Почему небо голубое и как свет проходит через атмосферу?

Небо кажется голубым, потому что молекулы воздуха рассеивают коротковолновую часть солнечного света сильнее, чем длинноволновую. Рассеянный свет приходит к наблюдателю со всех участков небосвода, поэтому голубым выглядит не только направление на Солнце. То, как свет проходит через атмосферу, зависит также от высоты Солнца, облаков и частиц в воздухе.

Коротко о пути света в атмосфере

• Солнечный свет содержит волны разных длин, которые мы воспринимаем как цвета.
• Молекулы воздуха рассеивают коротковолновый свет эффективнее длинноволнового.
• Рассеянный свет приходит к наблюдателю из разных направлений, и небосвод кажется голубым.
• У горизонта солнечный свет проходит через более толстый слой атмосферы, поэтому оттенки могут становиться теплее.
• Облака и аэрозоли взаимодействуют со светом иначе, чем отдельные молекулы чистого воздуха.

Что происходит с солнечным светом на входе в атмосферу

Солнечный свет — смесь волн разных длин, воспринимаемых глазом как цвета видимого спектра. В верхние слои атмосферы он поступает почти как прямой луч, а затем взаимодействует с газами и частицами воздуха.

Часть света проходит почти прямо, часть поглощается, а часть меняет направление. Именно перенаправление света называется рассеянием. В объяснении цвета чистого дневного неба особенно важно рассеяние молекулами газов, прежде всего азота и кислорода.

Это не означает, что в атмосфере возникает голубой пигмент или что воздух сам светится. Голубой оттенок — результат того, какой свет достигает глаза с разных участков небосвода.

Как молекулы воздуха рассеивают свет разных цветов

Рассеяние света в атмосфере зависит от длины волны и размера рассеивающих частиц. Для молекул, которые намного меньше длины световой волны, короткие волны рассеиваются заметно сильнее длинных. Этот механизм называют рэлеевским рассеянием.

1. Солнечный луч содержит свет разных цветов.
2. Электрическое поле световой волны заставляет молекулы воздуха колебаться.
3. Колеблющиеся молекулы переизлучают свет в разные стороны.
4. Коротковолновая часть видимого спектра рассеивается сильнее красной.
5. Часть рассеянного света попадает в глаз не напрямую от Солнца, а со стороны неба.

Фиолетовый свет тоже рассеивается сильно, но голубой обычно заметнее для человеческого зрения. На восприятие влияют чувствительность глаза и состав света, доходящего до наблюдателя.

Почему рассеянный синий свет окрашивает всё небо

Понять, почему небо голубое, помогают несколько повседневных наблюдений:

• В ясный день. Молекулы рассеивают солнечный свет во многих направлениях, поэтому голубой свет виден и там, где на небе нет Солнца.
• У горизонта. Свет проходит через более длинный путь в атмосфере; прямой солнечный свет теряет больше коротковолновой составляющей, а небосвод может выглядеть бледнее.
• На рассвете и закате. Солнце низко, и его лучи проходят через значительную толщу воздуха. Прямой свет становится теплее — красноватым или оранжевым.
• При дымке. Частицы пыли, дыма и капли могут менять направление света и снижать контраст; оттенок неба становится менее насыщенным.

Эти эффекты помогают различать прямой свет от солнечного диска и свет, рассеянный атмосферой. Они также показывают, почему небо меняет цвет в течение дня и при перемене прозрачности воздуха.

Как высота Солнца меняет цвет небосвода

Когда Солнце высоко, его лучам обычно приходится проходить через меньший слой атмосферы, чем у горизонта. Поэтому дневной свет сохраняет больше коротковолновых составляющих по пути к наблюдателю. Низкое положение Солнца удлиняет путь лучей и меняет соотношение цветов прямого света.

Что можно заметить:

• При высоком Солнце ясное небо часто выглядит более насыщенно-голубым.
• При низком Солнце его диск и область вокруг него могут приобретать жёлтые, оранжевые или красноватые оттенки.

Что ограничивает такое наблюдение:

• Облачность, влажность, пыль и дымка могут менять видимые оттенки независимо от высоты Солнца.
• Восприятие цвета зависит от освещения, зрения и настроек камеры, поэтому фотография не всегда передаёт вид неба точно.

Чем облака и аэрозоли отличаются от чистого воздуха

• Ошибка: все частицы рассеивают свет одинаково. Молекулы воздуха и более крупные частицы взаимодействуют со светом по-разному. Размер частиц влияет на то, какие направления и цвета будут заметнее.
• Миф: облака белые по той же причине, что дневное небо голубое. В облаках свет рассеивают капли воды и кристаллы льда, которые могут рассеивать разные цвета видимого спектра без сильного разделения по цветам. Поэтому облака обычно выглядят белыми или серыми.
• Ошибка: дымка обязательно усиливает голубизну. Аэрозоли могут ослаблять контраст, рассеивать и поглощать свет; итоговый оттенок зависит от их состава, размеров и освещения.
• Миф: закат красный, потому что атмосфера добавляет красный цвет. Тёплый оттенок возникает из-за изменения состава прямого света после прохождения через атмосферу, а не из-за появления в воздухе красного пигмента.

Как наблюдать рассеяние света в повседневных условиях

Выберите ясный день и сравните цвет неба над головой, у горизонта и рядом с облаками. Затем повторите наблюдение ближе к закату: обратите внимание, как меняется оттенок прямого солнечного света и окружающего небосвода.

1. Наблюдайте невооружённым глазом, не глядя прямо на Солнце.
2. При желании сделайте снимки с одинаковыми настройками камеры, чтобы автоматическая цветокоррекция меньше влияла на сравнение.
3. Если камеры нет, просто сопоставьте наблюдения по памяти или запишите их в заметках.

Для такого опыта не нужны специальные приборы. Если вы собираетесь купить фильтр для наблюдения за небом, сначала уточните, для какой задачи он предназначен: обычный фильтр для съёмки не делает безопасным взгляд на Солнце. Наблюдайте небосвод в стороне от солнечного диска.

Нюансы голубого неба: ответы по существу

Почему небо голубое, а не фиолетовое?

Фиолетовые волны тоже сильно рассеиваются, но человеческий глаз воспринимает голубые оттенки заметнее. На итоговый цвет влияет и состав света, который достигает наблюдателя.

Почему небо у горизонта часто светлее?

На вид влияют более длинный путь света через атмосферу, дымка и аэрозоли. Поэтому участок неба у горизонта может казаться бледнее и менее насыщенным.

Почему закат бывает красным или оранжевым?

Когда Солнце низко, его прямой свет проходит через более толстый слой атмосферы. Коротковолновая часть рассеивается по пути сильнее, и прямой свет выглядит теплее.

Почему облака обычно белые?

Капли воды и кристаллы льда рассеивают видимый свет иначе, чем молекулы воздуха. Разные цвета смешиваются, поэтому облако часто выглядит белым; при слабом освещении оно может казаться серым.

Влияют ли пыль и дым на цвет неба?

Да. Аэрозоли могут рассеивать и поглощать свет, снижая контраст и меняя оттенок. Результат зависит от свойств частиц и состояния атмосферы.

Нужен ли фильтр, чтобы наблюдать голубое небо?

Для наблюдения невооружённым глазом фильтр не нужен. Не направляйте на Солнце взгляд через камеру, бинокль или телескоп без оборудования, предназначенного именно для безопасного солнечного наблюдения.

Можно ли увидеть рассеяние на снимке телефона?

Можно сравнить участки неба на снимках, но автоматическая обработка камеры способна изменить яркость и насыщенность. Для простого наблюдения достаточно взгляда и сравнения неба в разное время дня.

Автор: Наталья Фёдорова.