27.12.2012

Почему небо голубое?

Пространство между нами и космосом занимает воздух, состоящий из очень маленьких молекул. В воздухе находятся также и другие вещества — аэрозоли, пыль, туман, облака, дым и т. д.

Чтобы достичь поверхности земли, солнечный свет должен пройти через эти объекты. Но часть света не доходит до поверхности, а если доходит, то непрямым путём.

Почему? Потому что часть света рассеивается объектами в атмосфере.

Видимый свет представляет собой электромагнитные волны довольно узкого диапазона длины (приблизительно 390-700 нанометров, где 1 нанометр равен одной миллиардной метра). Этот электромагнитный спектр охватывает диапазон от очень длинных радиоволн до чрезвычайно коротких гамма-лучей.

В пределах видимой части спектра красный свет имеет большую длину волн, чем голубой — 650 нм против 450 нм.

Когда свет рассеивается в атмосфере, величина и угол рассеивания зависят от длины волны и размера рассеивающего объекта.

Если размер рассеивающего объекта значителен по сравнению с длиной волны рассеиваемого света, то его форма также имеет значение.

Молекулы являются наименьшими рассеивающими объектами, они в 1000 раз меньше длины волны видимого света. Для молекул, таких как молекулы азота, который составляет 78% атмосферы, зависимость интенсивности рассеивания от длины волны обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны.

То есть, сравнивая голубой и красный цвет, мы берём соотношение длины волны (650/450) и возводим его в четвёртую степень, чтобы рассчитать, насколько более вероятным будет рассеивание голубого цвета, чем красного (получается 4.3 раза).

Голубой свет, проходя от солнца через атмосферу Земли рассеивается по направлению к вашим глазам.

Таким образом, небо выглядит голубым, поскольку рассеивание от молекул более вероятно для голубого света, чем для красного.

В любом направлении голубого света так много, что он полностью подавляет свет звёзд, которые, тем не менее, продолжают светить и днём.

Если вы приблизитесь к космосу достаточно близко, увидите, что небо там чёрное. Это происходит потому, что там наверху нет никаких значительных объектов, которые бы рассеивали солнечный свет перед вашими глазами.

И наоборот, если вы смотрите прямо на солнце сквозь чистую атмосферу (без дыма или пыли), значительное количество голубого света отсеивается с линии взгляда, что придаёт солнцу желтоватый оттенок.

Этот вид рассеивания — когда рассеивающий объект значительно меньше длины волны света — назван рэлеевским рассеиванием в честь британского физика 19-го века лорда Рэлея.

На закате путь солнечного света через атмосферу к вашим глазам особенно длинный. В этом случае так много голубого света теряется (т.е. отсеивается), что солнце выглядит оранжевым или даже красным (см. фото ниже).

Капельки воды или кристаллы льда, которые составляют облака, довольно крупные по сравнению с длиной волны видимого света (по крайней мере, в 20 раз больше). В этом случае рассеивание света сильное и почти не зависит от длины волны, во всяком случае, в видимом диапазоне. Облака выглядят белыми или разных оттенков нейтрального серого цвета, если они находятся в тени других облаков.

Этот снимок заходящего солнца показывает окрашивание в красный свет, обусловленное эффектом рассеивания. Мы не можем видеть на этом снимке, что само солнце выглядит красным. Однако рассеянный облаками солнечный свет красного цвета. Частички облаков имеют очень малую зависимость длины волны от рассеивающего объекта (для видимого света). Таким образом, цвет облаков на снимке обусловлен попадающим на них солнечным светом.

Если вы примите во внимание зависимость интенсивности рассеивания от длины волны для частиц среднего размера, то обнаружите, что в узком волновом диапазоне эта зависимость изменяется в обратную сторону. То есть в этом диапазоне, который может охватить видимый спектр, интенсивность рассеивания сильнее для более длинных волн.

Частицы такого размера могут находиться в видимом спектре. В этом случае, когда солнечный свет проходит через воздух, в котором присутствуют такие частицы, красный свет рассеивается, и солнце (или луна) будет выглядеть голубоватым.

Это редкое явление имеет место в том случае, когда выбросы вулканического пепла или лесные пожары заполняют атмосферу частицами соответствующего размера.

В отличие от Земли, марсианская атмосфера довольно пыльная, и небо на Марсе оранжевого цвета, иногда с голубыми закатами. Это объясняется тем, что частицы пыли на Марсе намного превышают размер молекул углекислого газа, из которого состоит атмосфера красной планеты.

То, что атмосфера на Марсе очень разреженная, означает, что интенсивность рассеивания из-за пыли имеет там сравнительно большее значение, чем на Земле.

Когда-нибудь, лёжа в траве и любуясь белыми облаками, плывущими по изумительно голубому небу, вспомните физическое явление, которое обуславливает то, что вы видите.

Мюррей ГАМИЛЬТОН

Источники:

1. epochtimes.ru