Почему небо голубое: рассеяние света

Короткий ответ: почему небо голубое

Солнечный свет белый, потому что в нём смешаны все цвета радуги. В атмосфере он встречает молекулы азота (около 78 % воздуха) и кислорода (около 21 %) и рассеивается на них. Короткие синие волны при этом отлетают в стороны заметно охотнее длинных красных. Потом этот синий свет приходит к глазу отовсюду, с любой точки небосвода. Поэтому небо и голубое.

Ниже разберём, почему именно синий, куда пропал фиолетовый и отчего цвет неба меняется на закате, в горах и на других планетах.

Рэлеевское рассеяние: физика голубого неба

Представьте световую волну как череду гребней, бегущих сквозь воздух. Рядом с ней молекулы азота и кислорода — крошки: они больше чем в тысячу раз меньше длины волны видимого света. Длинные волны таких препятствий почти не замечают, а короткие молекулы охотно сбивают с курса. Свет при этом не поглощается и цвета не меняет. Рассеяние упругое, у луча меняется только направление.

Закон Рэлея переводит это в цифры: интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны, ∝ 1/λ⁴. Работает он для частиц мельче примерно 1/10 длины волны, и молекулы N₂ и O₂ укладываются в это условие с большим запасом.

Четвёртая степень даёт резкую зависимость. Сравним синий свет на 450 нм и красный на 700 нм: (700/450)⁴ ≈ 6, синий рассеивается примерно вшестеро сильнее. В книгах и статьях попадаются и 5,5, и 9, и даже 16 раз. Путаницы тут нет, авторы берут разные пары длин волн: для 400 и 700 нм выходит около 9, а для крайних точек видимого диапазона ещё больше.

Кто открыл, почему небо голубое

В 1869 году Джон Тиндаль заметил в лаборатории голубое свечение, когда свет рассеивался на мелких взвешенных частицах. Сейчас это называют эффектом Тиндаля. Теорию выстроил лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт): в 1871 году он вывел зависимость 1/λ⁴, а в 1899-м показал, что пыль для голубого неба не нужна, хватает самих молекул воздуха. Позже картину уточнили Смолуховский (1908) и Эйнштейн (1910). Они описали рассеяние через флуктуации плотности газа — случайные микроскопические сгущения и разрежения воздуха.

Нобелевскую премию по физике 1904 года Рэлею часто приписывают за цвет неба. На деле её дали за открытие аргона.

Почему небо голубое, а не фиолетовое

Если строго следовать закону Рэлея, фиолетовый (примерно 380–450 нм) должен рассеиваться ещё сильнее синего (примерно 450–495 нм). Границы эти, к слову, условные, от справочника к справочнику они гуляют на 10–20 нм. Почему же небо не фиолетовое? Причин три.

1. Фиолетового в солнечном излучении с самого начала меньше, чем синего.
2. Часть коротковолнового света задерживает атмосфера: озоновый слой поглощает прежде всего ультрафиолет. Роль озона тут скромная, добавочная.
3. Глаз к фиолетовому заметно менее чувствителен, а синий возбуждает сразу несколько типов колбочек и потому кажется ярче.

В итоге до глаза доходит смесь рассеянного фиолетового, синего и голубого с примесью остальных цветов, и мозг воспринимает её как привычный голубой.

Почему небо не зелёное

Зелёный находится между синим и красным и по тому же закону 1/λ⁴ рассеивается слабее синего. В рассеянном свете он есть. Только синий его перебивает, и вся смесь смещается к голубому. Рэлеевское рассеяние всегда тянет к короткому краю спектра, поэтому зелёного неба оно не даёт.

Что влияет на оттенок неба: атмосфера, высота и погода

Цвет рассеянного света определяется размером частицы. На этом же держится физика коллоидов и наносуспензий: эффект Тиндаля в стакане и небо над головой — оба примеры рассеяния света на частицах.

Молекулы газов гораздо меньше длины волны, поэтому рассеивают по Рэлею и дают синий. Капли воды, пыль и частицы смога сравнимы с длиной волны или крупнее, и для них уже действует теория Ми (Густав Ми, 1908). Такие частицы рассеивают все цвета почти поровну, и небо белеет, становится молочным. Если частица больше длины волны раз в 10 и сильнее, теория Ми плавно переходит в обычную геометрическую оптику с лучами, преломлением и отражением.

Частица	Размер относительно λ	Тип рассеяния	Цвет
Молекулы N₂, O₂	много меньше 1/10 λ	Рэлея	синий, голубой
Частицы дымки, смога	порядка λ	Ми	белёсый, серо-белый
Капли облаков	много больше λ	Ми / геометрическая оптика	белый

Таблица объясняет многое из того, что мы видим каждый день.

• В горах воздух разрежён, рассеивающих молекул меньше, и небо становится густо-синим. Чем выше, тем темнее: в стратосфере небо становится глубоко-синим с переходом к чёрному.
• Облака белые, потому что капли намного крупнее длины волны и рассеивают все цвета одинаково. Толстые облака серые: мощный слой пропускает вниз лишь малую долю света, и чем толще облако, тем оно темнее снизу.
• У горизонта небо бледнее, чем в зените: свет по дороге успевает рассеяться много раз, и цвета перемешиваются.

Свет неба к тому же частично поляризован, и это легко заметить через поляризационные очки или фотофильтр: при повороте яркость участков неба меняется. Есть на небосводе и нейтральные точки без поляризации, их называют точками Араго, Бабине и Брюстера.

Почему на закате и восходе небо красное

Когда Солнце стоит низко, его лучи идут сквозь атмосферу по касательной, и путь получается примерно в 38–40 раз длиннее, чем при Солнце в зените. На такой дистанции синяя и голубая части спектра почти целиком рассеиваются по дороге и до наблюдателя не доходят. Добираются в основном длинные волны, оранжевые и красные. Они и окрашивают само Солнце, облака и небо у горизонта.

Аэрозоли усиливают эффект. Пыль, дым лесных пожаров, вулканические выбросы в стратосфере добавляют рассеивающих частиц, и после крупных извержений закаты бывают необычно насыщенными и долгими. Грязный приземный воздух действует наоборот: крупные частицы рассеивают по Ми, и закат вместо алого выходит мутно-серым.

Почему ночью небо чёрное, а в космосе тёмное

Ночью механизм голубого неба выключен. Атмосфера над головой никуда не делась, но прямого солнечного света, который она могла бы рассеивать, нет. Светят только слабые источники: звёзды, Луна, свечение верхних слоёв атмосферы и городская засветка.

В космосе причина другая: там рассеивать нечему. Выше условной линии Кармана (100 км) воздух настолько разрежён, что рассеяние ничтожно, и небо чёрное даже рядом с Солнцем. Само Солнце оттуда кажется белым: без атмосферы из его света ничего не вычитается, и глаз получает полную смесь всех цветов.

Небо на других планетах и в прошлом Земли

По цвету неба можно многое сказать об атмосфере, и в Солнечной системе палитра получается пёстрая.

На Марсе дневное небо желтовато-коричневое с розоватым отливом: в разрежённой атмосфере висит мелкая пыль размером около 1,5 мкм. Зато закат там голубой, это хорошо видно на снимках марсоходов Curiosity и Perseverance.

Под плотными облаками Венеры из капель серной кислоты небо жёлто-оранжевое. Титан, спутник Сатурна, окутан плотной дымкой, и небо там оранжевое. На Луне атмосферы нет, небо чёрное и днём, и ночью, а Солнце белое.

Да и земное небо, по мнению части исследователей, было голубым не всегда. Есть гипотеза, что в архее в атмосфере Земли было заметно больше метана и над планетой могла висеть оранжевая дымка вроде титановской. Это реконструкция по косвенным данным, установленным фактом её считать нельзя.

Как объяснить ребёнку, почему небо голубое: простые слова и опыты

Ребёнку хватит такого объяснения: солнечный свет похож на коробку, где смешаны все краски. Воздух разбрызгивает по небу синюю краску сильнее остальных, вот куда ни глянь, отовсюду и летит синий.

Слова можно подкрепить двумя опытами.

Для первого понадобятся стакан воды и молоко. Налейте воду в прозрачный стакан и капните пару капель молока, чтобы жидкость осталась почти прозрачной, лишь чуть мутной. Экономия тут ни при чём: частицы жира и белка должны висеть в воде редко, тогда свет рассеется один раз, а не многократно. Посветите фонариком сбоку. Сбоку вода будет отливать голубоватым, это рассеянный свет коротких волн. А если посмотреть сквозь стакан прямо на фонарик, свет покажется желтовато-оранжевым, потому что синий уже разлетелся в стороны. Получается домашняя модель дневного неба и заката сразу, и заодно эффект Тиндаля своими глазами.

Насколько заметны оттенки, зависит от количества молока, ширины стакана и фонарика: с некоторыми светодиодными фонариками эффект выходит слабым. Если цвета не видно, попробуйте добавить или убавить молока, взять ёмкость пошире или другой источник света.

Второй опыт, диск Ньютона, показывает историю с обратной стороны. Вырежьте из картона круг, разделите его на семь секторов и раскрасьте в цвета радуги. Насадите на карандаш и раскрутите. Цвета сольются, диск станет белым или светло-серым, и ребёнок увидит, что белый свет и правда состоит из всех цветов сразу.

Частые вопросы о цвете неба

Небо голубое, потому что отражает океаны? Нет. Голубой цвет даёт рассеяние света на молекулах воздуха, отражение воды тут ни при чём. Небо голубое и над пустынями, и над степями, где до океана тысячи километров.

Почему Солнце жёлтое, если его свет белый? Из прямого луча атмосфера забирает часть синего света и рассеивает его по небу. Оставшаяся смесь смещена к жёлтому. Из космоса Солнце выглядит белым.

Меняется ли длина волны света при рассеянии? Нет, рэлеевское рассеяние упругое: фотон меняет направление, но цвет сохраняет. Синего в небе много потому, что синий чаще отклоняется в сторону наблюдателя. Красный в синий не превращается.

Почему дым от костра иногда голубоватый? Тонкий дым состоит из очень мелких частиц, сопоставимых с наночастицами. Они рассеивают по Рэлею и дают голубизну. Густой дым с крупными частицами рассеивает по Ми и выглядит серо-белым.

Одинаково ли голубое небо везде на Земле? Оттенок зависит от чистоты и влажности воздуха. Сухой чистый воздух высокогорья даёт густую синеву, а влажная дымка и городской смог — белёсое, выцветшее небо: крупные частицы рассеивают все цвета без разбора.