Красивый голубой цвет неба завораживал людей на протяжении тысячелетий. Древние мифы объясняли оттенок неба как отражение настроения богов и богинь. Позднее философы и ученые искали физические объяснения оптического явления, которое делает небо голубым.
Как мы теперь знаем, голубой цвет неба в дневное время обусловлен рэлеевским рассеянием. Когда солнечный свет попадает в атмосферу, молекулы азота и кислорода рассеивают синие длины волн больше, чем красные и зеленые. Рассеянный синий свет распространяется по небу, делая его голубым с земли, независимо от того, в каком направлении вы смотрите.
Интересно, что в то время как рэлеевское рассеяние объясняет голубое небо над сушей, другие факторы приводят к глубокому синему цвету открытого океана. Цвет океана зависит от молекул воды и любых частиц или организмов, взвешенных в воде. Чистые молекулы воды поглощают почти весь солнечный свет, кроме синего, что приводит к относительно небольшому отражению и очень глубокому синему оттенку.
В этой статье мы рассмотрим науку, лежащую в основе пленительного синего цвета неба и океана. Понимание физики света, которая окрашивает небеса и моря в синий цвет, может заставить нас заново оценить красоту нашей планеты.
Голубой цвет неба является результатом взаимодействия солнечного света с молекулами в атмосфере Земли. Когда белый солнечный свет проходит через воздух, мелкие атмосферные частицы рассеивают больше синих длин волн, чем красных и зеленых. Это называется рэлеевским рассеянием.
Рэлеевское рассеяние описывает упругое рассеяние света частицами, намного меньшими, чем длина волны света. Впервые оно было смоделировано лордом Рэлеем в 19 веке. Рэлеевское рассеяние сильно зависит от длины волны: более короткие длины волн рассеивают гораздо больше, чем длинные. Этот процесс сильно рассеивает фиолетовый и синий свет, исходящий от солнца, заполняя небо рассеянными синими цветами.
При рэлеевском рассеянии рассеянный свет сохраняет свою первоначальную длину волны. Это отличается от комбинационного рассеяния, где взаимодействие света и вещества приводит к изменению длины волны рассеянных фотонов.
Рэлеевское рассеяние применяется, когда частицы намного меньше длины волны света — порядка 1/10 длины волны или меньше. В атмосфере основными рассеивателями Рэлея являются отдельные молекулы воздуха — как азота (N2), так и кислорода (O2). Они намного меньше длин волн видимого света.
Более крупные атмосферные частицы, такие как пыль и капли воды, демонстрируют гораздо меньшее рэлеевское рассеяние. Вместо этого они отражают и преломляют свет без селективного рассеивания синего цвета. Это объясняет, почему небо менее голубое и более белесое в туманные дни.
Сильная зависимость рэлеевского рассеяния от длины волны возникает из-за того, как эффективность рассеяния масштабируется с размером частиц в зависимости от длины волны света. Как вывел лорд Рэлей, интенсивность рассеянного света пропорциональна:
1/длина волны4
Это соотношение 1/?4 заставляет более короткие синие волны рассеиваться гораздо легче, чем более длинные красные/оранжевые волны от солнца. Фиолетовый свет рассеивается даже больше, чем синий. Но наши глаза менее чувствительны к фиолетовому цвету, поэтому мы воспринимаем небо голубым.
Рэлеевское рассеяние не только делает небо голубым, но и создает другие красочные небесные явления:
Подводя итог, можно сказать, что рэлеевское рассеяние дает Земле как голубое небо, так и разноцветные восходы и закаты!
В то время как рэлеевское рассеяние создает голубой цвет неба, основным фактором, делающим открытый океан синим, является вода, избирательно поглощающая цвета. Чистые молекулы воды поглощают почти весь солнечный свет, кроме синего, что приводит к относительно небольшому отражению и очень глубокому синему оттенку.
Внутренний синий цвет воды обусловлен ее молекулярной структурой. Спектр поглощения молекулы воды таков, что красные, оранжевые, желтые и зеленые длины волн сильно поглощаются. Синий и фиолетовый свет поглощаются гораздо меньше.
Поэтому, когда солнечный свет попадает в чистую воду, большинство теплых цветов быстро поглощаются, оставляя синий рассеиваться обратно. Относительно низкое поглощение в синей части спектра придает воде присущий ей синий цвет.
Молекулярная физика, лежащая в основе свойств поглощения света водой, связана с ее электронными орбиталями и водородными связями. Специфика сложна, но в результате вода в основном поглощает длинноволновый свет больше, чем коротковолновый синий.
Конечно, океан не заполнен чистой водой. Растворенные частицы и морские организмы, такие как фитопланктон, также влияют на его цвет посредством дополнительного поглощения и рассеивания.
В прибрежных районах растворенные отложения действуют как более крупные частицы воздуха во время туманного неба. Осадки преломляют и отражают свет без синей селективности, из-за чего прибрежные воды кажутся более зелеными или коричневыми. Фитопланктон также поглощает больше синего света посредством фотосинтеза, уменьшая синие оттенки.
В открытом океане доминирует собственное поглощение синего цвета водой, поскольку частицы редки. Это создает глубокие синие воды, простирающиеся до горизонта. Вблизи островов питательные вещества удобряют рост планктона, уменьшая синие тона.
Интересной аналогией избирательного поглощения света молекулами воды является мех белого медведя. Полупрозрачные пряди волос рассеивают все цвета, кроме синего, из-за чего медведи кажутся белыми на фоне синего арктического моря!
Небо и море кажутся синими по совершенно разным причинам. Рассеяние Рэлея создает голубой цвет неба, в то время как избирательное поглощение молекулами воды придает открытому океану его глубокие синие оттенки. Захватывающая физика лежит в основе схожего цвета двух квинтэссенциальных изображений природы. В следующий раз, когда вы будете любоваться голубым небом и морем, подумайте о том, как свет взаимодействует с азотом, кислородом и водой, создавая эти характерные цвета планеты Земля!