Цвет неба издавна завораживал людей. Когда мы смотрим вверх в течение дня, мы видим гобелен синего цвета, перемежаемый белыми облаками. Однако ночью небо превращается в бесконечное пространство тьмы, усеянное мерцающими звездами. Этот контраст между дневным и ночным небом вызвал извечный вопрос: если космос темный, почему небо голубое?
Чтобы понять, почему небо кажется голубым, нам сначала нужно рассмотреть состав атмосферы Земли. Наша планета окружена слоем газов, удерживаемых гравитацией. Эта газовая оболочка известна как атмосфера. Азот составляет около 78% атмосферы, в то время как кислород составляет около 21%. Оставшийся 1% состоит из нескольких других газов, включая аргон, углекислый газ и водяной пар.
Эти атмосферные газы жизненно важны для жизни на Земле. Они поглощают ультрафиолетовое излучение Солнца, регулируют температуру и позволяют организмам дышать. Однако один ключевой газ — азот — не взаимодействует существенно с видимым светом. Когда солнечный свет попадает в атмосферу Земли, большая его часть проходит прямо через молекулы азота. Поэтому, если бы наша атмосфера содержала только азот, небо выглядело бы темным днем, как и ночью.
Так почему же небо выглядит синим, а не темным? Ответ связан с явлением, называемым рассеянием. Рассеивание происходит, когда частицы или волны вынуждены отклоняться от прямой траектории из-за локализованных неоднородностей в среде, через которую они проходят.
В случае атмосферы Земли основными частицами, рассеивающими солнечный свет, являются молекулы кислорода и азота. Эти молекулы очень малы — менее одной миллионной миллиметра в диаметре. Волны солнечного света взаимодействуют с молекулами, проходя через верхние слои атмосферы, заставляя их колебаться и излучать энергию в разных направлениях.
Но степень рассеивания зависит от длины волны (цвета) света. Синий свет имеет более короткую длину волны, чем более длинный красный свет. Когда свет сталкивается с молекулами в атмосфере Земли, величина рассеивания обратно пропорциональна длине волны, поэтому более короткие синие волны рассеиваются гораздо сильнее, чем более длинные красные волны.
Это большее рассеивание синего света заставляет небо приобретать синий цвет в течение дня. На закате и восходе солнца, когда солнечный свет проходит более длинный путь через атмосферу, чтобы достичь наших глаз, синий свет в основном рассеивается, что позволяет нам видеть красные, оранжевые и желтые цвета, составляющие солнечный свет.
Особый тип рассеяния, который придает небу его синий цвет, называется рэлеевским рассеянием, названным в честь британского физика лорда Рэлея. Рэлеевское рассеяние происходит, когда частицы намного меньше длины волны рассеянного света. Наряду с селективным рассеянием длин волн, рэлеевское рассеяние отвечает за голубой цвет неба и покраснение Солнца на закате.
| Длина волны (нм) | Величина рассеяния |
|---|---|
| 400 (фиолетовый) | 6,4 |
| 450 (синий) | 4,0 |
| 500 (зеленый) | 2,1 |
| 600 (оранжевый) | 1,0 |
| 700 (красный) | 0,44 |
Эта таблица показывает, что более короткие длины волн в синем и фиолетовом диапазонах рассеиваются гораздо сильнее, чем более длинные оранжевые и красные длины волн.
Итак, рэлеевское рассеяние объясняет, почему дневное небо кажется синим. Но почему ночное небо кажется темным, если космос полон звезд и галактик?
Главная причина в том, что звезды находятся невероятно далеко от Земли. Ближайшая звезда, Проксима Центавра, находится более чем в 4 световых годах или 24 триллионах миль от нашей планеты. Звездный свет из далеких галактик должен преодолеть огромные расстояния, чтобы достичь наших глаз. Во время этого путешествия слабый свет, исходящий от этих небесных объектов, подвергается постоянному рассеянию частицами пыли и газа в космическом пространстве.
К тому времени, когда этот рассеянный свет достигает атмосферы Земли, большая его часть поглощается или отклоняется от своего первоначального пути. Только самые сильные источники света, такие как Луна, планеты и яркие звезды, сохраняют достаточную интенсивность, чтобы наши глаза могли обнаружить их излучение как булавочные уколы света на фоне черноты космоса. Коллективное свечение миллиардов звезд и галактик просто слишком тусклое и рассеянное, чтобы мы могли его воспринять невооруженным глазом.
Таким образом, хотя космос заполнен источниками излучения, огромные расстояния и промежуточный материал означают, что лишь малая часть этого космического света достигает Земли в качестве прямого освещения. Вместо этого ночное небо представляет собой стигийскую пустоту, усеянную только самыми яркими звездами и планетами, — отсюда его воспринимаемая темнота по сравнению с рассеянными синими оттенками дневного времени.
Помимо эффектов рассеивания, плотность атмосферы также играет роль в цветах, которые мы воспринимаем над головой. На больших высотах атмосфера становится тоньше. При меньшем количестве молекул, с которыми нужно взаимодействовать, происходит меньше рассеивания.
В безоблачные дни солнечный свет на больших высотах проходит через менее плотные области атмосферы и претерпевает минимальное рассеивание. Без рассеивания солнечный свет сохраняет свой первоначальный белый цвет. С самолета на крейсерской высоте небо кажется намного темнее. Только около горизонта достаточно атмосферы для рассеивания, чтобы получить голубой оттенок.
Изменение плотности молекул воздуха с высотой объясняет, почему небо трансформируется из синего в черное по мере того, как мы поднимаемся вверх. С меньшим количеством частиц на больших высотах рассеивание солнечного света меньше, что придает небу его характерный цвет.
В то время как с нашей точки наблюдения на Земле космос кажется темным, дневное небо представляет собой цветной гобелен из-за оптического явления рассеяния света. Синие длины волн избирательно рассеиваются молекулами в нашей атмосфере посредством рэлеевского рассеяния. Этот процесс рассеяния придает небу знакомый лазурный оттенок в течение дня.
Но ночью звездный свет от далеких небесных объектов становится слишком слабым и рассеянным, поскольку он пересекает световые годы через космическое пространство. Только Луна, яркие звезды и планеты имеют достаточно концентрированного света, чтобы быть видимыми на фоне черноты ночного неба. Поэтому, хотя небеса изобилуют источниками излучения, большие расстояния и рассеяние приводят к тому, что небо возвращается к темноте после захода солнца.
В следующий раз, когда вы посмотрите на окрашенное в цвета небо, помните, что это не само пространство синее, а ваши глаза, воспринимающие рассеянный свет индиго, исходящий от моря молекул воздуха, окутывающего нашу бледно-голубую точку. Тьма за его пределами, возможно, служит напоминанием об огромной космической арене, которая лежит соблазнительно за пределами нашей земной точки обзора.