Цвет неба меняется в течение дня вместе с положением Солнца — от голубого и синего до жёлтого, оранжевого и красного. Причина этих превращений — взаимодействие солнечного света с земной атмосферой. В статье разберёмся, как работает рассеяние света, откуда берутся цвета рассветов и закатов и почему на Марсе и Луне небо выглядит совсем не так, как на Земле.
Почему солнечный свет кажется белым
Солнечный свет кажется нам белым, но на самом деле в нём смешано множество цветов — от фиолетового и синего до оранжевого и красного. Это можно увидеть, например, когда белый свет разделяется на цветной спектр: получается знакомая последовательность цветов радуги.
Все эти цвета входят в видимый спектр — область электромагнитного излучения, которую способен воспринимать человеческий глаз. Цвет зависит от длины световой волны: если представить её как череду «гребней», то у фиолетового расстояние между ними будет меньше, а у красного — больше. Например, для синего это примерно 450 нм, а для красного — около 700 нм. При этом чётких границ между цветами нет: в спектре один оттенок плавно переходит в другой.
В солнечном свете все эти цвета смешаны, поэтому человеческий глаз воспринимает его как белый. Но, проходя через атмосферу, свет взаимодействует с молекулами воздуха, причём разные цвета ведут себя по-разному. Что именно с ними происходит и как из-за этого меняется цвет неба, разберём дальше.
Почему небо синее: рассеяние света в атмосфере
Земная атмосфера состоит из 78% азота и около 21% кислорода. Их молекулы очень малы — намного меньше длины волны видимого света. Поэтому солнечный свет не просто проходит сквозь воздух: часть его рассеивается, то есть меняет направление и расходится в стороны. Это явление называется рассеянием Рэлея.
Но разные цвета рассеиваются неодинаково. Чем короче световая волна, тем сильнее рассеяние: его интенсивность приблизительно обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Из-за такой зависимости даже сравнительно небольшая разница в длине волны даёт заметный результат.
Что при этом происходит? Электрическое поле световой волны возбуждает колебания зарядов в молекулах воздуха, и те переизлучают часть энергии в других направлениях. Красный свет рассеивается слабее, поэтому большая его доля продолжает двигаться в составе прямого солнечного луча. Синий рассеивается сильнее и приходит к нам уже с разных сторон. Когда мы смотрим не прямо на Солнце, а на небо, то видим именно этот рассеянный свет.
Есть, однако, ещё более короткие волны — фиолетовые. Они рассеиваются сильнее синих, но небо обычно не выглядит фиолетовым. Человеческий глаз значительно менее чувствителен к самому коротковолновому краю видимого спектра, а часть фиолетового излучения поглощается в атмосфере. Поэтому ясное дневное небо мы воспринимаем прежде всего синим.
При этом цвет неба неодинаков во всех направлениях. У горизонта оно обычно светлее и белее, чем высоко над головой: там свет проходит через больший объём атмосферы и испытывает более сложное рассеяние. На цвет также влияют состав и плотность атмосферы, поглощение света и количество взвешенных частиц.
Почему закат красный
Днём Солнце находится высоко, и его лучи проходят через атмосферу по сравнительно короткому пути. Но утром и вечером Солнце оказывается у горизонта, и путь света через воздух становится намного длиннее. У самого горизонта солнечный свет может проходить через воздушную массу примерно в 38 раз большую, чем когда Солнце находится прямо над головой.
На таком длинном пути синие и фиолетовые волны, которые рассеиваются сильнее красных, всё больше уходят в стороны. Поэтому в прямом солнечном свете, который доходит до наших глаз, становится относительно больше жёлтых, оранжевых и красных волн. Так появляются тёплые краски заката — и по той же причине красным или оранжевым может быть рассвет.
Физический механизм у рассвета и заката один и тот же, но выглядеть они могут по-разному. Цвет неба зависит не только от положения Солнца, но и от состояния атмосферы — влажности, облачности и количества аэрозолей. Поэтому один закат может быть бледно-жёлтым, а другой — ярко-оранжевым или красным.
Что происходит во время голубого часа
Солнце уже скрылось за горизонтом, но полной темноты ещё нет. Небо остаётся освещённым и может становиться глубоким синим или сине-голубым. Этот период сумерек называют голубым часом. Такое же явление можно увидеть и утром — незадолго до восхода Солнца.
Почему же небо становится таким синим, если Солнце уже за горизонтом? Его лучи всё ещё освещают верхние слои атмосферы, и часть этого света после рассеяния попадает к наблюдателю. При этом меняется соотношение разных цветов в сумеречном свете.
Свою роль играет и озон. Он поглощает часть видимого света в так называемых полосах Шаппюи — широкой области спектра с максимумом поглощения примерно около 600–602 нм. Это поглощение вместе с рассеянием света помогает усилить характерный синий оттенок сумеречного неба.
Голубой час хорошо заметен в ясную погоду: небо уже не такое яркое, как днём, но ещё не стало ночным. Поэтому в это время особенно хорошо виден переход от тёплых красок у горизонта к холодному синему цвету остальной части неба.
Как пыль, дым и вулканы меняют цвет заката
На цвет заката влияет не только положение Солнца, но и то, что находится в атмосфере. Пыль, дым, сажа и другие мельчайшие частицы — аэрозоли — взаимодействуют со светом и могут заметно менять привычные краски неба. Результат зависит от размера и состава частиц, их количества и высоты.
Пыль и дым могут усиливать красные и оранжевые оттенки, если мелкие частицы находятся достаточно высоко в атмосфере и их не слишком много. Но плотная дымка и сильное загрязнение у поверхности рассеивают свет и снижают контраст, поэтому закат может стать бледным и тусклым.
Особенно интересные изменения происходят после крупных вулканических извержений. Вулкан выбрасывает вещества высоко в атмосферу, и в стратосфере могут образовываться мельчайшие сульфатные частицы — в том числе из вулканического диоксида серы. Они способны долго оставаться на большой высоте и влиять на то, как солнечный свет рассеивается в атмосфере. Поэтому после крупных извержений необычные оттенки закатов могут наблюдаться в течение многих месяцев.
Почему облака на закате становятся розовыми и красными
Днём облака обычно кажутся белыми или сероватыми. Они состоят из капель воды и кристаллов льда, которые намного крупнее молекул воздуха и рассеивают разные цвета видимого света гораздо более равномерно.
На закате всё меняется. Пока солнечный свет проходит длинный путь через атмосферу, значительная часть синего и фиолетового света рассеивается в стороны. До облаков доходит свет, в котором относительно больше жёлтых, оранжевых и красных волн. Облака рассеивают этот свет — и сами начинают казаться розовыми, оранжевыми или красными.
Поэтому одно и то же белое облако днём на закате может окраситься в ярко-розовый или красный цвет.
Почему небо ночью и на высоте становится темнее
Днём атмосфера освещена Солнцем: молекулы воздуха рассеивают солнечный свет, и часть этого света приходит к нам со всех сторон, создавая голубой фон неба. Ночью над нами нет такого яркого солнечного освещения, поэтому рассеянного света становится намного меньше. А если из какого-то участка неба в глаза почти не попадает свет, мы воспринимаем его как тёмный или чёрный.
Совсем чёрным оно, впрочем, не бывает. Мы видим свет звёзд, а верхние слои атмосферы сами создают очень слабое свечение. Но оно несравнимо слабее дневного рассеянного солнечного света и обычно почти незаметно глазу.
Интересно, что небо становится темнее и днём, если подняться достаточно высоко. В горах воздух разреженнее, а над наблюдателем находится меньшая масса атмосферы. Значит, меньше молекул рассеивают солнечный свет — и синий фон становится темнее. По той же причине из иллюминатора пассажирского самолёта при ясной погоде небо может выглядеть заметно темнее, чем у поверхности Земли.
Как выглядит небо на Марсе и Луне
Цвет неба зависит от атмосферы — её плотности, состава и находящихся в ней частиц. На Марсе атмосфера очень разрежена и примерно на 95–96% состоит из углекислого газа. Кроме того, в ней постоянно находится мелкая пыль. Именно она во многом определяет цвет марсианского неба: днём оно обычно выглядит жёлто-оранжевым или красноватым.
А вот на закате происходит необычная для земного наблюдателя картина: область вокруг Солнца может становиться голубоватой. Свойства мелкой марсианской пыли позволяют синему свету эффективнее проходить через атмосферу, а его рассеяние остаётся сосредоточенным ближе к направлению на Солнце. Жёлтый и красный свет при этом распределяются по более широкой части неба.
На Луне плотной атмосферы вообще нет, есть только крайне разреженная экзосфера. Частиц в ней слишком мало, чтобы заметно рассеивать солнечный свет. Поэтому даже посреди лунного дня, когда поверхность ярко освещена Солнцем, небо остаётся чёрным.
Главное
Цвет неба зависит от того, как солнечный свет взаимодействует с атмосферой. Днём короткие световые волны рассеиваются сильнее, поэтому небо кажется синим. На рассвете и закате свет проходит более длинный путь через атмосферу: синие и фиолетовые волны сильнее рассеиваются в стороны, а в прямом свете становится относительно больше жёлтых, оранжевых и красных оттенков.
На цвет неба также влияют плотность и состав атмосферы, пыль и другие аэрозоли. Поэтому на Марсе небо выглядит иначе, чем на Земле, а на Луне из-за отсутствия плотной атмосферы остаётся чёрным даже днём.
