Конец сентября. Идёшь из школы, а солнце уже клонится к крышам. Днём на него было больно смотреть, а сейчас оно висит над горизонтом тусклым оранжевым шаром, и на него можно глядеть, почти не щурясь. Край неба над домами порозовел, облака снизу загорелись медью. А ведь ещё в обед над этими же крышами стояла чистая голубизна.
Куда подевалось голубое? И откуда оно вообще взялось — воздух-то прозрачный?
Небо голубое, потому что солнечный свет состоит из всех цветов радуги, а крошечные молекулы воздуха разбрасывают во все стороны синие лучи гораздо сильнее, чем красные. Этот рассеянный синий свет приходит к нам со всех сторон неба. А на закате солнечные лучи идут к нам сквозь очень толстый слой воздуха: синий цвет по дороге успевает рассеяться, и до нас доходят в основном оранжевые и красные лучи.
Звучит коротко, но за этими словами прячется одна из самых красивых загадок физики. Над ней ломали голову великие учёные.
Из чего сделан солнечный свет
Солнечный свет кажется нам белым. Но почти четыреста лет назад Исаак Ньютон пропустил солнечный луч через стеклянную призму, и на стене вспыхнула радужная полоска: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Белый свет оказался смесью всех цветов.
Физики говорят, что свет — это волна, и у каждого цвета своя длина волны. У красного волны длинные и пологие, у синего и фиолетового — короткие и частые. Запомним это: сейчас пригодится.
Почему небо голубое: объяснение простыми словами
Воздух только кажется пустым. В нём несутся бесчисленные молекулы азота и кислорода, такие крошечные, что их не разглядеть ни в какой обычный микроскоп. Солнечный свет, пролетая сквозь атмосферу, натыкается на них, и молекулы разбрасывают часть света в разные стороны. Это называется рассеянием.
Но рассеивают они разные цвета по-разному. Короткие синие волны молекулы отбрасывают куда охотнее, чем длинные красные. Если сравнить фиолетовый край радуги с красным, разница выйдет почти в десять раз. Красный свет проходит сквозь воздух, почти не сворачивая, а синий то и дело отскакивает в сторону, как мячик в толпе.
И вот что получается. Прямо от Солнца к нам летит почти белый свет. А со всех остальных сторон неба к нам приходит свет, который молекулы отбросили в сторону, — и в нём больше всего синего. Поэтому, куда ни глянь, небо светится голубым.
Кто разгадал загадку голубого неба
Люди спрашивали, почему небо голубое, с древности. Но разгадать загадку удалось лишь в XIX веке. Английский физик Джон Тиндаль заметил в опытах, что облачко из мельчайших частичек, если осветить его сбоку, отливает голубым. А лорд Рэлей вывел формулу: чем короче волна, тем сильнее она рассеивается. Поэтому рассеяние, которое делает небо голубым, и называют рэлеевским.
Любопытно, что сначала и Тиндаль, и Рэлей думали, будто синий свет разбрасывают пылинки и капельки воды в воздухе. Потом стало ясно, что пыль тут не главное: хватает самих молекул воздуха. Точный расчёт в 1911 году сделал Альберт Эйнштейн. Так что над цветом неба поработал и самый знаменитый физик XX века.
Почему небо не фиолетовое?
Вот честный подвох. Если короткие волны рассеиваются сильнее всех, то фиолетовые должны рассеиваться ещё лучше синих. Почему же небо не фиолетовое?
Причин несколько. Во-первых, в солнечном свете фиолетового меньше, чем синего и голубого. Во-вторых, часть фиолетовых лучей поглощается высоко в атмосфере. И в-третьих, наши глаза гораздо хуже замечают фиолетовый цвет, чем синий и зелёный. Всё вместе складывается в ту самую небесную голубизну, которую мы видим. Небо, по сути, немного фиолетовое, просто наш глаз видит его голубым.
Почему закат красный
Днём, когда Солнце высоко, его свет пробивает атмосферу почти отвесно, по короткой дороге. Синего по пути теряется немного, и Солнце кажется нам белым или желтоватым.
А вечером Солнце опускается к горизонту, и его лучи идут к нам не сверху, а сбоку, вдоль поверхности Земли. Толщина воздуха на этом пути огромная: у самого горизонта — в несколько десятков раз больше, чем в полдень. Пока свет пробирается сквозь такую толщу, почти весь синий и зелёный цвет рассеивается в стороны. До наших глаз долетают те лучи, что рассеиваются хуже всего, — оранжевые и красные.
Поэтому и Солнце на закате становится красным, и небо вокруг него краснеет. А облака, подсвеченные этими последними лучами снизу, вспыхивают розовым, медным, малиновым. На рассвете всё происходит точно так же, только в обратном порядке.
Почему закаты бывают особенно яркими
Бывают закаты бледные, а бывают такие, что вся улица останавливается посмотреть. Всё зависит от того, сколько в воздухе мельчайших частиц: пыли, дыма, крошечных капелек. Они добавляют рассеяния, и краски становятся гуще.
Особенно багровые закаты появляются, когда где-то далеко горят леса или извергается вулкан: дым и вулканический пепел уносит ветром на тысячи километров. А вот облака днём белые по другой причине. Капельки воды в них куда крупнее молекул воздуха и рассеивают все цвета одинаково, поэтому облако светится белым.
Почему небо голубое, если космос чёрный?
Этот вопрос задают очень часто. Ответ прячется в том, что мы уже узнали: небо голубое благодаря воздуху. Там, где воздуха нет, свет нечему рассеивать.
Поэтому космонавты на орбите видят чёрное небо даже тогда, когда рядом ярко светит Солнце. И на Луне, где атмосферы нет, небо днём такое же чёрное, как ночью. Голубой купол над нашей головой — это просто тонкое светящееся одеяло из воздуха, наброшенное на Землю.
А ночью наше небо темнеет потому, что Солнце ушло за горизонт и его лучи больше не пронизывают воздух над нами. Рассеивать стало нечего.
Какого цвета небо на Марсе
А теперь неожиданный поворот. На Марсе всё наоборот. Днём марсианское небо рыжевато-розовое: в тамошней тонкой атмосфере висит много мелкой красной пыли. А закаты на Марсе голубые.
В 2015 году марсоход «Кьюриосити» впервые снял марсианский закат в цвете, и снимок облетел весь мир: вокруг заходящего Солнца разливается холодное голубое сияние. Марсианская пыль устроена так, что пропускает синий свет вперёд, прямо от Солнца, а жёлтые и красные лучи разбрасывает шире. Вот и выходит: у нас голубой день и красный вечер, а на Марсе рыжий день и голубой вечер.
Опыт: небо в стакане
Голубое небо и красный закат можно устроить дома. Понадобятся прозрачный стакан воды, немного молока и фонарик.
- Налейте в стакан воды и добавьте несколько капель молока. Размешайте. Вода должна стать чуть мутной, но не белой — если молока слишком много, опыт не получится.
- Выключите свет в комнате и посветите фонариком на стакан сбоку.
- Посмотрите на стакан сбоку, под прямым углом к лучу: вода отливает голубоватым. Это ваше «небо».
- Теперь встаньте так, чтобы смотреть сквозь стакан прямо на фонарик. Свет, прошедший через воду, будет желтоватым или оранжевым. Это ваш «закат».
Честная оговорка: частички в молоке гораздо крупнее молекул воздуха, так что стакан — это модель неба, а не точная копия. Но суть он показывает верно: синее рассеивается в стороны, а красное проходит насквозь.
Правда ли, что небо голубое, потому что отражает море?
Нет. Это очень живучий миф, но проверить его просто: над пустыней, где до моря тысячи километров, небо такое же голубое. Всё как раз наоборот: это море отчасти отражает небо. Поэтому в пасмурный день оно становится серым, а в ясный — синеет. Да и сама толща воды немного голубая, но это уже отдельная история.
Что мы теперь знаем о цвете неба
Солнце совсем опустилось за крыши. Край неба ещё тлеет оранжевым, выше он переходит в бледно-зелёный, потом в синий, а над самой головой уже проступает густая вечерняя синева. Теперь понятно, что происходит: последние лучи идут к нам сквозь толщу воздуха, теряют по дороге свою голубизну и приносят нам только тёплые цвета.
А завтра в полдень поднимите голову. Над вами будет висеть огромный купол, который светится оттого, что миллиарды невидимых молекул перебрасываются синими лучами. Никакой краски — только воздух и солнечный свет.
Если хочется узнать, как небо вспыхивает совсем другими красками — зелёными и малиновыми, — прочитайте, что такое северное сияние и как оно появляется.
Читайте также
- Откуда берётся радуга?
- Как образуются облака и почему они не падают
- Что такое северное сияние и как оно появляется?
- Почему идёт дождь?
- Почему происходит смена времён года: причина — наклон земной оси