Небо кажется синим, потому что молекулы воздуха рассеивают короткие световые волны сильнее длинных. Синий свет легче отклоняется от прямого солнечного луча и приходит к нам со всего небосвода. Само небо не светится: его цвет создаёт солнечный свет, рассеянный главным образом молекулами азота и кислорода.
Рассеяние Рэлея — это оптическое явление, при котором свет отклоняется частицами намного меньше его длины волны; молекула воздуха более чем в тысячу раз меньше волны зелёного света, поэтому сильнее всего рассеивается коротковолновая часть спектра. Вопрос «почему небо синее» состоит из двух частей: сначала воздух разделяет солнечный свет по длинам волн, затем глаз превращает получившуюся смесь в единое ощущение цвета. Похожий механизм, но в другом масштабе, объясняет и то, почему стекло прозрачное, а дерево — нет.
Что светится, когда мы смотрим вверх
Мы видим солнечный свет, который рассеяли молекулы воздуха. В каждом кубическом сантиметре атмосферы содержится около 2,7 × 10¹⁹ молекул; примерно 78 % приходится на азот, 21 % — на кислород и ещё 0,9 % — на аргон. Каждая молекула отклоняет в сторону ничтожную долю солнечного луча, а бесчисленные отклонения складываются в сплошное голубое свечение над головой.
Если убрать воздух, свечение исчезнет. На Луне нет атмосферы, поэтому небо там остаётся чёрным и днём, и ночью.
Причину долго искали не там. Леонардо да Винчи связывал цвет неба с освещёнными Солнцем частицами испарений на фоне темноты, а два столетия спустя Ньютон — с каплями воды. Ближе к разгадке подошёл Тиндаль: в 1869 году он получил в стеклянном цилиндре голубоватое облако мелких частиц и показал, что рассеянный ими свет поляризован. То, что для синего неба достаточно самих молекул воздуха, доказали лишь в конце XIX века.
Почему воздух сильнее рассеивает короткие волны
Короткие волны рассеиваются сильнее из-за соотношения размеров молекулы и световой волны. Молекула настолько мала, что вероятность отклонения света быстро растёт с уменьшением длины волны. Точную формулу для этого случая в 1871 году вывел физик Джон Уильям Стретт, будущий лорд Рэлей: преимущество короткой волны растёт обратно пропорционально четвёртой степени её длины. Поэтому фиолетовая и синяя части спектра первыми уходят из прямого луча.
В таблице показано, какая доля света каждой длины волны рассеивается из луча при прохождении всей толщи атмосферы в зените.
| Длина волны | Рассеивается из луча в зените |
|---|---|
| 400 нм, фиолетовый | 30 % |
| 450 нм, синий | 20 % |
| 550 нм, зелёный | 9 % |
| 650 нм, красный | 5 % |
| 700 нм, глубокий красный | 4 % |
Синего света рассеивается примерно в четыре-пять раз больше, чем красного, а не в шестнадцать раз, как нередко пишут в популярных объяснениях. Число шестнадцать получается, если к закону четвёртой степени добавить удобное допущение: красная волна ровно вдвое длиннее синей. Два в четвёртой степени и даёт шестнадцать. Но волна вдвое длиннее синей уже относится к инфракрасному излучению, которого человеческий глаз не видит.
Почему небо не фиолетовое
Небо выглядит не фиолетовым из-за особенностей солнечного спектра и человеческого зрения. Воздух действительно рассеивает фиолетовый свет сильнее синего — 30 % против 20 % в зените. Однако фиолетовых фотонов в солнечном свете меньше, а чувствительность глаза к этой части спектра невысока.
Колбочки, чувствительные к синей части спектра, составляют лишь 8–10 % от общего числа колбочек. В самом центре центральной ямки сетчатки — углубления шириной около 0,15 мм, которым мы смотрим прямо перед собой, — их почти нет. В мозг поступает смесь фиолетового, синего, голубого и заметной доли белого. Мозг сводит её к единому ощущению, которое мы называем небесно-голубым цветом.
Физики рассчитывают цвет неба не на глаз, а с помощью цветовой системы CIE XYZ 1931 — набора функций, которые описывают чувствительность человеческих колбочек. Без учёта зрения ответить на вопрос о воспринимаемом цвете неба невозможно.
Зелёного света Солнце излучает почти столько же, сколько синего: в видимой части спектра его излучение довольно равномерно. Но воздух рассеивает зелёный свет примерно вдвое слабее. У горизонта луч проходит более длинный путь, а пыли и влаги там обычно больше, поэтому синева сильнее смешивается с белым.
Почему вечером то же небо становится красным
На закате меняется не состав воздуха, а длина пути солнечного луча через атмосферу. Когда Солнце находится в зените, луч пересекает один слой атмосферы. У горизонта он идёт почти по касательной, и его путь становится примерно в 38 раз длиннее.
После такого пути в прямом свете остаётся около 0,02 % синей части спектра, тогда как красного света доходит ещё примерно 15 %. Это оценка для чистого воздуха: в реальной атмосфере на цвет влияют пыль и аэрозоли, поэтому надёжен порядок величины, а не десятые доли процента. Синий свет не исчезает — он рассеивается намного раньше, за сотни километров от наблюдателя, над местностью, где Солнце ещё высоко и небо остаётся голубым.
Какую роль в синеве неба играет озон
Озон даёт около 3 % синевы зенита, когда Солнце стоит высоко, и до 66 %, то есть примерно две трети, когда оно опускается к горизонту. Значит, цвет неба определяет не только рассеяние света молекулами воздуха.
Причина — полосы Шаппюи. Озон поглощает свет в широкой области спектра с центром около 600 нанометров и выборочно убирает из луча оранжево-красную часть. Он не добавляет синего, а ослабляет противоположный цвет. Слой озона удивительно тонок: если собрать весь атмосферный озон при обычных давлении и температуре, получится плёнка толщиной всего 3 миллиметра на всю многокилометровую толщу воздуха. В 1953 году американский физик Эдвард Халберт из Исследовательской лаборатории ВМС США показал, что в цвете вечернего неба вклад озона больше вклада рассеяния.
Какие наблюдения подтверждают этот механизм
Механизм подтверждают три наблюдения: цвет облаков, небо Марса и поляризация земного неба. Во всех случаях результат зависит от размера частиц, с которыми сталкивается свет: стоит размеру измениться, и свет начинает рассеиваться иначе.
- Облака белые, потому что диаметр их капель составляет около 20 микрометров. Такие капли слишком велики, чтобы заметно разделять видимый свет по цветам: они рассеивают волны разной длины почти одинаково, а их сумма выглядит белой.
- На Марсе радиус пылинки составляет около микрометра, то есть близок к длине световой волны. Кроме того, соединения железа в пыли поглощают широкую сине-зелёную часть спектра. Поэтому днём марсианское небо выглядит желтовато-оранжевым, а на закате вокруг Солнца появляется голубой ореол, который не раз снимали марсоходы.
- Рассеянный свет неба частично поляризован; сильнее всего — под прямым углом к Солнцу, до 70 % в чистом воздухе. Если в атмосфере много пыли или внизу находится светлая поверхность, которая отражает свет, поляризация заметно ослабевает.
Три масштаба дают три разных картины: молекула меньше световой волны, марсианская пылинка сопоставима с ней, а капля в облаке больше в десятки раз. Поляризация показывает тот же процесс рассеяния с другой стороны.
