Когда мы смотрим на чистое голубое небо, кажется, что интуитивно небо должно казаться голубым. Однако сама атмосфера Земли не имеет голубого цвета. Небо кажется голубым только из-за того, как солнечный свет взаимодействует с газами в атмосфере. Этот эффект называется рэлеевским рассеянием. Без этого эффекта рассеяния небо казалось бы черным даже днем. Чтобы понять, почему небо кажется голубым, а не черным, необходимо рассмотреть свойства света и то, как он рассеивается мелкими частицами в атмосфере.
Видимый свет от солнца состоит из спектра различных длин волн, каждая из которых соответствует разному цвету. Длины волн видимого света находятся в диапазоне от 380 до 740 нанометров. Фиолетовый и синий свет имеют самые короткие длины волн, в то время как красный свет имеет самые длинные видимые длины волн. Когда белый солнечный свет попадает в атмосферу, различные длины волн света взаимодействуют с молекулами газа и взвешенными частицами по-разному. Более коротковолновый фиолетовый и синий свет с большей вероятностью рассеивается этими атмосферными частицами. Более длинноволновый красный и оранжевый свет проходит через атмосферу более напрямую.
Рассеяние коротковолнового синего света частицами в атмосфере называется рэлеевским рассеянием в честь лорда Рэлея, который впервые описал этот механизм в 1871 году. Рэлеевское рассеяние происходит, когда свет сталкивается с частицами, такими как молекулы газа или очень мелкие частицы пыли, которые меньше длин волн видимого света. Эти мелкие частицы рассеивают более короткие синие волны больше, чем более длинные красные волны.
Некоторые ключевые факты о рэлеевском рассеянии:
– Оно влияет на более короткие длины волн больше, чем на более длинные
– Степень рассеяния зависит от размера частиц по сравнению с длиной волны света
– Оно следует соотношению ?-4, при этом рассеяние быстро уменьшается с увеличением длины волны
– Синий свет около 475 нм рассеивается примерно в 10 раз больше, чем красный свет около 650 нм
Это зависящее от длины волны рассеяние изменяет спектр солнечного света и придает небу его голубой цвет.
На молекулярном уровне рэлеевское рассеяние является результатом взаимодействия между входящими световыми волнами и частицами, такими как молекулы воздуха. Эти частицы действуют как антенны, которые поглощают энергию световой волны, а затем переизлучают ее в других направлениях. Согласно принципам классического электромагнетизма, более короткие длины волн света сильнее взаимодействуют с мелкими частицами.
Сила рэлеевского рассеяния для света с длиной волны ? зависит приблизительно от:
1/?4
Так, например, рассеяние фиолетового света при 400 нм примерно в 10 раз сильнее, чем для красного света при 650 нм. Это соотношение длин волн ?-4 приводит к тому, что синий свет рассеивается сильнее всего, придавая небу его голубой цвет.
Чтобы понять, почему наше небо кажется голубым, полезно рассмотреть разницу между небом на Земле и небом в космосе. Например, если бы вы смотрели на небо с поверхности Луны, оно казалось бы черным даже днем. В вакууме космоса солнечный свет может распространяться напрямую от Солнца, не взаимодействуя ни с какими атмосферными частицами. Без рассеивания солнечный свет сохраняет свой полный спектр цветов. На фоне черноты космоса это выглядит белым.
На Земле атмосфера и ее взвешенные частицы рассеивают синий свет во всех направлениях. Это удаляет часть синего света из прямого пути солнечного света. Мы видим рассеянный синий свет как голубое небо. Этот процесс рассеяния оставляет больше длинноволнового красного и оранжевого света в прямом луче от солнца. Это делает солнце желтым или красноватым, если смотреть через более толстый слой атмосферы около горизонта.
Сила рэлеевского рассеяния также зависит от плотности атмосферы. На больших высотах, где воздух разреженнее, рассеивается меньше частиц. Это уменьшает количество синего света, рассеиваемого из прямого солнечного света.
Наблюдателю, стоящему на земле, небо кажется менее голубым, если смотреть прямо вверх, по сравнению с небом около горизонта. Вблизи горизонта солнечный свет прошел через большее количество воздуха, в результате чего больше синего света было рассеяно.
Этот эффект также объясняет, почему небо становится черным на больших высотах. В космосе или на очень больших высотах слишком мало частиц воздуха, чтобы рассеивать достаточно синего света, чтобы придать небу его голубой цвет.
Хотя рэлеевское рассеяние синего света является основной причиной цвета неба, на цвет неба могут влиять и другие факторы:
– Загрязнение: Аэрозольные частицы в загрязненном воздухе усиливают рассеяние, делая небо более белым и менее насыщенным.
– Облачный покров: Облака имеют белый вид, потому что они рассеивают все длины волн видимого света одинаково. Тяжелый облачный покров отсекает прямой синий свет от неба.
– Угол падения солнца: Небо около горизонта кажется красноватым, поскольку солнечный свет проходит через большую часть атмосферы. Больше синего света удаляется путем рассеивания, оставляя красноватые оттенки.
– Погода: Штормовая или необычная погода может вызвать более драматичные красные закаты и другие яркие цвета неба. Частицы в воздухе и влажность влияют на то, как рассеивается свет.
Если рэлеевское рассеяние рассеивает синий свет во всех направлениях, почему небо не кажется синим, если смотреть в сторону от солнца?
Причина в том, что единственным значимым источником света является почти однонаправленный луч света, исходящий от солнца. Рассеивание света в других направлениях в миллионы раз тусклее. Наши глаза недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить крошечное количество рассеянного синего света, исходящего из этих других областей.
Если бы во всех частях неба были яркие источники света, рэлеевское рассеяние сделало бы все небо синим, как показано на этой художественной визуализации:
Во время заката солнце находится низко над горизонтом, и его свет проходит через большую часть атмосферы, чтобы достичь наших глаз. Большая часть синего света выборочно рассеивается, оставляя больше длинноволнового красного света.
Кроме того, солнечный свет проходит более наклонный путь через атмосферу вблизи восхода и заката. Это еще больше подчеркивает преимущественное рассеивание коротковолнового синего света по сравнению с красными и оранжевыми оттенками.
Облака и частицы пыли в атмосфере также могут рассеивать солнечный свет вблизи горизонта, распределяя лучи, так что синий свет удаляется на более широкой области. Это придает закатам яркие красноватые и оранжевые цвета.
Рэлеевское рассеяние сильнее всего в верхних слоях атмосферы, где воздух разрежен. Это приводит к тому, что больше синего света перенаправляется до того, как он достигнет более плотных нижних слоев атмосферы.
Вот почему небо остается синим даже на восходе и закате, когда солнце находится низко над горизонтом. Верхние слои атмосферы продолжают рассеивать синий свет, сохраняя небо синим с нашей точки зрения на земле.
Подводя итог, можно сказать, что рэлеевское рассеяние, вызванное крошечными атмосферными частицами, почти полностью отвечает за синий цвет неба на Земле. Более коротковолновый фиолетовый и синий свет предпочтительно рассеивается этими частицами во всех направлениях. Когда мы смотрим на части неба вдали от солнца, мы видим часть этого рассеянного синего света, из-за чего небо приобретает синий цвет. Вблизи восхода и заката больше синего света рассеивается, из-за чего солнце и небо выглядят краснее. А в вакууме космоса рассеивания не происходит, поэтому небо остается черным, даже когда видно солнце. Понимание того, как солнечный свет взаимодействует с нашей атмосферой, дает удовлетворительное объяснение красочного неба, которым мы наслаждаемся в течение дня здесь, на Земле.