В солнечный день цвет неба часто кажется синим. Но фактический цвет может сильно меняться в зависимости от таких факторов, как погода, время суток, местоположение и т. д. Понимание того, что заставляет небо казаться разного цвета, помогает объяснить научную сторону этого оптического явления.
В ясный солнечный день небо кажется синим, потому что молекулы в воздухе рассеивают синий свет от солнца больше, чем красный. Когда белый солнечный свет попадает в атмосферу Земли, более коротковолновый синий свет рассеивается во всех направлениях молекулами газа и частицами в воздухе. Более длинноволновый красный, оранжевый и желтый свет легче проходит через этот атмосферный фильтр. Поэтому, когда мы смотрим на небо, мы видим более холодный, рассеянный синий свет.
Основными молекулами газа, отвечающими за рассеивание синего света, являются азот и кислород. Азот составляет около 78% атмосферы Земли, а кислород — 21%. Эти бесцветные, не имеющие запаха газы почти не поглощают свет в видимом спектре, но рассеивают более коротковолновый свет, такой как синий и фиолетовый, сильнее из-за рэлеевского рассеяния. Этот эффект рассеяния обратно пропорционален четвертой степени длины волны, поэтому синий и фиолетовый свет рассеиваются гораздо сильнее, чем другие цвета. Вот почему небо выглядит синим с поверхности Земли.
Если рэлеевское рассеяние рассеивает синий свет больше, чем другие цвета, то почему небо не фиолетовое, а не синее? Фиолетовый свет имеет еще более короткую длину волны, чем синий свет. Причина в том, что наши глаза более чувствительны к синему свету, чем к фиолетовому. Поэтому, несмотря на то, что рассеивается больше фиолетового света, наши глаза воспринимают небо как синее, потому что они могут лучше обнаруживать синий свет.
Солнце также излучает больше света в синих и зеленых длинах волн, чем в фиолетовых. Поэтому преобладание синего света, рассеянного через атмосферу, кажется нашим глазам синим. Рассеянный фиолетовый свет заглушается другими длинами волн. Если бы наши глаза были более чувствительны к фиолетовому свету или если бы солнце излучало больше фиолетовых частот, то небо казалось бы фиолетовым, а не синим.
На восходе или закате, когда солнце находится низко над горизонтом, небо может приобретать оранжевый, красный или желтый оттенки. Это происходит потому, что солнечному свету приходится проходить через большую часть атмосферы, чтобы достичь наших глаз, когда солнце находится ниже над горизонтом. Большая часть синего света рассеивается, позволяя большему количеству длинноволнового красного, оранжевого и желтого света проходить. Небо переходит в эти более теплые цвета, когда солнце находится в пределах примерно 15 градусов от горизонта.
Количество пыли, загрязнений или водяного пара в атмосфере также может влиять на то, насколько сильно покраснение происходит на восходе и закате. Больше частиц в воздухе приводит к большему рассеиванию коротковолнового синего света, позволяя преобладать большему количеству длинноволнового красного и оранжевого света. Различные типы облачных образований в небе около горизонта также могут усиливать эти красные и оранжевые оттенки.
В пасмурный или туманный день небо может потерять свой типичный голубой цвет и вместо этого казаться белым или серым. Это происходит потому, что капли воды или кристаллы льда, из которых состоят облака и туман, крупнее отдельных молекул воздуха. Эти более крупные частицы рассеивают свет всех видимых длин волн более равномерно, так что полный спектр цветов достигает наших глаз. При отсутствии доминирующего цвета небо кажется белым или серым, когда оно пасмурное.
Плотность слоя облаков или тумана также имеет значение. Тонкие, тонкие перистые облака высоко в атмосфере могут оказывать незначительное влияние на голубое небо. Но толстые грозовые облака или туманные полосы могут рассеивать достаточно спектра, чтобы полностью размыть синий цвет, создавая тусклый серый фон. Чем белее или серее пасмурное небо, тем плотнее облачный покров, обычно закрывающий солнце.
Цвет неба также меняется с увеличением высоты и расстояния от горизонта. Над головой около полудня небо обычно выглядит самым темно-синим, потому что солнечный свет проходит через наименьшее количество атмосферы, прежде чем достичь наших глаз. На больших высотах меньше молекул воздуха и меньше пыли в воздухе, рассеивающих свет, поэтому меньше синего света отфильтровывается. Это делает небо еще более темно-синим, если смотреть с вершин гор или из самолета.
Вблизи горизонта во время восхода и заката небо переходит в желтые и оранжевые оттенки, потому что больше синего света рассеивается. На больших высотах солнечный свет проходит через меньшее количество атмосферы, поэтому цвета кажутся менее яркими. Небо вокруг горизонта сохраняет более темный синий цвет, а не переходит полностью в красный, потому что произошло меньше рассеивания.
Состав планетарных атмосфер может создавать небо с цветами, сильно отличающимися от синего цвета Земли. Например, атмосфера на Марсе примерно в 100 раз менее плотная, чем атмосфера Земли. Она содержит около 95% углекислого газа, который рассеивает красный свет. Это делает марсианское небо красноватым, а не синим. Пыльные бури, распространенные на Марсе, могут еще больше усиливать красный цвет.
Плотные атмосферы газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, рассеивают синий свет. Но они также содержат следы химических веществ, таких как фосфиновый газ и углеводороды, которые поглощают красный свет, что приводит к большему количеству синих оттенков. Нептун выглядит синим по другой причине — метан в его атмосфере поглощает красный свет. Таким образом, синий цвет возникает из-за того, что остальные оттенки не поглощаются. Диапазон красочных небес в других мирах показывает, как состав атмосферы может влиять на цвет.
В то время как небо обычно кажется голубым в ясные дни, изменение условий может создать более белое, серое, оранжевое или красноватое небо. Синева, которую мы обычно видим, является результатом предпочтительного рассеяния коротковолнового синего света молекулами газа в воздухе. Но оттенок синего меняется в зависимости от таких факторов, как облачность, время суток, пыль и высота. Понимание рэлеевского рассеяния, поглощения света и роли, которую играют наши глаза, помогает объяснить науку, лежащую в основе различных цветов неба.
Обычно воспринимаемый синий цвет ясного полуденного неба является оптическим эффектом, вызванным рэлеевским рассеянием солнечного света на молекулах газа и других микроскопических частицах в атмосфере. Но небо может принимать ряд оттенков от белого и серого до оранжевого, красного и даже фиолетового в зависимости от таких условий, как погода, высота, время суток и положение солнца. Состав атмосферы и чувствительность человеческого глаза также влияют на то, какие цвета воспринимаются сильнее всего. Изучение всех переменных, определяющих цвет неба, дает представление об этом атмосферном явлении, которое влияет на оттенки, которые мы видим над головой.