Хорошо сказано в Википедии! Однако это не совсем ясно. Единственное, что можно уточнить, это то, что солнечные лучи достигают нашей атмосферы, что-то с ними происходит, и мы видим голубой привет. Нет, так не бывает. Давайте попробуем более точно и на более понятном языке понять, почему небо голубое.
Почему небо голубое?
Наверное, каждый человек в какой-то момент своей жизни задавал себе этот простой вопрос: Почему ясное, безоблачное небо бывает голубым или синим? Очевидно, из-за воздуха, которым мы дышим, из-за атмосферы Земли! Наш воздух, вероятно, «голубой» или что-то в этом роде. Все, что можно увидеть, прозрачно, и на больших расстояниях самолеты, горы и корабли кажутся в голубоватом тумане… Такие рассуждения не меняют главного вопроса: почему небо голубое? Воздух не окрашен в голубой цвет!
Простой и короткий ответ: небо голубое, потому что молекулы воздуха рассеивают голубой цвет солнца больше, чем красный.
Поскольку воздух рассеивает синий цвет, небо кажется голубым, а само солнце — желтым. Кроме того, на закате, когда солнечный свет проникает в более плотную атмосферу, мы видим красное солнце и желтовато-красный рассвет. Все это возможно только потому, что синий свет рассеивается атмосферой на пути к нам.
Но откуда берется синий свет? Прежде всего, белый свет солнца представляет собой смесь всех цветов радуги, от фиолетового до красного. Вы хотите сказать, что солнечный свет — белый? Да, свет, исходящий от солнца, практически белый. Во-вторых, речь идет о свете, а не о цвете. Конечно, если смешать разные цвета, то получится почти черный результат.
Цвет света не является цветом объекта. Если смешать красный, желтый, оранжевый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый свет в примерно равных количествах, то получится белый свет. Исаак Ньютон был первым, кто доказал это, используя призму для разделения различных цветов и формирования спектра.
Ученые обнаружили, что цветной свет — это просто свет с разными длинами волн. Видимая часть спектра простирается от красного света с длиной волны около 720 нм до фиолетового света с длиной волны около 380 нм, между которыми находятся оранжевый, желтый, зеленый и синий цвета. Три различных типа цветовых рецепторов в сетчатке глаза человека наиболее сильно реагируют на красные, зеленые и синие волны, которые вместе составляют всю цветовую палитру.
Да, но что говорит физика о том, почему небо голубое?
Эффект Тиндаля
Первые шаги к правильному объяснению цвета неба были сделаны Джоном Тиндаллом в 1859 году. Он обнаружил любопытное явление: если направить свет через прозрачную жидкость, в которой взвешены мелкие частицы, то синий свет рассеивается этими частицами сильнее, чем красный.
Это можно легко продемонстрировать. Возьмите стакан воды и размешайте в нем несколько капель молока и немного муки или мыла так, чтобы вода в стакане помутнела. Затем пропустите свет факела через стекло. Вы увидите, что свет внутри стекла становится голубоватым. Точнее, свет, который проходил через стекло в глаза, становился голубоватым, то есть отклонялся и рассеивался в растворе!
Но самое интересное, что свет на выходе из стекла, потеряв часть своего синего содержания, будет не белым, а желтоватым! Если контейнер достаточно широкий, свет, многократно рассеиваясь на своем пути, в конце концов потеряет свою синюю составляющую и выйдет из контейнера красным, а не желтым.
Эффект Тиндалла относится к рассеянию света в мутных жидкостях. Частицы в такой жидкости должны иметь особую структуру поверхности — канавки, решетки, поры, углы, — размер которой сопоставим с длиной волны света.
Благодаря эффекту Тиндейла появились красивые голубые ракообразные — Sapphirinidae. Эти крошечные животные, которые, кажется, светятся изнутри, иногда становятся совершенно невидимыми для наблюдателя (рассеивание света идет в ультрафиолетовом диапазоне)…
Эффект Тиндалла также ответственен за голубые глаза у людей!
Да, да, это не синий пигмент — его просто не существует, — а меланин, который рассеивает свет подобным образом!
Несколько лет спустя эффект Тиндейла был подробно изучен лордом Рэйли. С тех пор рассеяние света очень маленькими частицами стало называться рэлеевским рассеянием. Рэлей показал, что количество рассеянного света обратно пропорционально четвертой мощности длины волны для достаточно малых частиц. Из этого следует, что синий свет в таких частицах рассеивается примерно в 10 раз больше, чем красный: (700 нм/400 нм) 4 = 10.
Пыль или молекулы?
Это все хорошо, но наше небо заполнено воздухом, а не жидкостью, и в нем не плавают куски мыла или молока….. Какие частицы рассеивают свет в воздухе? Тиндаль и Рэлей считали, что голубой цвет неба обусловлен мелкими частицами пыли и каплями водяного пара, плавающими в атмосфере, подобно тому, как частицы молока плавают в воде.
Это было заблуждением, хотя и сегодня некоторые люди утверждают, что цвет неба определяется водяным паром и пылью. Если бы это было так, то цвет неба менялся бы в зависимости от влажности или тумана гораздо сильнее, чем это происходит на самом деле. Поэтому ученые (справедливо!) предположили, что для объяснения рассеяния достаточно молекул кислорода и азота. Это сам воздух, точнее, его молекулы, которые рассеивают свет!
Голубое небо и облака на нем. Воздух рассеивает свет в соответствии с рассеянием Рэлея, а крупные частицы в облаках — в соответствии с рассеянием Ми. Фото: Andrei Azanfirei/Flickr.com
Окончательно вопрос был решен в 1911 году Альбертом Эйнштейном, который рассчитал подробную формулу рассеяния света как функции молекул, а дальнейшие эксперименты блестяще подтвердили его расчеты. Говорят, что Эйнштейн мог использовать свои вычисления в качестве дополнительной проверки числа Авогадро!
Первоначально ученые объясняли это особым составом воздуха, который состоит из множества химических компонентов. Атмосфера Земли также содержит водяной пар, кристаллы льда, частицы пыли и т.д. Озон образуется в верхнем слое.
Что скажет Википедия?
Если мы чего-то не знаем, мы всегда можем найти ответ в Википедии. Итак, давайте посмотрим, что говорит этот источник.
Вот ссылка на него.
Хорошо сказано в Википедии! Однако это не совсем ясно. Единственное, что можно уточнить, это то, что солнечные лучи достигают нашей атмосферы, что-то с ними происходит, и мы видим голубой привет. Нет, так не бывает. Давайте попробуем более точно и на более понятном языке понять, почему небо голубое.
Причина в том, что называется «рассеянием света»!
Рассеивание света
Поэтому солнце испускает лучи, которые имеют белый цвет. Белый цвет, как мы знаем, включает в себя все цвета видимого спектра. Об этом свидетельствуют радуги. Радуга образуется, когда солнечный свет попадает на капли воды и растворяется в различных цветах. По той же причине мы видим голубое небо.
Возможно, вас заинтересует это:
Факт, что в воздухе есть много молекул газа, которые рассеивают солнечный свет. Частицы света рассеиваются в разных направлениях, поэтому голубой цвет неба виден землянам и астронавтам с МКС в виде голубого ореола. Но почему он синий, ведь в спектре есть как минимум семь цветов, как говорится: «Каждый охотник хочет знать, где сидит фазан»!
Интересный факт! Ежедневно человек вдыхает около 20 килограммов воздуха. Этот объем мы получаем, делая 22 000 вдохов в день.
Почему небо именно голубого цвета?
Каждый цвет имеет свою длину волны, что можно увидеть на следующей иллюстрации.
Фиолетовый цвет распространяется очень сильно, а цвета от зеленого до красного — менее сильно. Получается, что голубые и синие частицы — это золотая середина. Фиолетовый цвет, хотя он рассеивается лучше, чем синий, не воспринимается из-за нашего восприятия: При одинаковой яркости синий цвет воспринимается нашим глазом гораздо лучше, чем его аналог.
Вот хорошее видео на эту тему, которое помогло нам разобраться в этом вопросе:
Анализ этого изображения показывает, что видимое излучение также представлено неоднородными интенсивностями для излучения различных длин волн. Например, фиолетовый цвет имеет относительно небольшую долю видимого излучения, а синий и зеленый — наибольшую.
Солнечный свет
Солнечные лучи — это квантовые волны с разной длиной волны. Когда белая волна проходит через неоднородную атмосферу, она преломляется молекулами всех видов газов и распадается на спектр цветов. Радуга, которую мы все знаем, создана.
С помощью призмы или увеличительного стекла вы можете сами создать такую же радугу. Расщепление солнечных лучей на их цветные компоненты называется рассеянием. Волны разной длины воспринимаются человеческим глазом как различные цвета — красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, голубой и фиолетовый.
Спектр солнца неравномерен, одни цвета сильнее, другие слабее. Например, фиолетового света очень мало.
Атмосфера
Солнечные лучи рассеиваются при входе в земную атмосферу, как показал Рэли. Законы физики гласят, что короткие длины волн рассеиваются гораздо лучше, чем длинные. Красная часть спектра проходит через атмосферу Земли практически без рассеивания, в то время как синяя часть спектра рассеивается, придавая небу привычный цвет.
Становится понятно, почему с физической точки зрения небо на других планетах не голубое. Например, на Титане, спутнике Сатурна, небо желто-оранжевое, а на Марсе — красноватое. Это зависит от толщины и плотности атмосферы и расстояния, которое световые волны должны пройти, чтобы достичь поверхности планеты.
Если бы атмосфера Земли была шире, мы бы видели зеленое небо. Более короткие длины волн синего и сине-голубого цвета не достигли бы наших глаз.
Но снова возникает вопрос, почему небо над Землей голубое, а не фиолетовое?
Устройство глаза
Человеческий глаз предназначен для восприятия спектра только в диапазоне от красного до фиолетового. Фиолетовый цвет, который в солнечном спектре уже на один цвет меньше, находится на пределе зрительного диапазона глаза. По этой причине он сливается для нас с синим цветом и становится почти невидимым на небе.
Вот почему небо голубое. Если бы цветовой спектр человеческого глаза был еще более узким, мы бы не воспринимали синий цвет, и люди на Земле видели бы зеленое небо.
