Вы когда-нибудь задумывались, а почему небо голубое?
Ответ кроется в природе солнечного света и тем, как он взаимодействует с атмосферой Земли.
Солнечный свет кажется белым с желтоватым оттенком, но самом деле он состоит из всех цветов радуги. Когда свет проходит через нашу атмосферу, он рассеивается во всех направлениях газами и частицами в воздухе. Синий свет рассеивается больше, чем другие цвета, потому что он имеет меньшею длину волны. Вот почему мы видим небо голубым большую часть времени.
Свет — это одна из форм электромагнитного излучения, т.е он является волной.
Диаграмма выше показывает волну света. Синие линии показывают напряженность электрического поля. Длина волны — это расстояние между последовательными пиками, обозначенными на диаграмме буквой A, или последовательными впадинами, обозначенными на диаграмме буквой B. Длины волн настолько малы, что их обычно измеряют в нанометрах (нм). 1 нм равен одной миллиардной части метра. Человеческий глаз чувствителен к свету с длинами волн в диапазоне от 380 нм до 750 нм, и мы видим разные длины волн света как разные цвета.
Глаза видят длины волн следующим образом:
- От 380 до 430 нм как фиолетовый
- От 430 до 450 нм как темно-синий
- От 450 нм до 500 нм как голубой цвет
- От 500 до 570 нм как зеленый цвет
- От 570 до 600 нм как желтый
- От 600 нм до 630 нм как оранжевый
- Красный от 630 до 750 нм
Большинство источников света, в том числе и Солнце, производят световые волны со смесью разных длин волн. Если количество света на разных длинах волн (или цветах) присутствует в примерно равных пропорциях, то глаз видит смесь цветов как белый.
Рассеяние света
В конце девятнадцатого века британский физик лорд Рэлей (1842-1919) объяснил феномен, который сейчас называется рэлеевским рассеянием.
Рэлею удалось показать, что когда луч света, проходит через воздух, небольшое количество света рассеивается во всех направлениях, из-за взаимодействия с отдельными молекулами в атмосфере. Это показано на диаграмме ниже.
Кроме того, он смог показать, что доля энергии в рассеянном пучке света зависит от двух вещей:
- Во-первых, от количества молекул воздуха, с которыми сталкивается пучок света. Чем больше молекул воздуха или большее количество атмосферы встречается с лучом света, тем больше рассеивание.
- Во-вторых, чем короче длина волны света, тем больше рассеивание. Поэтому, если мы возьмем луч света, такой как у Солнца, который содержит несколько цветов, тогда более короткие волны (фиолетовый и синий свет) рассеиваются больше, чем более длинные волны, такие как оранжевый и красный. Это показано на графике ниже.
Голубое небо, которое мы видим, — это синий свет от Солнца, который излучается молекулами воздуха во всех направлениях посредством рассеяния Рэлея. Еще одна вещь, которую показывает диаграмма, это то, что фиолетовый свет имеет более короткую длину волны, чем синий, и он рассеивается еще больше. Тем не менее небо на Земле не фиолетовое. Это потому, что сила солнечного света не одинакова на всех длинах волн, он содержит относительно мало фиолетового по сравнению с синим.
Еще одним эффектом рассеяния является то, что цвет Солнца для наблюдателя на Земле кажется скорее желто-оранжевым, чем белым. Хотя баланс цветов таков, что солнечный свет становится белым, когда покидает поверхность Солнца, но когда он сталкивается с атмосферой, атмосфера рассеивает свет коротких волн (фиолетового, синего и зеленого) больше, чем длинных волн (желтый, оранжевый и красный), и в результате сочетание цветов выглядит скорее желтым, чем белым. Интересно, что когда космонавты смотрят на Солнце из космоса, оно кажется им белым.
Во время восхода и заката, когда Солнце находится под небольшим углом в небе, чуть выше горизонта, солнечные лучи должны пройти через сотни километров атмосферы, прежде чем вы их увидите. Поскольку солнечные лучи проходят через гораздо больше количество молекул в атмосфере, степень рассеяния также намного больше.
Как показано в таблице ниже, практически все более короткие и средние длины волн света (синий, зеленый и желтый цвета) удаляются из солнечных лучей, оставляя только более длинные волны (оранжевый и красный). Это объясняет, почему Солнце кажется красным на восходе и закате.
Небо на Луне
У Луны нет атмосферы. Поэтому рэлеевского рассеяния солнечного света не происходит, и небо кажется абсолютно черным. Солнце кажется более белым по цвету, потому что короткие волны не удалены из его света, как на Земле.
Одним интересным эффектом отсутствия атмосферы является то, что астронавтам Аполлона, которые ходили по Луне, было очень трудно судить, как далеко находились объекты. На Земле атмосфера заставляет отдаленные объекты выглядеть слегка туманными, но на Луне это не так.
Небо на марсе
У Марса очень тонкая атмосфера. Давление воздуха на Марсе составляет всего 0,7% от давления на Земле. Слишком мало атмосферы для рэлеевского рассеяния. До того, как первые космические зонды приземлились на Марсе в 1976 году, многие космические ученые ожидали, что небо на Марсе будет черным. На самом деле небо на Марсе красновато-коричневого цвета. Это происходит из-за мелких частиц красновато-коричневой пыли оксида железа, находящихся в марсианской атмосфере.
Почему небо голубое?
«Папа, а почему небо голубое, а не, скажем, зеленое или фиолетовое?»
Дети, когда начинают изучать окружающий мир, очень активно задают вопросы. Сотни вопросов в день по поводу всего, что попадает в центр внимания. Только и слышно «почему — почему». И папа (или мама) ну никак не может «упасть лицом в грязь» и потерять авторитет, сказав «я не знаю». Как такое может вообще быть, ведь он живет уже очень давно и такие элементарные вещи знает наверняка со своего детства?
И папа конечно же знает почему это небо вдруг голубое 😉 , а если вдруг что-то и забыл, то внимательно читает написанное ниже.
Какого цвета солнечный свет?
Чтобы разобраться с цветом неба, и понять почему оно такое, нужно, для начала, выяснить какой цвет имеет солнечный свет. Этот вопрос кажется элементарным.
«Желтый» — скажет вам малыш, но тут ему придется удивиться в первый раз.
«А вот и не желтый!»
O_O – примерно такие глаза будут у малыша (с папой явно что-то не так).
«Да вон же, подними голову, папа! Оно же желтое! Почему это нет? Очень даже да!»
«А вот и нет!» Дальше папа делает авторитетное лицо и говорит:
«На самом деле цвет солнца и его лучей – белый, а то, что мы видим его желтым, это потому, что таким он становиться после прохождения через воздух».
Из чего состоит белый цвет?
«Какие цвета ты знаешь?» — спрашивает папа ребенка.
«Зеленый, желтый, красный, белый…» — начинает перечислять малыш.
«Умница! Все те цвета, которые ты перечислил, кроме белого – это простые цвета. А вот белый — он особенный! В природе не бывает просто белого цвета, но он появляется, если собрать вместе все простые цвета.
Это как в игре, когда нужно собрать части какого-то предмета. Вот ты берешь одну часть, вторую, третью и т.д., а когда соберешь все – ТАДАМ! Получаешь целый предмет! Так и белый – он состоит из всех цветов, и если хоть какой-то оттенок из него забрать, он уже не будет белым. Понятно?»
«Ага» — кивает малыш.
Так что же там с цветом неба? Почему оно голубое?
«Все это очень интересно, но, по-моему, ты уходишь от темы. Как там насчет цвета неба? Почему оно такое?»
«Я как раз к этому подхожу. Я рассказал тебе элементарные вещи, чтобы на пальцах можно было бы объяснить более сложные.
По поводу неба, должен сказать вот что. Абсолютно точного ответа ученые еще не нашли, но есть две простые теории, которые объясняют почему оттенок неба именно голубой. Я расскажу тебе обе.
Первая теория :
В воздухе, который окружает землю, летает большое количество частичек – это разные газы, частички пыли, частички воды и т.д. Когда белый луч от солнца (а он, как ты помнишь, не сам по себе, а все цвета вместе) попадает в воздух, то сталкиваясь с частичками воздуха и частичками, которые летают в воздухе, начинает рассыпаться на цвета, из которых состоял.
Оказалось, что не все из них одинаково шустрые, одни – очень неповоротливые, они так и рассеиваются в воздухе, столкнувшись с какими-нибудь частичками, а другие, очень быстрые, уворачиваются от столкновений и долетают до Земли.
Голубые лучики неповоротливые, они чаще других попадают на препятствия и рассеиваются (разлетаются) на все стороны, подсвечивая воздух голубым светом.
Вторая теория немного сложнее:
Ученые предполагают, что частички воздуха, который окружает Землю, поглощают солнечные лучи. Они, как бы, заряжаются от этих лучей, а затем начинают на все стороны излучать свой собственный свет.
Ну вот, например, как дверка на печке. Помнишь, я тебе показывал, как дверца сначала была черной, а потом грелась-грелась и начала светиться красным? Помнишь?»
«Ага, помню. А почему ты вспомнил о печке?» .
«Да потому что так и здесь. Частички воздуха получают энергию от солнечных лучей, а затем начинают светиться. Разные газы светятся по-разному. То, что мы видим небо голубым, согласно этой теории, именно благодаря газам из которых состоит наш воздух (кислород и азот), они излучают голубой цвет. А вот если бы вместо них был бы, например, неон (есть такой газ), то и светилось бы небо красно-оранжевым цветом, но мы бы не смогли наслаждаться этим зрелищем, т.к. не смогли бы дышать.
Поэтому я думаю, что пусть оно и дальше остается голубым, голубой ведь тоже ничего, да?»
«Согласен» — кивнул малыш, а уже через минуту, увидев собаку, задал следующий жизненно важный вопрос: «Папа, а
В ясный солнечный день небосвод над нами имеет ярко-синий цвет. Вечером, на закате, небо обретает приятный для глаза глубокий красный цвет с многочисленными оттенками. Так почему же небо днем голубое? Что делает закат красным? Каким образом прозрачный воздух переливается синими и красными оттенками в разное время суток?
Я представлю 2 ответа здесь: первый - более упрощенный для широкого читателя, второй - более научный и точный. Выберите уж сами, какой вам по душе.
1. Почему небо голубое, а не зеленое? Ответ для чайников
Свет от Солнца или лампы выглядит белым, но на самом деле белый цвет-это смесь всех 7 существующих цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового (рис. 1). Небо (атмосфера) наполнено воздухом. Воздух представляет собой смесь з крошечных молекул газа и небольших кусочков твердого материала, такого как, например, пыль. Так как солнечный свет проходит сквозь воздух, он сталкивается с частицами воздуха. Когда луч света попадает на молекулы газа, он может "отскочить" в другом направлении (рассеиваться).
Некоторые составные цвета белого света,такие как красный и оранжевый, проходят от Солнца к нам в глаза прямо, без рассеивания. Но большинство лучей голубого цвета "отскакивает" от частиц воздуха по всем направлениям. Таким образом, все небо оказывается буквально пронизанным голубыми лучами. Когда вы смотрите вверх, часть этого голубого света достигает глаза и вы видитеотовсюду над головой голубой свет! Вот,собственно, почему небо голубое!
Естественно, все упрощено по максимуму, но ниже представлен параграф, где более фундаментально описано свойство нашего с вами любимого неба над головой и причины, которые объясняют, почему все-таки цвет неба именно голубой, а не зеленый!
2. Почему небо голубое? Ответ для продвинутых
Давайте рассмотрим более детально природу света и цвета. Цвет, как все знают, - это свойство света, которое могут воспринимать и определять наши глаза и мозг. Свет от солнца - это большое количество белых лучей, которые состоят из всех 7 цветов радуги. Свет обладает свойством дисперсии (рис. 1). Всё освещается Солнцем, но некоторые предметы отражают лучи только одного цвета, например, синего, а другие предметы - только лучи желтого и тд. Таким образом человек определяет цвета. Итак, Солнце светит на Землю своими белыми лучами, но её окутывает атмосфера (толстый слой воздуха), и когда этот белый (состоящий из всех цветов) луч проходит через атмосферу, именно воздух рассеивает (распространяет) все 7 цветных лучей белого солнечного луча, но с большей силой именно его сине-голубые лучи (проще говоря, атмосфера буквально начинает светиться голубым цветом). Другие цвета напрямик попадают от Солнца к нам в глаза (рис 2).
Почему именно голубой цвет поддается наибольшему рассеиванию в атмосфере? Это природное явление, и описывается оно физическим законом Рэлея. Если объяснять проще, то существует формула, которую вывел Рэлей в 1871 году, и которая определяет, как зависит рассеивание света (луча) от цвета этого луча (то есть от такого свойства луча, как его длина волны). И так уж получилось, что наименьшую длину волны и соответственно наибольшее рассеивание имеет именно небесно-голубой цвет.
Почему во время восхода и Заката небо красное? На закате или восходе Солнце находится низко над горизонтом, из-за чего солнечные лучи наклонно падают
ют на Землю. Длина луча, естественно, многократно увеличивается (рис. 3), и поэтому на таком огромном расстоянии почти вся коротковолновая (сине-голубая) часть спектра рассеивается в атмосфере и не доходит до поверхности Земли. Доходит до нас только длинные волны, жёлто-красные. Как раз такой цвет и приобретает небо во время восхода заката. Вот почему небо кроме голубого и синего бывает и желтым и красным!
А сейчас для полного понимания всего вышесказанного несколько слов о том, что из себя представляет атмосфера.
Что такое атмосфера (небесный свод)?
Атмосфера представляет собой смесь молекул газа и других материалов, окружающих Землю. В основном атмосфера состоит из газов азота (78%) и кислорода (21%). Газы и вода (в виде паров, капель и ледяных кристаллов) являются наиболее распространенными составными частями атмосферы. Есть также небольшое количество других газов, а также множество мелких твердых частиц, таких как пыль, сажа, пепел, соль из океанов и тд. Состав атмосферы меняется в зависимости от географического положения, от погоды и многого другого. Где-то может быть больше воды в воздухе после ливня или рядом с океаном, где-то вулканы извергают большое количество частиц пыли высоко в атмосферу.
Атмосфера более плотная в своей нижней части, рядом с Землей. Она с высотой постепенно утончается. Не существует резкого разрыва между атмосферой и пространством. Вот почему мы видим переливы голубого и синего на небе, именно потому, что атмосфера на небе везде разная, имеет различную структуру и свойства.
Одной из отличительных черт человека является любознательность. Наверное, каждый, будучи ребенком, смотрел на небо и задавался вопросом: «почему небо голубое?». Как оказывается, ответы на такие, кажется, простые вопросы требуют некоторой базы знаний в области физики, а потому не каждый родитель сможет верно объяснить ребенку причину указанного явления.
Рассмотрим данный вопрос с научной точки зрения.
Диапазон длин волн электромагнитного излучения охватывает почти весь спектр электромагнитного излучения, в который входит и видимое для человека излучение. На представленном ниже изображении показана зависимость интенсивности излучения Солнца от длины волны этого излучения.
Анализируя данное изображение, можно отметить тот факт, что видимое излучение также представлено неравномерной интенсивностью для излучения различных длин волн. Так относительно малый вклад в видимое излучение дает фиолетовый цвет, и наибольший - синий и зеленый цвета.
Почему небо голубое?
Прежде всего на этот вопрос нас наталкивает тот факт, что воздух - бесцветный газ и не должен излучать синий свет. Очевидно, что причиной подобного излучения является наша звезда.
Как известно, белый свет на самом деле является комбинацией излучения всех цветов видимого спектра. С помощью призмы можно явно разложить свет на весь диапазон цветов. Подобный эффект возникает в небе после дождя и образует радугу. Когда же солнечный свет попадает в земную атмосферу, он начинает рассеиваться, т.е. излучение меняет свое направление. Однако, особенность состава воздуха такова, что при попадании света в него, излучение с короткой длиной волны рассеивается сильнее, чем длинноволновое излучение. Таким образом, беря во внимание изображенный ранее спектр, можно заметить, что красный и оранжевый свет, практически не будут менять своей траектории, проходя через воздух, в то время как фиолетовое и голубое излучения будут заметно менять свое направление. По этой причине в воздухе возникает некий «блуждающий» коротковолновый свет, который постоянно рассеивается в этой среде. В результате описанного явления, кажется, что коротковолновое излучение видимого спектра (фиолетовый, голубой, синий) излучается в каждой точке неба.
Общеизвестный факт восприятия излучения состоит в том, что глаз человека может уловить, увидеть, излучение только в том случае, если оно непосредственно попало в глаз. Тогда, смотря в небо, Вы вероятнее всего будете видеть оттенки того видимого излучения, длина волны которого наименьшая, так как именно оно рассеивается в воздухе лучше всего.
Почему же смотря на Солнце Вы не видите отчетливо красный цвет? Во-первых, внимательно рассмотреть Солнце человеку вряд ли удастся, так как интенсивное излучение может повредить зрительный орган. Во-вторых, несмотря на существование такого явления как рассеяние света в воздухе, все же большая часть света, излучаемого Солнцем, доходит до поверхности Земли не подвергаясь рассеиванию. А потому все цвета видимого спектра излучения совмещаются, формируя свет с более выраженным белым цветом.
Вернемся к рассеянному воздухом свету, цвет которого, как мы уже определили, должен иметь наименьшую длину волны. Из видимого излучения наименьшей длиной волны обладает фиолетовый, следом идет голубой, и несколько длиннее волны имеет синий цвет. Принимая во внимание неравномерную интенсивность излучения Солнца, становится ясно, что вклад фиолетового цвета мизерный. Поэтому наибольший вклад в рассеянное воздухом излучение несет голубой цвет, а следом - синий.
Почему закат красный?
В случае, когда Солнце прячется за горизонт, мы можем наблюдать то самое длинноволновое излучение красного-оранжевого цвета. В данном случае свет от Солнца должен пройти заметно большее расстояние в атмосфере Земли, прежде чем достигнет глаз наблюдателя. В месте, где излучение Солнца начинает взаимодействовать с атмосферой, наиболее выраженными являются голубой и синий цвета. Однако, с расстоянием коротковолновое излучение теряет свою интенсивность, так как значительно рассеивается по пути. В то время как длинноволновое излучение отлично справляется с преодолением таких больших расстояний. Вот почему Солнце красное на закате.
Как было упомянуто раньше, хоть длинноволновое излучение и слабо рассеивается в воздухе, все же рассеяние имеет место быть. Поэтому находясь на горизонте, Солнце излучает свет, из которого до наблюдателя доходит лишь излучение красно-оранжевых оттенков, которое несколько успевает рассеяться в атмосфере, образуя ранее упомянутый «блуждающий» свет. Последний и окрашивает небо в пестрые оттенки красного и оранжевого цвета.
Почему облака белые?
Говоря об облаках, известно, что они состоят из микроскопических капелек жидкости, которая рассеивает видимый свет почти равномерно, независимо от длины волны излучения. Тогда рассеянный свет, направленный во все стороны от капельки, рассеивается вновь на других капельках. При этом комбинация излучений всех длин волн сохраняется, и облака «светятся» (отражаются) белым цветом.
Если погода пасмурная, то солнечное излучение доходит до поверхности Земли в незначительном количестве. В случае с большими облаками, или их большим количеством, некоторая доля солнечного света поглощается, потому небо тускнеет и принимает окрас серого цвета.
Известно, что небо голубого цвета – это причина взаимодействия озонового слоя и солнечного света. Но что конкретно происходит с точки зрения физики и почему небо голубое? Теорий на этот счёт существовало несколько. Все они, в конечном итоге, подтверждают, что основная причина – это атмосфера. Но также объясняется и механизм взаимодействия.
Главный факт касается солнечного света. Известно, что солнечный свет имеет белый цвет. Белый цвет – это сумма всех спектров . Он может быть разложен на радугу (или спектры) при прохождении через дисперсионную среду.
Исходя из этого факта, учеными было предложено несколько теорий.
Первая теория объясняла голубой цвет тем самым рассеянием на частицах в атмосфере. Предполагалось, что большое количество механической пыли, частичек пыльцы растений, водяного пара и других мелких включений работают как дисперсионная среда. В результате до нас доходит только спектр голубоватого цвета. Но как тогда объяснить, что цвет неба не меняется зимой или на севере, где таких частичек меньше или их природа отлична? Теория была довольно быстро отвергнута.
Следующая теория предполагала, что световой поток белого цвета проходит через атмосферу, которая состоит из частиц. При прохождении через их поле светового луча частицы возбуждаются. Активированные частицы начинают испускать дополнительные лучи. Это и окрашивает солнечный цвет в голубоватый цвет. Белый свет помимо механического рассеивания и его дисперсии активирует и частицы атмосферы. Явление напоминает люминесценцию. На данный момент это объяснение является .
Последняя теория наиболее простая и она является достаточной для объяснения основной причины явления. Смысл ее очень похож на предыдущие теории. Воздух способен рассеивать свет по спектрам. Именно это является основной причиной голубого свечения. Свет с короткой длиной волны рассеивается интенсивнее, чем с короткой. Т.е. фиолетовый цвет рассеивается сильнее, чем красный. Этот факт объясняет изменение цвета неба на закате. Достаточно изменить угол солнца. Это и происходит при вращении земли, и цвет небосвода меняется на оранжево-розовый на закате. Чем выше солнце над горизонтом, тем более голубой свет мы будем видеть. Причина всему – та самая дисперсия или явление разложения света по спектрам.
Кроме всего этого, нужно понимать, что нельзя исключать все обозначенные выше факторы. Ведь каждый из них дает некоторый вклад в общую картину. Например, несколько лет назад в Москве в результате обильного цветения растений весной образовалось плотное облако пыльцы. Оно окрасило небо в зеленый цвет. Это довольно редкое явление, однако оно показывает, что отвергнутая теория про микрочастицы в воздухе также имеет место быть. Правда, теория эта не является исчерпывающей.