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.

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.

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.