Почему небо голубое

Швейцарско-российский математик и механик Леонард Эйлер в своей знаменитой научно-популярной энциклопедии «Письма к немецкой принцессе о разных физических и философских материях» (1768 г) одно письмо посвятил вопросу «О синеве неба».

«Воздух состоит из множества малых частичек, которые не вполне прозрачны, — писал Эйлер. — Но, будучи освещены световыми лучами, они получают колебательное движение, создающее новые лучи, свойственные этим частичкам… цвет этих частичек голубоватый», — написал Эйлер.

Фактически ученый в 18 веке дал исчерпывающее объяснение. Все, что написано ниже – уже детали.

Что происходит со светом по пути от Солнца к Земле

Через космическое пространство свет распространяется по прямой, не меняя свой спектральный состав. Достигнув земной атмосферы, свет частично отражается, а частично проходит в нее, преломляясь на границе сред, а в самой атмосфере – рассеиваясь и поглощаясь (поглощение вызывает нагрев атмосферы).

Преломленный свет попадает на поверхность Земли в виде солнечных лучей, а рассеянный — создает фоновое освещение. Доля рассеянного света составляет 20-80% всей световой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли, в зависимости от места, времени года и погодных условий.

Рассеянное излучение имеет другой спектральный состав, чем солнечные лучи. Точнее, сам спектр остается прежним (красный, оранжевый, желтый, зеленый и так далее, как в детском мнемоническом правиле). Но мощность излучения отдельных участков рассеянного спектра по сравнению с солнечным меняется. Причина в том, что чем короче волна светового излучения, тем большая часть его рассеивается, становясь частью фона. Длинноволновой красный свет рассеивается меньше всего, оранжевый — чуть больше, а синий и фиолетовый рассеиваются сильнее остальных. Это явление называется рэлеевским, или упругим рассеянием света, — в честь британского физика лорда Рэлея, который установил зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны.

Таким образом, фоновое излучение содержит все оттенки радуги, но преобладают синие и фиолетовые, и наш глаз «суммирует» все цвета как сине-голубую гамму. Оттенки небесной синевы, от глубокого синего до белесого, могут варьировать в зависимости от времени суток, сезона, погоды.

На закате, когда Солнце низко стоит над горизонтом, мы видим его красным, а небо вокруг закатного солнца окрашено в розовые и оранжевые оттенки. Однако небо в другой части небосклона будет по-прежнему голубым или синим. Причина в том, что свет, идущий по прямой от Солнца к наблюдателю при малом угле над горизонтом, проходит долгий путь в атмосфере, и фиолетово-голубая часть спектра из него попросту «вымывается», рассеивается, а красная достигает сетчатки глаза.

Когда солнце стоит высоко над горизонтом, толщина атмосферы между светилом и наблюдателем на Земле — минимальная. Соответственно, свет рассеивается меньше, и солнце выглядит почти белым, поскольку солнечные лучи содержат почти равномерно все спектральные цвета.

Какого цвета небо на других планетах

Описанные эффекты универсальны для любой планеты, имеющей атмосферу. Но цвет неба может быть разным. Он зависит от состава излучения звезды, вокруг которой вращается планета, и от свойств атмосферы: ее толщины, химического состава и размеров взвешенных в ней твердых частиц.

Так, на Марсе плотность атмосферы меньше, чем на Земле, но она сильно запылена частичками окиси железа. На них красный свет рассеивается лучше синего, поэтому небо Марса для наблюдателя с марсианской поверхности имеет жёлто-коричневый или розоватый цвет, а Солнце и область неба вокруг него ― голубоватый.

Читайте также:

Аппарат InSight прислал первое фото с Марса

Индонезийские пожары окрасили небо в кроваво-красный