать это просто — достаточно радуги или стеклянной призмы. Они раскладывают «белый» луч на ленту цветов, которые в нём и сидели всё время. Глаз воспринимает эту смесь как белое, но стоит её разделить — и проступает полный набор.
И каждый из этих цветов — это волна. Красный — длинная и ленивая. Синий и фиолетовый — короткие и частые. Дальше всё держится именно на разнице длин этих волн.
Воздух разбивает короткие волны
Теперь добавим атмосферу. Воздух кажется пустым, но он набит молекулами газа — в основном азота и кислорода. И эти молекулы крошечные, намного меньше длины световой волны.
Когда солнечный луч входит в атмосферу, он врезается в эти молекулы и рассеивается — разлетается в стороны. Но рассеиваются разные цвета по-разному. Короткие синие волны молекулы расшвыривают во все стороны куда охотнее, чем длинные красные. Синий рассеивается примерно вчетверо сильнее красного.
У этого эффекта есть имя — рассеяние Рэлея, по фамилии физика, который описал его ещё в 1871 году.
Вот и весь секрет голубого неба. Синий свет молекулы воздуха расшвыривают по всему небосводу, и он сыплется на нас отовсюду. Мы поднимаем голову — и видим этот рассеянный синий, льющийся со всех сторон. Небо не покрашено, оно просто рассеивает синюю часть солнечного света нам в глаза.
Почему же тогда не фиолетовое?
А вот тут — главная загвоздка. Если короткие волны рассеиваются сильнее, то фиолетовый, у которого волна ещё короче синего, должен рассеиваться вообще лучше всех. По логике небо обязано быть фиолетовым. Но оно голубое.
Не сходится. И разгадка делится на три части.
Первое: фиолетового света Солнце излучает попросту меньше, чем синего. Сырья для фиолетового неба не хватает.
Второе: часть фиолетового перехватывают и поглощают верхние слои атмосферы, не пуская его вниз.
Третье, и самое любопытное: дело в нас самих. Человеческий глаз слабо чувствителен к фиолетовому и куда охотнее видит синий. Даже там, где фиолетовый есть, мозг считывает картинку как голубую.
Получается, цвет неба — это не только физика воздуха, но и устройство нашего зрения. Глаз собаки, например, увидел бы небо иначе.
Закат: свет идёт длинной дорогой
Теперь к вечеру. Почему то же небо вдруг краснеет?
Всё дело в пути, который проходит свет. Днём солнце над головой, и лучам нужно пробить сравнительно тонкий слой воздуха. А на закате солнце у горизонта, и его свет идёт к нам почти вскользь — через гораздо более толстую прослойку атмосферы.
На таком длинном пути синие волны рассеиваются полностью. Их расшвыривает в стороны задолго до того, как они долетят до глаз. И до нас добираются только самые стойкие, длинные волны — красные и оранжевые. Они и красят закат в огненные тона.
По сути закат красный по той же причине, по которой день голубой. Просто синий цвет на длинной дистанции выдыхается и не доходит, оставляя сцену тёплым цветам.
Проверить можно на кухне
И это не отвлечённая теория — эффект легко повторить дома.
Налейте в прозрачный стакан воды и капните туда чуть-чуть молока, чтобы вода осталась почти прозрачной. Мельчайшие частички молока сыграют роль молекул воздуха. Посветите фонариком сбоку — жидкость отдаст голубизной: короткие волны рассеиваются, как в дневном небе. А теперь посмотрите на фонарик сквозь стакан, навстречу лучу, — свет покажется желтовато-красным. Это ваш персональный закат в стакане.
Тот же закон Рэлея, та же физика — только в миниатюре на кухонном столе.
Небо бывает и другого цвета
Раз цвет неба зависит от состава воздуха, то на другой планете он будет другим.
Хороший пример — Марс. Его тонкая атмосфера забита мельчайшей рыжей пылью, которая рассеивает свет иначе, чем земные молекулы газа. Поэтому днём марсианское небо имеет рыжевато-бурый оттенок. А вот закаты на Марсе, наоборот, отдают голубым — почти зеркальная противоположность земному. Цвет неба над головой — это, по сути, подпись конкретной атмосферы.
Что в итоге
За самым будничным зрелищем на свете прячется тонкая работа физики. Небо не выкрашено в голубой — оно лишь рассеивает синюю часть солнечного света сильнее остальных, а на закате эта синева теряется по дороге, уступая место красному.
И есть в этом приятная мысль. Цвет, который мы видим над головой, рождается одновременно из устройства воздуха, поведения света и особенностей нашего глаза. Стоит трём этим вещам сложиться чуть иначе — и небо стало бы фиолетовым, рыжим или вовсе каким угодно. Нам же досталось голубое. И теперь, глянув вверх, можно поймать себя на мысли, что любуешься не краской, а физикой в чистом виде.