Зміст
Дитяче «чому небо блакитне» — одне з тих питань, на яке дорослі відповідають «бо таке», а потім самі починають думати і не можуть пояснити нормально. Справді: чому саме блакитне, а не зелене чи жовте? І чому на заході воно стає червоним, хоча ні небо, ні сонце нікуди не рухаються?
Відповідь лежить у фізиці взаємодії світла з атмосферою. І вона значно цікавіша, ніж здається.
Сонячне світло — це всі кольори одразу
Перший крок до розуміння — усвідомити, що сонячне світло не є «білим» у звичному розумінні. Воно складається з хвиль різної довжини, і кожна довжина хвилі — це окремий колір. Ньютон довів це ще у 17 столітті, пропустивши сонячне світло через призму і отримавши всі кольори веселки.
Видимий спектр від найдовшої хвилі до найкоротшої:
- Червоний — 620–750 нм
- Оранжевий — 590–620 нм
- Жовтий — 570–590 нм
- Зелений — 495–570 нм
- Блакитний — 450–495 нм
- Фіолетовий — 380–450 нм
Коли всі ці кольори разом потрапляють на сітківку ока — мозок сприймає їх як «білий» або «жовтий» колір сонця.
Що таке розсіювання Релея
Коли сонячне світло входить в атмосферу, воно зустрічає молекули газів — переважно азоту N₂ і кисню O₂. Ці молекули набагато менші за довжину хвиль видимого світла і взаємодіють зі світлом особливим чином: поглинають фотон і майже одразу перевипромінюють його у випадковому напрямку.
Цей процес називається розсіювання Релея — на честь британського фізика лорда Релея, який математично описав його у 1871 році.
Ключова деталь: ефективність розсіювання залежить від довжини хвилі. Короткі хвилі (блакитний, фіолетовий) розсіюються у 16 разів сильніше, ніж довгі (червоний). Інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна четвертому ступеню довжини хвилі.
“Розсіювання Релея — процес, при якому інтенсивність розсіяного світла пропорційна четвертому ступеню частоти. Саме тому короткохвильове блакитне світло розсіюється в атмосфері значно сильніше за довгохвильове червоне.”
Чому небо блакитне, а не фіолетове
Тут виникає логічна пастка. Якщо фіолетове світло розсіюється ще сильніше за блакитне — чому небо не фіолетове?
Причин дві:
- сонце випромінює менше фіолетового світла порівняно з блакитним — спектральна потужність на фіолетових довжинах хвиль нижча;
- людське око значно чутливіше до блакитного кольору, ніж до фіолетового — рецептори сітківки так влаштовані.
Мозок «бачить» суміш розсіяного блакитного і фіолетового як блакитний. Цікаво, що бджоли і деякі птахи бачать ультрафіолетовий діапазон — для них небо виглядає інакше, з набагато яскравішим фіолетовим компонентом.
Чому захід сонця червоний
Ввечері сонце низько над горизонтом. Його промені проходять крізь значно товщий шар атмосфери, перш ніж досягти нашого ока.
| Положення сонця | Довжина шляху через атмосферу | Що відбувається зі світлом |
|---|---|---|
| Над головою (полудень) | ~100 км | Частина блакитного розсіюється, небо блакитне |
| Під кутом 45° | ~150 км | Більше розсіювання, небо насичено блакитне |
| Біля горизонту (захід) | ~1000 км і більше | Майже весь блакитний розсіяний, залишається червоний |
При такому довгому шляху блакитна і фіолетова компоненти повністю розсіюються в усіх напрямках — вони до нас просто не доходять. Але червоний і оранжевий кольори мають довгі хвилі, розсіюються слабко і проходять крізь атмосферу майже без втрат.
“Коли ми дивимося на захід сонця, ми бачимо сонячне світло, яке пройшло крізь значно більший шар атмосфери. Блакитна частина спектра вже розсіяна в інших напрямках — до нас доходить переважно червоний і оранжевий.”
Чому захід буває яскравіше після пожеж або виверджень вулканів
Після великих пожеж або виверджень в атмосфері з’являються додаткові частинки — пил, попіл, дим. Вони розсіюють світло ефективніше і для ширшого діапазону довжин хвиль. Це робить заходи набагато яскравішими і насиченішими.
Після виверження Кракатау у 1883 році незвично яскраві заходи спостерігалися по всьому світу протягом двох років — атмосферний пил розійшовся по всій планеті.
Чому хмари білі, а не блакитні
Хмари складаються з крапель води або кристалів льоду — вони значно більші за молекули газу. Для таких великих частинок діє інший принцип: всі довжини хвиль видимого світла розсіюються приблизно однаково. Суміш усіх кольорів разом сприймається як білий.
При цьому густа хмара пропускає мало світла — і здається сірою або темною знизу.
Чому ніч чорна і що бачать астронавти
Вночі немає потужного джерела світла для розсіювання. Зірки світять у вузьких напрямках і їх інтенсивність надто мала, щоб помітно підсвітити атмосферу. Тому небо чорне.
На висоті МКС (400 км) атмосфери фактично немає — розсіювати нічому. Для астронавтів небо завжди чорне, навіть коли сонце яскраво світить. Земля знизу виглядає блакитною саме тому, що атмосфера розсіює сонячне світло і частина блакитного повертається у космос.
Блакитне небо вдень і червоне на заході — це не два різних явища, а один і той самий ефект розсіювання Релея в різних умовах. Вдень ми бачимо розсіяне блакитне світло з усього небозводу. На заході блакитне вже розсіяне десь по дорозі — і до нас доходить тільки червоне і оранжеве. Одна формула, одна атмосфера, два різних видовища.
