Почему небо голубое?

nuvens“Почему небо голубое?” или “Почему небо синее” – довольно распространенный вопрос, но многие затруднятся на него ответить.

Попытаюсь раскрыть тему и полностью ответить вопрос. Ответить с минимальным (ноль!) использованием формул, а то говорят каждая формула в тексте уменьшает его аудиторию на 50%, чего мне не хотелось бы.

Совсем избежать физики не получится, но сделаю ставку на то, что школьный курс вы хоть отдаленно, но помните или же вам просто интересно.

Так вот, на самом деле, ответ на этот вопрос звучит очень кратко – Рэлеевское рассеяние.

Те кто знает, что такое рэлеевское рассеивание, в принципе, дальше могут и не читать, для них объяснения будут тривиальными. Тем же кто не помнит или никогда и не знал о нем – милости просим.

В данном вопросе у нас есть три опорные точки, три фактора которые могут повлиять (и влияют) на то каким мы видим небо.

Первое – Солнце. 99% света окружающего нас и днем и ночью излучает именно оно. Днем светит само, ночью его свет отражает Луна. В городах, по вечерам, конечно тоже светло, но это капля в море по сравнению с тем, что “выдает” нам наша звезда. Про свет других звезд я вообще молчу, их затмевает даже обычный ручной фонарик. Почти все что мы видим, мы видим благодаря ему – глупо отрицать его причастность к нашему вопросу.

NASA-announces-Venus-Transit-of-the-Sun-to-take-place-June-5th[1]
Обычное изображение Солнца. Темное пятнышко – Венера проходящая через солнечный диск, 2012 год.

Кстати, а какого цвета Солнце? Спросите кого угодно, ребенка, взрослого и вам сразу ответят Солнце – желтое, ну разве что астроном ответит правильно, да и то может ошибиться. Ведь Солнце,  звезда класса “желтый карлик”.

Так вот Солнце не желтое, а белое! Да, да именно белое. Несмотря на то что кажется желтым, несмотря на то, что его везде рисуют желтым и даже на астрономических снимках оно почти всегда желтое, Техники НАСА часто “окрашивают” Солнце в привычный нам желтый или оранжевый цвет – но Солнце белое.

mdi_sunspots_10241[1]
А так на самом деле выглядит Солнце, если понизить интенсивность света “убрать яркость “

Факт что Солнце белое очень важен, именно по этой причине мы с вами видим цвета, а не монохромное изображение. Физическое определение белого света несколько отличается от биологического понятия, но в нашем случае достаточно понять, что Солнце светит всеми цветами радуги “одинаково” (ну или почти одинаково), а смесь всех цветов и дает нам белый. (для желающих более глубоко вникнуть – читать тут)

emission_spectrum[1]
Схематическое распределение испускаемых Солнцем “цветов”, присутствуют все видимые в радуге цвета, и кстати желтого очень не много. Пик интенсивности приходится на фиолетовый, голубой и зеленый. “Волна” распределения сдвинута к фиолетовому концу.

Излучаемый Солнцем свет, летит к нам на Землю примерно 8 минут (8,29 минуты). Проходит через земную атмосферу, а это как раз то что мы называем небом и это второй пункт – земная атмосфера.

Именно в атмосфере Земли и происходит вся магия.

Солнечный свет проходят через атмосферу преломляется, рассеивается, поглощается и отражается – т.е. ведет себя как и положено.

Нас интересует рассеивание так как именно оно красит небо в голубой.

527px-Refraction-with-soda-straw[1] Для примера возьмем поверхность воды. Все знают, что если мы посмотрим на монетку на дне фонтана и попытаемся ее достать – нас ждет “сюрприз”. Мы промахнемся, а рука погруженная в воду, как будто сломается. Это называется преломление. Преломление света на границе разных сред – воды и воздуха.

Кроме того, что это разные вещества (воздух и вода) они еще отличаются и плотностью. Именно этот факт нас и интересует.

В атмосфере Земли присутствуют так называемые плотностные флуктуации – неоднородности в плотности. Причем очень маленькие, на молекулярном уровне. Я имею ввиду неравномерное распределение (плотность) молекул газов составляющих атмосферу. На “границе” этих флуктуаций свет “преломляется”.

Атмосфера большая, по сравнению с молекулами – она потрясающе огромна. Так что несложно понять – подобных неоднородностей в ней колоссальное количество. Луч свет преломляется на каждой флуктуации и немножко меняет свое направление. На каждой неоднородности в случайную сторону. (для сравнения представьте себе забитый душ из которого хлещет во все стороны) Совокупность разнонаправленных преломлений и дает нам рассеяние.

Нужный нам для объяснений эффект рассеяния называется Рэлеевским рассеянием. Честно говоря, название и чем оно отличается от других не суть важна, стоит лишь обозначить общий принцип.

Принцип рэлеевского рассеяния говорит следующее: чем короче волна света, т.е. чем цвет света ближе к синему и фиолетовому, тем больше интенсивность рассеяния, соответственно чем длиннее волна, ближе к красному, тем интенсивность рассеяния меньше.

Для синего и красного света соотношение интенсивность рассеяния, исходя из формул которые я обещал не приводить, порядка 4.5 раза. Синий рассеивается “лучше и больше” чем красный в 4.5 раза.

Кстати, хотя перед синим цветом в радуге есть еще и фиолетовый и он на самом деле рассеивается даже лучше синего небо все равно синее, а не фиолетовое. Почему небо не фиолетовое я расскажу немного ниже.

sun_relleiiАтмосфера играет роль своеобразного синего абажура, а Солнце в нем лампочка. Если вы посмотрите на лампу с синим абажуром так, что бы лампочка не светила вам прямо в глаза, вы увидите ровный синий свет исходящий от всего абажура, но если вы взгляните прямо на лампочку – искажения абажура практически исчезнут и вы увидите свет (цвет) лампочки практически без изменений. Так же и наше небо. Мы видим многократно рассеянный синий свет. Остальные цвета рассеиваются меньше. Небо ими не светится, и они напрямую попадают в глаз наблюдателя.

Большую часть дня Солнце не находится в зените (на самом деле оно там вообще находится раз в день, и то на экваторе), и уж понятное дело не стоит смотреть прямо на Солнце, так что целый день мы ходим под ровным голубым света нашего небесного абажура.

Так же это объясняет почему небо “более синие” по краям, поближе к горизонтам, а чем ближе к Солнцу тем оно белее. По краям больше воздуха и количество рассеянного света там выше.

1111
Черной пунктирной стрелкой показано как меняется цвет неба (близ горизонта) с течением дня к закату.

Более синее, менее синее, это конечно хорошо, но в заголовке написано, да мы и сами каждый день видим скорее голубое, а не синее небо. Вот тут мы подходим к третьему фактору – нашим глазам и к такому понятию как восприятия интегральной, суммарной, картинки.

Как и почему именно так устроены наши глаза это отдельная тема, очень обширная и интересная. Сейчас же достаточно привести всего несколько фактов. Наши глаза воспринимают лучше всего три цвета: красный, зеленый и синий. Эту цветовую модель называют RGB – аббревиатура английских слов Red, Green, Blue, т.е. красный, зелёный, синий.

Причем красный воспринимается намного лучше чем зеленый, а зеленый намного лучше чем синий.

Например к фиолетовому наши глаза вообще малочувствительны. Нас окружают не так много вещей фиолетового цвета. Единственное что сразу приходит на ум – баклажан. Да и то баклажан легче назвать серо-зелёным или даже буровато-жёлтым, а некоторые их вообще “синенькие” называют, а не фиолетовыми.

Вот и получается, что общая картинка воспринимается нашими глазами скорее как синяя, а не фиолетовая. И как я сказал выше, фиолетовый рассеивается даже лучше чем синий, и большая его часть просто не попадает на глаз наблюдателя.

Обратите внимание на иллюстрацию смешения цветов. Пунктирной стрелкой отмечена примерная смена цвета неба.

Скажем в полдень оно синеватое, к вечеру (или ближе к Солнцу) начинает голубеть. За 2-3 часа до сумерек становится светлым, почти белым.

Солнце катится к закату и небо окрашивается в желтый, краснеет и плавно уходит в красный. Чем ближе к закату, тем больше воздуха между наблюдателем и Солнцем. Синий свет почти весь рассеялся и не доходит до наблюдателя.

Красный преобладает, его рассеивание ниже и как следствие проникающая способность выше, он легче преодолевает атмосферу.

Вот в принципе и весь сказ о “Голубом небе”.

Осталось, разве что, немного реабилитировать зеленый. Да, зеленым небо не бывает, ну по крайней мере ярко выраженным зеленым. В любой момент времени, пока не стемнеет, мы все равно видим 3 цвета, они всегда смешиваются в наших глазах. Вот и получается, что  в тот момент когда зеленый доминирует, синий и красный тоже достаточно сильны – получаем середину пунктирной линии – небо белесое, с оттенками желтого или голубого. А в остальное время над ним преобладают синий или красный.

Но зеленый цвет можно увидеть. Это очень редкое явление доступное далеко не везде называется – “Зеленый луч”.

Хоть Зеленый Луч – явление крайне редкое, объяснить его гораздо проще.

Untitled

При определенных условиях,  атмосфера представляет из себя колоссальных размеров призму в которой белый солнечный свет расщепляется на составляющие.

Синий не доходит до наблюдателя, рассеивается и поглощается, красный – мы его видим на каждом закате.

И если условия подходят, к нам пробивается зеленый, буквально на пару секунд, но можно увидеть зеленый всполох от уходящего за горизонт Солнца.800px-Rayon_vert_observatoire_de_La_Silla[1]

Для наблюдения этого явления нужен чистый воздух, далекий горизонт и чистое небо – идеальный вариант закат на берегу моря.

Для любителей уточнять детали:

Википедия – Диффу́зное излуче́ние не́ба
Википедия – Рэлеевское рассеяние
Википедия – Дисперсия света
Википедия – Зеленый Луч
Википедия – Волновая оптика в природе
НАСА – Солнечный спектр
Университет Джорджии – факультет физики

Share

2 Comments on “Почему небо голубое?”

  1. Не знаете вы правильный ответа ни на этот, ни на какой-нибудь другой физический вопрос. Для того, чтобы уметь физически объяснять явления природы, нужно знать ФИЗИКУ ВЕЩЕЙ В ПРИРОДЕ – что, как и почему именно так. А вы не только не знаете, что такое ФИЗИКА, вы даже не знаете, что такое «СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ» НА САМОМ ДЕЛЕ! Вы в престижном университете «проходили» только «релеевскую» дуриловку (иллюзион из трёх пальцев), а теперь строите «научные» позы.

    1. а поподробней? или у вас только фонтан мысли в слова, а смысл остался внутри:)

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *