Какое небо синее, какое всё красивое!

...А почему оно, собственно, синее?

Знаете, вопрос "Почему небо голубое?" - звучит как-то по-детски, что ли... Как наивный детский вопрос. Но это только на первый взгляд! Вот представьте, что Вас спросил ребёнок - почему небо голубое? Ответ, казалось бы - очевиден, правда? Вот каждый сейчас себя спросите - а Вы смогли бы ответить? Если нет - сегодняшняя лекция для Вас! И не переживайте, учёные долго не могли понять, почему небо голубое, выдвигая множество мнений по этому поводу.

Цвет небесной лазури по истине великолепен. Всмотритесь ясным днем в небеса - какая глубокая голубизна, и как приятно смотреть на этот небесный оттенок! Смотреть бы и ни о чем не думать... Но вот думается! А почему небо именно голубое, а не, скажем, красное?

Итак, кто виноват в том, что небо голубое? Ничто не происходит просто так, и должна быть какая-то зависимость между одним явлением и другим, в любом наблюдаемой эффект. А ответ очень прост - виноваты звезды. Неплохая фраза на любой случай, звучащий как отговорка, когда не знаешь правильный ответ. Но я Вас уверяю, тут действительно виноваты звезды! Точнее, звезда, ещё точнее, Солнце, а совсем точнее - её свет.

Смотрите. От Солнца исходит свет. Он белого цвета. Он доходит до атмосферы, с ним что-то там происходит и поэтому мы видим небо голубым. Вот это "что-то там" получило название рассеивание Рэлея. Сейчас объясню.

Солнце испускает лучи белого света. Но этот свет - та ещё тёмная лошадка. Он на самом деле и не белый вовсе, а включает в себя весь видимый цветовой спектр, то есть все цвета радуги - красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Это можно наблюдать, пропуская солнечный лучик через призму - мы увидим радугу. Картиночка ниже Вам в помощь. Это происходит из за того, что свет подвергается явлению преломления, преломляется, проходя через призму, среда которой плотнее воздуха, то есть среды, из которого идёт свет. У каждого из цветов есть своя длина волны - у красного волны самые длинные, у фиолетового - самые короткие. Смотрите картиночку ниже.

Хорошо. Первое, что мы установили, что белый солнечный свет на самом деле разноцветный, состоит, получается, из цветных лучей. И среди этих лучей есть голубой. Уже как-то ближе, какие то перекликания с нашим вопросом есть. То есть пока мы понимаем, что свет в атмосфере раскладывается в спектр, но мы почему-то получаем на выходе только лучи голубого цвета.

На картинке - Разложение света в спектр при прохождении через призму.

Длины волн в соответствии с цветом. Не люблю, когда не в ангстремах написано, а в миллиметрах, но картинка очень хорошая. Да и Вам, наверняка всё-таки проще воспринимать информацию о длинах в системе СИ, а не в СГС ;)

А теперь нужно внимательно продумать фразу "свет проходит через атмосферу" и напрячь свои серые клеточки (это, к слову, клетки мозга, так любил говорить литературный Эркюль Пуаро=). Атмосфера - это слой воздуха, прозрачного воздуха, состоящего из некоторых молекул газа. И когда свет проходит через атмосферу, часть лучей спокойно достигает Земли, а некоторая часть, причём бОльшая, сталкивается с этими самыми молекулами воздуха. Летит себе свет на бешеной скорости, и вдруг - молекула. Бац! Авария, столкновение. Когда лучи сталкиваются с молекулами, последние их поглощают, если вернее говорить, поглощаются фотоны (кванты=частицы света). При поглощении фотонов молекулы возбуждаются и в результате этого возбуждения выпускают энергию, тоже в виде фотонов, то бишь, света, но только они уже имеют другую длину волны, так как энергия отлична от энергии тех фотонов, которые пришли в атом изначально. А другая длина волны соответствует другому цвету, то есть свет, прошедший через молекулы воздуха, может быть любого цвета спектра, и причём после встречи с молекулой лучи разлетаются от неё во все стороны. Это и есть явление рассеяния.

А почему получается на выходе именно свет соответствующий синему цвету и следовательно почему небо такого цвета?

Небо выглядит голубым по той причине, что атмосфера рассеивает свет с короткой длиной волны сильнее длинноволнового излучения света.

Интенсивность рассеяния Рэлея, которое возникает из за взаимодействия лучей света с молекулами газов - рассеивающими частицами - воздуха в объёмах, соизмеримых с длинами волн солнечных лучей - пропорциональна 1/(λ^4),

то есть фиолетовые лучи рассеивается приблизительно в 16 раз интенсивнее красных. У нас лучи условно синего цвета, у них более короткие волны и то есть, они больше рассеиваются в атмосфере, чем красные. Но цвет неба не фиолетовый, самый коротковолновой из видимого спектра, что должно быть логичнее, из за меньшей чувствительности глаза к фиолетовому цвету и большей к синему, из за того что глаз больше воспринимает, вернее, интенсивнее всего глаз воспринимает ближе к жёлтому цвету (это обусловлено эволюцией, так как цвет Солнца, самой близкой к нам звезде и мощнейшего источника светового излучения именно жёлтый, к которому глаз должен быть адаптирован лучше всего), идёт такое смещение немного к жёлтой стороне спектра от фиолетового, то есть к синему цвету.

Ещё один нюанс - спектр излучения света солнечного не одинаковый на всех длинах волн — максимум энергии в спектре Солнца приходится на зеленый свет, да и коротковолновый фиолетовый свет активно поглощается в верхних слоях атмосферы. А УФ (=ультрафиолетовое) излучение атмосфера вообще не пропускает! И между прочим этим очень мешает многим исследованиям! Вернее, мешало раньше, в 20 веке, когда не было возможностей исследований ракетами, а наблюдалось все только с Земли. Но зато наша атмосфера нас хорошо защищает и дарит такой чудный цвет небу.

Объясняю, объясняю, долго объясняю. А в Петербурге дни короткие, опа! И уже закат... До чего же он красив... До чего же он прекрасный... До чего же он пре... Красный! Красный же! Стоп. Небо голубое. С этим разобрались. А что произошло с ним, что теперь оно такого цвета?

Картинка заката.

Да и вообще, что на рассвете, что на закате, оно вообще разноцветное какое то. Оно что, покраснело от смущения, что мы ему так много времени уделили сегодня? Да все проще закона Хаббла (в котором, кстати тоже есть такое понятие красное смещение, но это немного другое:)) Ну любит свет красный цвет. А мне к сожалению красный не идёт. Эх, не стать мне лучиком света).

Ну давайте - на рассвете и закате, путь лучей Солнца через атмосферу длиннее, они проходят по касательным к Земле, преодолевая к тому же более плотную атмосферу (чем ниже к поверхности Земли, тем плотнее атмосфера, чем дальше - тем разреженнее) тогда фиолетовые, которых и без того немного, синие и зеленые лучики спектра удаляются почти полностью, остаются более длинные получается жёлтые, оранжевые и красные. Поэтому небо мы и видим преимущественно в таких цветах.

Но есть ещё один фактор - цвет неба зависит еще от количества различных частиц, которые находятся в атмосфере. Например жёлто-оранжевое небо рассвета или заката можно увидеть когда атмосфера довольно чиста, так как чем больше частиц, находящихся в атмосфере, тем краснее небо. Причём отметьте себе - закат обычно более яркий и красный, чем рассвет, потому что воздух к концу дня загрязняется=содержит больше различных частиц, чем утренний свежий и чистый (ну Солнце днем нагревает поверхность Земли, влажность уменьшается, повышается скорость ветра и пыль поднимается вверх, загрязняя атмосферу).

Рассвет. Сравните с картинкой заката. Тут больше желтого цвета, атмосфера чище. Но это не всегда так, рассветы тоже бывают розоватыми:)

Ну что, представили себе эти явления более-менее? Давайте, если все ещё не понятно, я попробую объяснить на марсианском:)

Небо на Марсе.

Днём условным небо на Марсе красноватое. Это как раз таки из за относительно разреженной атмосферы нашего соседа. На Марсе рассеяние Рэлея (которое на Земле причина голубого цвета неба) почти не играет роли, он возникает там в виде голубых рассветов и закатов Солнца, когда свет проходит через атмосферу Марса большее расстояние. Не запутала? У нас - атмосфера плотнее -> рассеивание на молекулах атмосферы - небо голубое, когда свет проходит более короткий путь, небо красное - когда свет проходит более длинный путь. У Марса - атмосфера разреженная -> свету почти не на чем рассеиваться - небо красное (помним что именно красные лучи хуже всего рассеиваются, что мы имеем в данном случае), - небо голубое, когда в атмосфере появляется немного частиц необходимых для рэлеевского рассеяния - небо голубее.



Закат на Марсе. Видите голубой свет?

Ну, как-то так, в общем. Давно хотела рассмотреть этот, казалось бы, наивный детский вопрос, но, между прочим, его долго учёные до Лорда Рэлея не могли объяснить. Поэтому явление и назвали рэлеевским рассеиванием, благодаря которому мы можем наблюдать такие очаровательные небеса!