Почему небо голубое

Солнечный свет выглядит белым, но на самом деле в нём перемешаны все цвета радуги - от красного до фиолетового. Проходя через атмосферу Земли, этот свет сталкивается с молекулами воздуха, а те рассеивают его в разные стороны - причём синие и голубые лучи рассеиваются гораздо сильнее красных. Поэтому, куда бы мы ни посмотрели днём, оттуда до глаза долетает рассеянный синий свет - будто он идёт со всего неба сразу, а не только со стороны солнца.

Что происходит со светом в атмосфере

Свет - это электромагнитная волна, и у разных цветов разная длина волны: у красного она больше, у синего и фиолетового - заметно меньше. Когда такая волна встречает на пути молекулу газа - азота или кислорода, - которая намного меньше её длины, происходит рассеяние: молекула на мгновение получает энергию волны и тут же переизлучает её в произвольном направлении.

Сила рассеяния очень резко зависит от длины волны: чем волна короче, тем сильнее её рассеивают молекулы воздуха. Из-за этого синий свет рассеивается в несколько раз интенсивнее красного. Пролетая десятки километров атмосферы, красный и оранжевый свет почти не отклоняется от прямого пути к земле, а синий постоянно сталкивается с молекулами и разлетается во все стороны. В итоге всё небо становится источником рассеянного синего света - куда ни посмотри, оттуда идёт частица этого излучения.

Почему небо голубое, а не фиолетовое

Раз рассеяние тем сильнее, чем короче волна, логично ожидать, что небо должно быть скорее фиолетовым - у фиолетового света волна ещё короче, чем у синего, и рассеивается он ещё интенсивнее. Отчасти это так: фиолетового света в рассеянном излучении даже больше, чем синего. Но здесь вмешиваются ещё два обстоятельства.

Во-первых, солнце светит не поровну во всех цветах - фиолетового в его спектре заметно меньше, чем синего и голубого. Во-вторых, человеческий глаз устроен так, что рецепторы, чувствительные к синему, реагируют сильнее тех, что улавливают фиолетовый, а мозг при смешении сигналов от разных рецепторов достраивает итоговый оттенок ближе к голубому. Вместе эти два фактора и дают тот самый бледно-синий цвет неба, к которому все привыкли, а не густо-фиолетовый.

Почему на закате небо становится красным

Тот же механизм рассеяния объясняет и цвет заката. Днём, когда солнце высоко, его лучи проходят через атмосферу по короткому пути. На закате солнце стоит у горизонта, и его свет пробивается к нам сквозь гораздо более толстый слой воздуха - по касательной, а не сверху вниз.

За этот длинный путь почти весь синий и голубой свет успевает рассеяться в сторону и до наблюдателя не долетает - он теряется где-то над другими участками земли. До глаза добирается в основном то, что рассеивается слабо: жёлтый, оранжевый и красный свет. Поэтому солнце и небо вокруг него на закате и рассвете окрашиваются в тёплые тона - это не другое солнце и не другой воздух, а тот же эффект рассеяния, только на предельно длинной световой трассе.

Насыщенность закатных красок при этом не постоянна и заметно зависит от состояния атмосферы. Когда в воздухе больше пыли, дыма или вулканического пепла, чем обычно, - например, после крупных лесных пожаров или извержений вулканов, выбрасывающих мелкие частицы в верхние слои атмосферы, - закаты по всему миру на некоторое время становятся особенно яркими и долгими: дополнительные частицы усиливают рассеяние в тёплой части спектра и растягивают его во времени. В обычном чистом воздухе того же эффекта нет, и закат выглядит скромнее.

Почему небо на других планетах другого цвета

Цвет неба зависит от того, чем заполнена атмосфера и есть ли она вообще. На Луне и других телах без атмосферы рассеивать свет попросту нечему, и небо там остаётся чёрным даже днём. На Марсе атмосфера есть, но очень разреженная и насыщенная мельчайшей пылью, которая рассеивает свет иначе, чем чистый воздух Земли - из-за этого марсианское небо выглядит рыжевато-бурым, а не голубым.

Частые заблуждения

Распространено мнение, что небо голубое из-за отражения цвета океанов и морей. Это не так: небо было бы голубым и над сушей, и над пустыней, и на планете вообще без единой капли воды - дело исключительно в рассеянии света газами атмосферы, а не в отражении от поверхности. Ещё одно заблуждение - будто воздух “просто голубой” сам по себе, как подкрашенное стекло. На деле воздух бесцветен, а голубой оттенок возникает только благодаря рассеянию проходящего через него света.

Похожая ошибка - считать, что голубое небо получается из-за цвета самих газов, из которых состоит воздух. Азот и кислород, составляющие почти весь объём атмосферы, бесцветны и в чистом виде никак не окрашены - ни в баллоне, ни в лаборатории они не выглядят голубыми. Голубизна возникает не потому, что эти газы сами по себе синие, а потому, что они по-разному рассеивают разные длины волн падающего на них света. Без солнечного света, падающего на атмосферу, никакого голубого неба не было бы, даже если бы состав воздуха остался прежним.

Где это заметно в повседневной жизни

Тот же эффект объясняет, почему тени в солнечный день кажутся синеватыми: в тень не попадает прямой солнечный свет, зато туда легко проникает рассеянный голубой свет со всего неба, и он подсвечивает затенённые предметы. По похожей причине далёкие горы на горизонте выглядят подёрнутыми синей дымкой - между ними и наблюдателем лежит толстый слой воздуха, рассеивающий часть света точно так же, как рассеивает его вся атмосфера над головой. Фотографы и художники хорошо знают этот эффект и называют его воздушной перспективой - с его помощью на снимках и картинах создаётся ощущение глубины и удалённости.

Тот же принцип рассеяния можно увидеть и в куда более скромном масштабе - в дыму от сигареты или тлеющей свечи. Пока дым свежий и состоит из очень мелких частиц, он на просвет, при взгляде против источника света, кажется голубоватым - это работает то же рассеяние мелкими частицами, что и в атмосфере. Стоит дыму немного расшириться и частицам укрупниться, слипаясь между собой, как он начинает выглядеть уже сероватым или белым - точно так же, как крупные капли облака рассеивают все цвета почти поровну, в отличие от мельчайших молекул воздуха.

Как учёные объяснили голубой цвет неба

Строгого научного объяснения у этого явления долго не было, хотя вопрос “почему небо голубое” задавали ещё в глубокой древности. Одни рассуждения связывали цвет неба с водой - будто небесный свод отражает синеву моря или сам содержит некую голубую субстанцию. Другие считали, что дело в примеси мельчайшей пыли или паров воды, которые как-то “подкрашивают” проходящий свет, хотя объяснить механизм такого подкрашивания никто толком не мог.

Ближе к настоящему объяснению учёные подошли только в девятнадцатом веке. Физик Джон Тиндаль экспериментально показал, что взвесь очень мелких частиц в прозрачной среде рассеивает синий свет заметно сильнее, чем красный: если пропустить пучок белого света через такую взвесь, то сбоку, под углом, она выглядит голубоватой, а прошедший насквозь луч, наоборот, краснеет. Этот эффект избирательного рассеяния мелкими частицами позже назвали в его честь эффектом Тиндаля. Но полного объяснения тогда ещё не было - явление связывали в основном с пылью и капельками влаги в воздухе, а не со свойствами самих молекул газа.

Точную зависимость силы рассеяния от длины волны позже вывел физик Рэлей. Он показал, что интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны света, а значит, синий свет с более короткой волной рассеивается в несколько раз сильнее красного с более длинной - и происходит это даже в идеально чистом воздухе, без всякой пыли, просто из-за взаимодействия света с самими молекулами азота и кислорода. Рассеяние такого типа, вызванное частицами намного меньше длины волны, с тех пор называют рэлеевским, и именно оно отвечает за цвет неба.

Почему облака, туман и молоко белые, а не голубые

Если короткие волны рассеиваются настолько сильнее длинных, кажется странным, что облака над головой выглядят белыми, а не синими. Разгадка - в размере рассеивающих частиц. Молекулы воздуха гораздо меньше длины волны видимого света, и для них справедлив закон Рэлея: чем короче волна, тем сильнее рассеяние. А вот капельки воды в облаке или тумане, частицы пыли покрупнее и жировые шарики в молоке уже сопоставимы по размеру с длиной волны света или крупнее её.

Для таких частиц работает другой тип рассеяния - его называют рассеянием Ми, и сила рассеяния в этом случае перестаёт так резко зависеть от длины волны: все цвета видимого спектра рассеиваются примерно одинаково сильно. Каждая капелька воды в облаке рассеивает и красный, и зелёный, и синий свет почти поровну, а при смешении такого рассеянного света снова получается белый цвет - похоже на то, как смешение всех красок радуги даёт белый. Поэтому облака выглядят белыми, хотя состоят из той же воды, что и вся атмосфера вокруг них. Когда облако становится очень плотным и толстым, к рассеянию добавляется ещё и заметное поглощение света внутри толщи капель, и такое облако выглядит уже не белым, а серым или почти чёрным перед грозой - свет просто не успевает пробиться сквозь всю его толщу и частично гаснет по пути.

Как небо меняется в зависимости от условий

Небо не выглядит одинаково голубым в любой точке и при любых условиях. В горах и во время полёта на большой высоте небо кажется заметно темнее и насыщеннее, чем у поверхности земли: чем выше поднимается наблюдатель, тем меньше воздуха остаётся над ним и тем меньше молекул участвует в рассеянии по пути от солнца к глазу. На очень больших высотах, у самой границы атмосферы, синева становится густой и постепенно переходит в черноту - воздуха там уже настолько мало, что рассеивать свет попросту нечему.

Меняется цвет неба и по горизонтали, в зависимости от направления взгляда. Ближе к горизонту небо обычно выглядит более бледным, почти белёсым, а прямо над головой, в зените, - самым насыщенным и тёмным синим. Причина в длине пути света: луч, доходящий до глаза от участка неба у горизонта, проходит сквозь гораздо более толстый слой атмосферы, чем луч от зенита, и успевает рассеяться многократно. При многократном рассеянии свет разных длин волн перемешивается почти так же, как при рассеянии на крупных частицах, и цвет размывается в сторону белого.

Влияет и загрязнение воздуха. Пыль, дым, капли влаги и другие взвешенные частицы крупнее молекул газа рассеивают свет по законам, близким к рассеянию Ми, - то есть более равномерно по всему спектру. Из-за этого небо над крупным городом или в дни повышенной влажности часто выглядит не насыщенно-синим, а сероватым или белесым: к рэлеевскому рассеянию на молекулах добавляется рассеяние на взвешенных частицах, которое размывает чистый синий оттенок.

Похожая логика объясняет, почему в холодную и сухую погоду небо часто кажется особенно ярким и глубоким по цвету, а в тёплую и влажную - более блёклым. Холодный воздух удерживает меньше водяного пара, а после дождя из атмосферы вымывается заметная часть пыли и других взвешенных частиц. Чем меньше в воздухе крупных частиц, тем ближе реальное рассеяние к чистому рэлеевскому, характерному именно для молекул газа, - и тем гуще выглядит синева.

Рассеяние - не то же самое, что поглощение

Голубой цвет неба иногда путают с другим атмосферным явлением - поглощением света озоновым слоем. Это разные вещи. Озон в верхних слоях атмосферы действительно поглощает часть солнечного излучения, но в основном ультрафиолетовое, невидимое человеческому глазу, а не видимый свет. За голубой цвет неба отвечает не поглощение, а рассеяние: молекулы азота и кислорода не “съедают” синий свет, а перенаправляют его во все стороны, включая направление к глазу наблюдателя, при этом энергия света никуда не исчезает.

Разница между этими явлениями принципиальная. При поглощении энергия света переходит в молекулу и обычно превращается в тепло или расходуется на химическую реакцию, а свет определённой длины волны просто исчезает из проходящего пучка. При рассеянии свет сохраняется полностью, просто меняет направление движения - именно поэтому небо не темнеет и не “теряет” синий свет, а, наоборот, становится его источником: рассеянный синий свет идёт к нам буквально со всех сторон небосвода одновременно, а не только по прямой линии от солнца.