Синий — один из наиболее часто встречающихся цветов в природе. От обширного синего неба и океанов до разнообразных оттенков синего, встречающихся у растений и животных, синий цвет повсеместно встречается в природе. Но что заставляет вещи казаться синими? В этой статье мы рассмотрим некоторые из основных источников синей окраски в окружающей среде и науку, стоящую за ними. Понимание того, что делает вещи синими, может дать нам более глубокое понимание как оптической физики, так и биологических процессов, лежащих в основе палитры природы.
Возможно, наиболее знакомым синим зрелищем является дневное небо. В ясный день небо приобретает насыщенный синий оттенок. Этот синий цвет вызван явлением, называемым рэлеевским рассеянием. Вот как это работает:
Когда солнечный свет попадает в атмосферу, он сталкивается с молекулами газа в воздухе. Эти молекулы рассеивают более короткие волны солнечного света больше, чем более длинные. Фиолетовый и синий свет имеют более короткие длины волн, поэтому рассеивается больше этого света. Рассеянный фиолетовый и синий свет распространяется по всему небу, придавая ему этот синий вид.
Между тем, более длинные волны, такие как красный и оранжевый, рассеиваются не так сильно. Они проходят напрямую через атмосферу. На закате и восходе солнца солнечному свету приходится проходить через большую часть атмосферы, чтобы достичь наших глаз. Большая часть более длинных волн рассеивается или поглощается, оставляя больше более короткого синего света, который доминирует в цвете неба.
Многие животные также получают свою синюю окраску не из пигментов, а из микроскопических структур в своих перьях, чешуе или экзоскелетах. Эти структуры отражают и рассеивают свет, создавая яркие оттенки синего.
| Животное | Механизм структурного синего |
|---|---|
| Павлины | Их перья содержат наномасштабные массивы меланиновых стержней, которые отражают синий и зеленый свет. |
| Бабочки Морфо | Чешуйки на их крыльях имеют многослойные наноструктуры, которые преломляют свет. |
| Рыба-хищник | Зеркалоподобные клетки тромбоцитов, называемые иридофорами, в их коже рассеивают синий свет. |
Эти анатомические трюки позволяют животным создавать ослепительные синие тона без необходимости в синих пигментах. Имитация этих структур также дала инженерам идеи для производства ярких синтетических цветов.
Хотя структурные цвета отвечают за многие синие виды в природе, молекулы пигментов остаются необходимыми для получения синей окраски. Вот несколько примеров ключевых синих пигментов, встречающихся в природе:
Эти водорастворимые растительные пигменты отвечают за синие, пурпурные и красные оттенки во многих цветах, фруктах и овощах. Такие продукты, как черника, виноград сорта «конкорд» и фиолетовая капуста, содержат антоцианы. Пигменты помогают привлекать опылителей и защищать растения от избыточного света. Цвет антоцианов зависит от окружающего pH, принимая красные оттенки в кислых условиях и синие тона в щелочных условиях.
Это семейство пигментов, обнаруженное у попугаев, придает перьям попугаев яркие синие, зеленые и желтые оттенки. Синие пситтакофульвины обладают высококонъюгированными молекулярными структурами, которые избирательно отражают синий свет. Смешивая синие, зеленые и желтые пситтакофульвины в разных соотношениях, попугаи могут производить буйную смесь оттенков.
Этот пигмент встречается у некоторых рыб и беспозвоночных, таких как омары. Как ни странно, он образуется в результате распада гемовых белков, в отличие от других пигментов, которые синтезируются из различных витаминов, аминокислот или других соединений. Получающаяся синяя окраска служит камуфляжем в синих морских средах.
Каротиноиды — это знакомая группа растительных пигментов, включающая ликопин, бета-каротин и зеаксантин. Хотя каротиноиды известны тем, что дают красные, оранжевые и желтые оттенки, они также могут казаться синими в сочетании со структурной окраской. Это видно на примере лазурной горной синей птицы, где синие каротиноиды в перьях объединяются со структурными отражателями, чтобы дать интенсивный синий цвет.
Часть синей окраски у растений и грибов возникает из-за рассеяния света внутренними клеточными структурами. Например, антоциановые пигменты в цветках гортензии кажутся синими, потому что бесцветные клеточные вакуоли и гранулы серы рассеивают свет. Синие оттенки также появляются в синяках по схожим причинам, поскольку продукты распада гемоглобина рассеивают свет.
Когда солнечный свет проникает в чистую воду океана или озера, преимущественное рассеивание коротких синих длин волн придает воде ее архетипический синий цвет. Это тот же самый процесс рэлеевского рассеяния, который делает небо синим, но теперь он происходит, когда солнечный свет проходит через воду, а не через молекулы воздуха. Чем чище вода, тем дальше проникает синий свет, прежде чем поглотиться, создавая более глубокий синий оттенок.
В очень глубоких или очень чистых водах синяя окраска также может возникать из-за избирательного поглощения более длинных волн. Поскольку весь солнечный свет, кроме синего света, поглощается в глубоких водах, остается наблюдать только синий. Обычно это происходит только на глубине более 200 метров, за пределами того места, где происходит наибольшее проникновение света. Но это может способствовать появлению глубокого синего цвета некоторых чрезвычайно чистых озер.
Иногда синий цвет получается из-за рассеяния Тиндаля, рассеивания света более крупными коллоидными частицами или взвешенными твердыми веществами, а не отдельными молекулами. Талые ледниковые воды часто имеют голубой оттенок, потому что частицы каменной муки в воде предпочтительно рассеивают синие длины волн. Рассеяние Тиндаля также объясняет синеватый оттенок, видимый, когда водяной пар конденсируется в крошечные капельки тумана или облаков.
Наконец, некоторая синяя окраска возникает из-за флуоресценции, когда материалы поглощают УФ-свет и повторно излучают его на более длинных, видимых синих длинах волн. Некоторые минералы, такие как кальцит, светятся синим под УФ-светом из-за флуоресценции. А коралловые рифы могут приобретать впечатляющий синий оттенок из-за флуоресцентных белков в самих кораллах. При освещении ультрафиолетовыми лучами солнца эти белки светятся интенсивным синим цветом, который выделяется на фоне темных вод.
От огромного синего океана до мельчайшей синей морфо-бабочки синяя окраска возникает в природе в результате различных процессов. Рассеивание, преломление, отражение, поглощение и флуоресценция способствуют распространению синих оттенков среди одушевленных и неодушевленных объектов. Понимание оптического происхождения синего цвета в естественном мире дает нам представление как о физической вселенной, так и об удивительных адаптациях жизни на Земле. Глядя на высокогорное озеро или любуясь перьями птицы, мы можем по-новому оценить визуальные чудеса, которые стали возможными благодаря физическим свойствам света.