Атмосфера Земли кажется человеческому глазу с поверхности синей. Но фактический цвет атмосферы сложнее, чем кажется. Атмосфера состоит из различных газов, частиц и молекул, которые влияют на взаимодействие света с ней. Исследуя, как работают рассеяние, поглощение и отражение света, мы можем понять истинный цвет атмосферы Земли.
В течение дня небо часто выглядит синим для людей на поверхности Земли. Это происходит из-за того, как солнечный свет взаимодействует с газами и частицами в атмосфере.
Видимый спектр света, исходящий от солнца, содержит все цвета радуги. Но самые короткие длины волн, такие как фиолетовый и синий, легче рассеиваются газами в нашей атмосфере. Этот рассеянный синий свет попадает в наши глаза, заставляя небо казаться синим с поверхности большую часть времени.
Этот процесс рассеяния называется рэлеевским рассеянием. Это вызвано взаимодействием между входящим солнечным светом и гораздо более мелкими молекулами азота и кислорода, которые составляют большую часть нашей атмосферы. Более короткие длины волн, такие как синий и фиолетовый, имеют схожий размер с этими атмосферными частицами. Поэтому они легче рассеиваются газами.
Более длинные волны света, такие как красный и оранжевый, имеют большие волны. Поэтому они не так легко рассеиваются и, как правило, проходят через атмосферу. На закате свет должен пройти большее расстояние через атмосферу, чтобы достичь наших глаз. Большая часть синего света рассеивается, позволяя большему количеству красных и оранжевых оттенков проходить сквозь них, создавая красивые закаты.
Помимо рэлеевского рассеяния, газы в атмосфере могут поглощать определенные длины волн солнечного света.
Ключевым поглотителем является озоновый слой в стратосфере, который поглощает вредное ультрафиолетовое излучение солнца. Кислород и водяной пар также поглощают различные длины волн света, когда солнечный свет проходит через атмосферу.
Это избирательное поглощение отфильтровывает определенные цвета из солнечного света, прежде чем свет достигнет наших глаз на поверхности. Таким образом, эти полосы поглощения оказывают влияние на цвет, который мы воспринимаем как атмосферу.
Небольшие частицы, называемые аэрозолями, плавающие в атмосфере, также могут влиять на цвет неба. К ним относятся загрязнение воздуха, пыль, пепел, пыльца и другие взвешенные частицы.
Аэрозоли обычно вызывают белую или серую дымку в атмосфере. Но иногда они могут создавать ярко-красные закаты, когда свет взаимодействует с частицами загрязнения.
Крупные извержения вулканов могут выбрасывать тонны газов и аэрозолей в стратосферу. Эти частицы рассеивают и поглощают солнечный свет, что часто приводит к красочным красным и оранжевым закатам по всему миру после крупных извержений.
Прозрачность или непрозрачность воздуха также влияет на цвет неба снизу. Вот несколько примеров:
В очень чистом воздухе с небольшим количеством аэрозолей больше рассеянного синего света достигает наших глаз, создавая темно-синее небо. Но дымка, загрязнения и частицы дыма блокируют и рассеивают свет, уменьшая ясность атмосферы и делая небо менее голубым.
С поверхности наш вид на цвет неба ограничен. Но из космоса астронавты могут наблюдать полный спектр длин волн и цветов, сияющих сквозь атмосферу.
С орбиты на высоте около 200 миль небо по-прежнему кажется темно-синим, если смотреть на горизонт. Но если смотреть прямо вниз, атмосфера настолько тонкая, что небо выглядит черным. Солнце также кажется белым, потому что нет рассеивания или поглощения света, как на поверхности Земли.
Астронавты описывают яркие оранжевые и красные полосы цвета около горизонта во время орбитальных восходов и закатов. Это связано с длинным путем, который солнечный свет проходит через атмосферу под низким углом.
Цвет атмосферы, видимый из космоса, меняется в зависимости от угла обзора и высоты:
| Высота | Вертикальный угол падения | Низкий угол наклона |
|---|---|---|
| Уровень моря | Синий | Синий |
| 5-10 км вверх | От темно-синего до черного | Ярко-синий |
| 30-40 км вверх | Черный | От синего до фиолетового |
| 80-100 км вверх | Черный | Темно-фиолетовый |
Эта таблица показывает, как небо переходит от синего к черному, если смотреть прямо вниз с возрастающей высоты. Но при горизонтальном виде вблизи горизонта различные оттенки синего, фиолетового и оранжевого все еще можно увидеть даже высоко.
Рэлеевское рассеяние также объясняет яркие цвета на восходе и закате. В это время солнечный свет проходит длинный путь через атмосферу под очень низким углом.
Большая часть более короткого синего света рассеивается к тому времени, когда солнечные лучи достигают наших глаз. Это оставляет больше более длинных оранжевых и красных длин волн, которые могут пройти, создавая прекрасные восходы и закаты, которые мы часто видим.
Чтобы понять, как свет взаимодействует с нашей атмосферой, нам нужно знать, из чего она сделана. Атмосфера Земли состоит из:
Плюс переменное количество водяного пара и следовых газов, таких как озон, неон и гелий. Однако концентрации газов неравномерны на всех высотах. Состав меняется по вертикали через атмосферу.
Атмосфера Земли состоит из отдельных слоев, каждый из которых имеет свой собственный температурный профиль. Основные слои:
| Слой | Высота | Описание |
|---|---|---|
| Тропосфера | 0-12 км вверх | Содержит погоду и облака |
| Стратосфера | 12-50 км вверх | Содержит озоновый слой |
| Мезосфера | 50-80 км вверх | Очень разреженный воздух |
| Термосфера | 80-600+ км вверх | Поглощает солнечную энергию |
Тропосфера — это место, где существуют все погодные условия и облака Земли. Стратосфера содержит защитный озоновый слой. Мезосфера и термосфера постепенно исчезают в открытом космосе.
Различные газы, частицы и слои атмосферы Земли взаимодействуют со светом по-разному:
Понимание того, как каждый компонент влияет на видимый и невидимый свет, помогает объяснить, как мы видим цвета с поверхности Земли и из космоса.
Лесные пожары и городское загрязнение содержат микроскопические частицы дыма и пыли, которые могут существенно влиять на цвет закатов. Частицы пепла и дыма крупнее молекул азота и кислорода. Поэтому, когда солнечный свет взаимодействует с ними, он производит более яркие красные и оранжевые цвета на небе вблизи восхода и заката.
Крупные извержения вулканов, такие как извержение горы Пинатубо в 1991 году, выбрасывают огромное количество аэрозолей в стратосферу. Эти частицы рассеивают и поглощают солнечный свет, что приводит к замечательным послесвечениям заката по всему миру в течение месяцев или даже лет после извержения.
Рассеивание света молекулами в атмосфере дает Земле ее голубое небо. Более короткие длины волн, такие как синий и фиолетовый, рассеиваются легче, чем более длинные красные и оранжевые волны.
На восходе и закате солнечному свету приходится проходить через большую часть атмосферы. Большая часть синего света рассеивается, позволяя красному и оранжевому свету проникать и создавать красивые восходы и закаты.
Хотя с поверхности Земли небо большую часть времени кажется голубым, истинный цвет нашей атмосферы более сложен. Газы и слои частиц в воздухе взаимодействуют по-разному со спектром солнечного света.
Рассеяние, поглощение и отражение видимого и невидимого света азотом, кислородом, озоном, водяным паром, аэрозолями и загрязняющими частицами — все это вносит свой вклад в оттенки атмосферы. Угол падения солнечного света и перспектива просмотра также играют ключевую роль в цветах, которые мы видим с земли и из космоса.
Поэтому в следующий раз, когда вы увидите яркое голубое небо или захватывающий закат, помните, что ряд факторов работают вместе, чтобы создать особые атмосферные цвета, которыми мы наслаждаемся каждый день.