Небо не світиться саме. Те, що ми бачимо вгорі, — це сонячне світло, яке повітря розкидало на всі боки. Молекули азоту й кисню збивають з прямого шляху коротку хвилю приблизно вчетверо охочіше, ніж довгу, тому з усього небосхилу в очі щомиті приходить переважно синє.
Розсіювання Релея — це відхилення світла окремими частинками, які набагато дрібніші за його хвилю: молекула повітря більш ніж у тисячу разів менша за хвилю зеленого променя, тому короткій частині спектра дістається найбільше. Питання «чому небо синє» має дві половини: спершу повітря сортує сонячне світло за довжиною хвилі, а потім око зводить залишок до одного відчуття. Той самий механізм розсіювання, тільки в іншому масштабі, вирішує й чому скло прозоре, а дерево — ні.
Що взагалі світиться, коли ми дивимось угору
Угорі ми бачимо Сонце, яке повітря розібрало на частини. У кожному кубічному сантиметрі повітря — близько 2,7 × 10¹⁹ молекул, і майже всі вони або азот, або кисень: 78 % і 21 %, ще 0,9 % припадає на аргон. Кожна молекула збиває вбік крихітну частку сонячного променя, і незліченні такі відхилення складаються в суцільне блакитне світіння над головою.
Прибрати повітря — і сцена гасне. На Місяці, де атмосфери немає, небо чорне і вдень, і вночі.
Пояснення довго шукали не там. Да Вінчі бачив причину в осяяних сонцем частинках випарів на тлі темряви за ними, а через два століття Ньютон — у краплях води. Ближче підійшов Тіндаль: 1869 року він отримав у скляному циліндрі синювату хмару з дрібних частинок і показав, що розсіяне нею світло поляризоване. Що для синього неба вистачає самих молекул повітря, довели аж наприкінці того ж століття.
Чому повітря вибирає коротку хвилю
Усе вирішує співвідношення розмірів. Молекула настільки дрібніша за світлову хвилю, що збиває її вбік тим охочіше, чим хвиля коротша. Точну формулу для такого випадку вивів фізик Джон Вільям Стретт, майбутній лорд Релей, ще 1871 року: перевага короткої хвилі в ній наростає стрибком, четвертим степенем. Фіолетова й синя частини спектра губляться з прямого променя найпершими.
У таблиці — скільки відсотків світла кожної довжини хвилі вимітається з променя за всю товщу атмосфери в зеніті.
| Довжина хвилі | Розсіюється з променя (зеніт) |
|---|---|
| 400 нм (фіолетове) | 30% |
| 450 нм (синє) | 20% |
| 550 нм (зелене) | 9% |
| 650 нм (червоне) | 5% |
| 700 нм (глибоке червоне) | 4% |
Синього тут вибивається приблизно вчетверо-вп’ятеро більше, ніж червоного, — і не у шістнадцять разів, як часто пишуть у популярних поясненнях. Шістнадцять виходить тоді, коли до закону четвертого степеня додають зручне припущення, ніби червона хвиля рівно вдвічі довша за синю: двійка в четвертому степені й дає це число. Але хвиля, вдвічі довша за синю, — то вже інфрачервоне випромінювання, якого око не бачить.
Чому тоді небо не фіолетове
Повітря тут якраз спрацювало: короткому фіолетовому дістається навіть більше, ніж синьому, — 30 % проти 20 % у зеніті. На колір неба це майже не впливає, бо після повітря стоїть ще один фільтр — людське око. Фіолетових фотонів у сонячному спектрі менше, а колбочок, чутливих до цієї частини спектра, в оці мало.
Синіх колбочок у людському оці 8–10 % від усіх. На самому дні центральної ямки сітківки — заглибині завширшки близько 0,15 мм, якою ми дивимось просто перед собою, — їх майже немає. У мозок приходить суміш: фіолетове, синє, блакитне і помітна домішка білого. Він зводить її до одного відчуття, яке ми називаємо небесно-блакитним.
Колір неба фізики рахують не «на око», а через колірну систему CIE XYZ 1931 — функції, які описують чутливість колбочок людини. Відповіді без ока в цього питання немає.
Зеленого Сонце шле практично стільки ж, скільки синього: у видимій частині воно світить майже рівно. Але повітря збиває зелений промінь удвічі слабше. Біля обрію світло йде довшим шляхом, та й пилу з вологою там більше, тож синява розбавляється білим.
Чому те саме повітря ввечері дає червоне
Змінюється не повітря, а довжина шляху крізь нього. Коли світило стоїть у зеніті, променю треба перетнути один шар атмосфери; коли воно сідає за обрій, той самий промінь іде по дотичній і долає шлях у 38 разів довший.
На такій дистанції від синьої частини спектра в прямому світлі лишається 0,02 %, а червоного долітає ще близько 15 %. Оцінка ця — для чистого повітря: у реальній атмосфері працюють ще пил і аерозоль, тож точним тут є порядок величини, а не десяті частки відсотка. Синє світло нікуди не зникає — воно розсіялося значно раніше, за сотні кілометрів звідси, над місцевістю, де Сонце ще високо, а небо ще блакитне.
Скільки в синяві озону
Колір зеніту робить не саме лише повітря. Коли Сонце високо, озон дає 3 % синяви зеніту; коли сідає — 66 %, тобто дві третини.
Причина — смуги Шаппюї: озон поглинає світло широким провалом із центром на 600 нанометрах і вибірково вирізає з променя помаранчево-червоне. Синього він не додає, а забирає протилежний колір. Шар цей на диво тонкий: увесь озон атмосфери, зібраний при звичайних тиску й температурі, утворив би плівку завтовшки 3 міліметри — на всю багатокілометрову товщу повітря над головою. Ще 1953 року американський фізик Едвард Галберт із Дослідної лабораторії ВМС США показав, що на вечірньому небі озон важить більше за розсіювання.
Три перевірки, які показують, що механізм саме такий
Далі все впирається в розмір частинки, з якою зустрічається світло: варто йому змінитися — і колір неба стає інший.
- Хмари білі, бо їхні краплі — близько 20 мікрометрів у поперечнику — завеликі, щоб сортувати світло за кольором. Вони розсіюють усі довжини хвилі майже однаково, і сума дає білий.
- На Марсі радіус пилинки — мікрометр, тобто приблизно сама довжина світлової хвилі. До того ж сполуки заліза в цьому пилу широко поглинають синьо-зелену частину спектра. Тому вдень тамтешнє небо жовтувато-помаранчеве, зате навколо Сонця на заході з’являється блакитна облямівка — її не раз знімали марсоходи.
- Розсіяне небесне світло частково поляризоване, найсильніше — під прямим кутом до Сонця, до 70 % у чистому повітрі. Коли в атмосфері багато пилу або внизу лежить світла відбивна поверхня, поляризація помітно слабшає.
Три розміри — три кольори неба: молекула, дрібніша за хвилю; марсіанська пилинка, майже з неї завбільшки; крапля в хмарі, у десятки разів більша. Поляризація показує те саме розсіювання під іншим кутом.
