Почему небо голубое? Что об этом говорит физика

Ситуация. «Почему небо голубое?» — этот вопрос рано или поздно слышит почти каждый родитель от своего ребёнка. Связанные вопросы, такие как «Почему небо вообще существует?» или «Почему солнце красное на закате?», тоже могут поставить родителей в тупик.

Мы знаем, что свет, идущий непосредственно от солнца, в полдень кажется белым. Он содержит непрерывный спектр видимых длин волн с пиком в зелёно-жёлтой части спектра. Почему же мы видим голубое небо? Что вызывает потрясающие оранжевые и красные оттенки на закате? Все эти явления связаны с процессом, называемым рассеянием света.

Анализ. Прежде чем рассматривать цвет неба, стоит задаться вопросом: почему мы вообще видим небо? Откуда берётся свет? Свет неба исходит от солнца, но он рассеивается из прямого солнечного луча. Рассеяние можно описать как процесс, при котором свет поглощается мелкими частицами в атмосфере и быстро переизлучается на той же длине волны. Однако рассеянный свет распространяется в другом направлении, отличном от направления падающего света.

Если бы атмосферы не было, рассеяния бы не происходило. В этом случае небо казалось бы чёрным, то есть отсутствием света. Однако у Земли есть атмосфера, которая простирается на несколько километров над её поверхностью. Эта атмосфера состоит в основном из молекул азота и кислорода, а также меньшего количества других газов. Кроме того, в ней часто присутствуют частицы дыма, вулканического пепла или других примесей. Эти частицы очень малы, но всё же значительно крупнее отдельных молекул газа.

Именно рассеяние на молекулах газа в основном отвечает за голубой цвет неба. Когда частицы, вызывающие рассеяние, меньше длины волны света, этот процесс называется рэлеевским рассеянием, названным в честь лорда Рэлея (Уильяма Томпсона). Рэлеевское рассеяние зависит от длины волны: более короткие волны рассеиваются гораздо эффективнее, чем более длинные.

Молекулы газа можно представить как крошечные антенны. Поскольку молекулы газа состоят из заряженных частиц, когда электромагнитная волна сталкивается с ними, эти заряды начинают колебаться с частотой волны. Так же, как радиоволны создаются колеблющимися электрическими токами, рассеянная световая волна создаётся колеблющимися токами в молекулах газа. Этот процесс наиболее эффективен, когда длина волны примерно равна размеру «антенны». Поскольку молекулы газа имеют размер всего несколько нанометров, а длины волн видимого света составляют несколько сотен нанометров, процесс рассеяния не очень эффективен. Однако он более эффективен для самых коротких длин волн — тех, что находятся в синей части видимого спектра.

Вот почему небо голубое. Синий свет рассеивается из прямого солнечного луча эффективнее, чем красный или промежуточные длины волн. Чтобы достичь наших глаз, он должен рассеяться снова, возможно, несколько раз, как показано на первом рисунке.

Короткие волны (синий свет) рассеиваются от прямого луча солнца более эффективно, чем более длинные волны. Большинство молекул газа, рассеивающих свет, находятся в нижних 10 милях атмосферы

Когда мы смотрим на небо, мы не смотрим прямо на солнце (это было бы болезненно). Мы видим свет, который был рассеян несколько раз, что концентрирует более короткие синие и фиолетовые длины волн в свете, достигающем наших глаз. Поскольку спектр солнечного света содержит больше синего, чем фиолетового, а наши глаза более чувствительны к синему, чем к фиолетовому, цвет, который мы воспринимаем, — голубой.

На закате свет от солнца проходит дальше через атмосферу, чем в полдень. Более короткие длины волн рассеиваются из луча, оставляя более длинные красные волны

Почему солнечный свет кажется оранжевым или красным на закате или восходе? Свет, достигающий наших глаз от прямого солнечного луча на закате, проходит гораздо большее расстояние через атмосферу, чем в полдень, как показано на втором рисунке. Поскольку синий свет и промежуточные длины волн рассеиваются из луча эффективнее, чем красный, в прямом луче остаются преимущественно красные длины волн. Чем ближе солнце к горизонту, тем краснее оно кажется.

Рассеяние также может происходить на более крупных частицах, таких как капли воды в облаках. Капли воды обычно больше длины волн видимого света. В этом случае степень рассеяния не сильно зависит от длины волны. Свет, рассеянный облаками, поэтому кажется белым или серым. Все длины волн рассеиваются одинаково, и результирующий цвет такой же, как у падающего солнечного света, но менее интенсивный.