Солнечный свет белый — в нём намешаны сразу все цвета. Молекулы воздуха разбрасывают этот свет в стороны, но делают это неравномерно: синие лучи они рассеивают почти в шесть раз сильнее красных. Поэтому синий размазан по всему небосводу и приходит к нам из любой его точки, а красный летит от Солнца почти по прямой.
Ниже разберу это по шагам и отвечу на неудобный вопрос «а почему тогда не фиолетовое» — на нём спотыкается большинство объяснений. Заодно про закат, облака, море и небо Марса, а в конце — опыт на пять минут.
Как это работает: три шага от белого света к голубому небу
Шаг первый. Солнечный свет белый только на первый взгляд. Призма или дождевая капля раскладывают его в радугу — значит, в белом луче уже сидели все цвета. Отличаются они длиной волны: у красного примерно 700 нанометров, у синего около 450, у фиолетового края спектра — около 400.
Шаг второй. Воздух не пустой. Молекулы азота и кислорода примерно в тысячу раз мельче длины волны видимого света. Такая крошка не отражает луч, как зеркало: свет раскачивает её электронную оболочку, и молекула переизлучает его сама — во все стороны сразу. Это и есть рассеяние.
Шаг третий, ради которого всё затевалось. Рассеивает молекула не все цвета одинаково: чем короче волна, тем сильнее её разбрасывает, и зависимость очень крутая — рассеяние обратно пропорционально четвёртой степени длины волны. Укоротили волну вдвое, рассеяние выросло в шестнадцать раз. Подставьте наши числа: (700/450) в четвёртой степени — примерно 5,9. Синий рассеивается почти в шесть раз охотнее красного.
Дальше всё складывается само. Красный проходит атмосферу почти насквозь и приходит прямо от солнечного диска. Синий сворачивает: отскакивает от одной молекулы, от другой, от третьей и заполняет собой всё небо. Глядя в сторону от Солнца, вы смотрите на свет, который туда свернул, — а сворачивает преимущественно синий.
Механизм называют рэлеевским рассеянием, по имени лорда Рэлея. У него есть красивое следствие: свет неба поляризован — покрутите поляризационные очки, и участок неба под прямым углом к Солнцу заметно потемнеет.
Почему небо не фиолетовое, если фиолетовый рассеивается ещё сильнее
Вот здесь и прячется самое интересное. По формуле фиолетовый (400 нм) рассеивается в 1,6 раза сильнее синего и в 9,4 раза сильнее красного. По логике «кто сильнее рассеялся, тот и красит небо» оно обязано быть фиолетовым. Оно не фиолетовое, и причин две.
Первая: Солнце светит неровно. У фиолетового края его спектра энергии меньше, чем в сине-зелёной середине, и часть коротковолнового вдобавок перехватывает озоновый слой.
Вторая, главная: дело в нас. Цвет мы видим тремя типами колбочек сетчатки — условно «синими», «зелёными» и «красными». Максимум чувствительности «синих» приходится на 420–440 нанометров, и к 400 нм отклик падает круто. Глубокий фиолетовый почти не задевает и два других типа, так что в мозг он приходит совсем тихим сигналом. Смесь «много синего плюс немного фиолетового» зрение читает как обычный голубой.
То есть небо синее отчасти потому, что мы так устроены: физика раскладывает свет одним способом, глаз читает результат другим. Существо с другим набором рецепторов увидело бы наше небо иначе — пчела, например, различает ультрафиолет, а его в небесном свете хватает.
Ещё синеву добавляет озон, поглощающий оранжево-зелёную часть спектра. Днём его вклад невелик, а в сумерках он главный: без озона закатное небо было бы желтовато-зеленоватым.
Почему небо голубое, а закат красный
Это то же явление, только смотрим мы с другой стороны. Днём мы разглядываем свет, который рассеялся и пришёл сбоку, — он синий. На закате мы смотрим прямо на Солнце и видим то, что сквозь атмосферу пробилось, — остаток после рассеяния.
Когда Солнце в зените, луч пересекает воздух кратчайшим путём. У горизонта он идёт почти по касательной, и толща воздуха на его пути становится примерно в 38 раз больше. На таком маршруте синий выбивается из прямого луча почти полностью: он рассеивается вбок и достаётся кому-то другому, кто смотрит вверх. До ваших глаз доходит остаток — оранжевый и красный.
Отсюда же ясно, почему самые чистые закаты бывают после дождя: ливень вымывает крупную пыль, которая «белит» цвет, и остаётся почти чистая работа молекул.
Почему облака белые, а тучи серые
Облако состоит из тех же прозрачных капель воды, но капля — не молекула. Её размер порядка 10–20 микрометров, в двадцать-пятьдесят раз больше длины волны. А правило «короткие волны рассеиваются сильнее» работает только для рассеивателей мельче волны.
Крупная капля разбрасывает все цвета примерно одинаково — этот режим называют рассеянием Ми. Перекоса в сторону синего нет, цвета возвращаются к нам вместе, а все цвета вместе — это белый. По той же причине белые снег и морская пена: прозрачное вещество, разбитое на множество мелких границ, рассеивает свет без разбора.
Серая туча — не другой цвет, а другое количество света. Чем толще облако, тем чаще луч в нём рассеивается и тем большая часть уходит обратно вверх. До нижней кромки доходят крохи, и она выглядит серой, а у грозовой тучи — почти чёрной. Сверху, из иллюминатора, та же туча ослепительно белая.
Какого цвета небо на других планетах
Марс переворачивает нашу картинку. Его атмосфера примерно в 150 раз разреженнее земной — молекул слишком мало для заметного синего свечения. Зато в воздухе всегда висит мелкая пыль с оксидами железа размером около полутора микрометров, крупнее длины волны. Она поглощает синее и рассеивает жёлто-рыжее, и небо днём выходит рыжевато-палевым.
А у самого Солнца на закате та же пыль работает иначе: частицы такого размера отбрасывают синий преимущественно вперёд, по ходу луча. Вокруг заходящего Солнца разливается голубоватый ореол, пока остальное небо остаётся охристым. Ровно наоборот, чем у нас — и именно так это снимали марсоходы Spirit, Curiosity и Perseverance.
На Луне неба нет вообще: рассеивать свет нечему, и над головой чернота даже в разгар лунного дня, когда под ногами слепящий грунт.
Почему море синее — и почему дело не в отражении неба
Самое популярное объяснение — «вода отражает небо» — верно лишь отчасти. Отражение есть, особенно под скользящим углом. Но главная причина другая: вода сама по себе голубая.
Молекула воды поглощает свет в красной части спектра — за счёт колебаний своих связей, у которых есть слабый отклик около 700 нанометров. В стакане этого не видно, но чем толще слой, тем больше красного вычитается: на глубине нескольких метров его почти не остаётся — потому подводные снимки без вспышки такие сине-зелёные.
Есть проверка, закрывающая спор об отражении. Тяжёлая вода — та же вода, но с дейтерием — бесцветна: её колебания съезжают в инфракрасное, поглощения в красном не остаётся, голубизна пропадает. Небо над ней ровно то же самое. Значит, цвет — в самой воде. А зелёными и мутными моря делает уже не физика воды, а планктон и взвесь.
Почему далёкие горы кажутся синеватыми
Это то же рассеяние, только столб воздуха лежит горизонтально. Между вами и дальним хребтом двадцать-сорок километров воздуха, и весь он светится собственным синим, ложась на горы полупрозрачной вуалью: контраст падает, зелень выцветает, склон уходит в синеву. Чем дальше гряда, тем она бледнее и синее.
Художники называют это воздушной перспективой и пишут дальний план светлее и холоднее переднего. В названиях гор эффект просто закреплён — Голубые горы в Австралии, Блю-Ридж в Аппалачах.
Явление и его цвет: короткая сводка
Голубое небо днём — молекулы воздуха рассеивают короткие волны в разы сильнее длинных.
Синее, а не фиолетовое — фиолетового в солнечном свете меньше, и глаз к нему почти не чувствителен.
Красный закат — путь луча вырос примерно в 38 раз, синий рассеялся по дороге, дошёл остаток.
Белые облака — капли крупнее длины волны и рассеивают все цвета поровну.
Серые тучи — цвет тот же, просто сквозь толстое облако вниз доходит мало света.
Рыжее небо Марса — вместо молекул работает пыль с оксидами железа.
Голубой закат Марса — та же пыль бросает синий свет вперёд, по ходу луча.
Чёрное небо Луны — атмосферы нет, рассеивать свет нечему.
Синее море — вода сама поглощает красную часть спектра, и чем толще слой, тем заметнее.
Синие дальние горы — между вами и ними светится голубым многокилометровый слой воздуха.
Зелёная трава — тут другой механизм: хлорофилл поглощает красное и синее, а зелёное отражает.
Как объяснить ребёнку: опыт со стаканом молока
Нужны прозрачный стакан или банка, вода, молоко, фонарик телефона и тёмная комната. Пять минут — и вы увидите голубое небо и красный закат в одной посудине.
1. Налейте полный стакан воды.
2. Добавьте одну-две капли молока и размешайте. Именно каплю: если вода побелела — перелили, разбавьте. Жидкость должна остаться почти прозрачной, с еле заметной дымкой.
3. Выключите свет и прижмите фонарик вплотную к стенке стакана, чтобы луч шёл сквозь воду.
4. Посмотрите на воду сбоку, поперёк луча: она светится голубоватым. Это ваше небо.
5. Загляните вдоль луча, с противоположной от фонарика стороны: свет стал тёплым, жёлто-оранжевым. Это ваш закат.
6. Добавьте ещё каплю молока — прямой луч покраснеет сильнее. Вы удлинили путь света ровно так же, как его удлиняет вечернее Солнце у горизонта.
Работает это потому, что жировые шарики и белок в молоке — крошечные рассеиватели и, как молекулы воздуха, отбрасывают синий охотнее красного. Точного совпадения с формулой Рэлея тут нет, но перекос тот же самый.
Ребёнку я объясняю так: свет от солнца белый, но внутри у него спрятаны все цвета. Синий самый прыгучий, он отскакивает от каждой пылинки воздуха и разлетается во все стороны — поэтому днём небо синее. А вечером свету надо пролезть через очень много воздуха, синий по дороге весь расскакался и потерялся.
Частые вопросы
Почему небо голубое, а космос чёрный?
Голубым небо делает воздух между вами и космосом. Выше атмосферы рассеивать свет нечему: луч летит мимо и в глаз не попадает. Поэтому космонавт видит над собой черноту, а под собой — голубую дымку на краю Земли.
Почему трава зелёная — это тоже рассеяние?
Нет, здесь другой механизм — пигмент. Хлорофилл поглощает красную и синюю части спектра, потому что именно они кормят фотосинтез, а зелёную отражает. Осенью хлорофилл разрушается первым, и наружу выходят жёлтые пигменты, всё лето незаметные.
Почему у горизонта днём небо бледнее, чем над головой?
До горизонта воздуха гораздо больше. Свет успевает рассеяться много раз, к нему добавляется рассеяние на пыли и влаге — синева разбавляется белым. В зените слой тоньше всего, там цвет самый глубокий. В горах небо синее ровно поэтому: часть атмосферы осталась под вами.
Почему небо бывает белёсым, хотя облаков нет?
Это дымка: пыль, влага, продукты сгорания. Такие частицы крупнее молекул и рассеивают все цвета почти одинаково, подмешивая в синеву белый. После жары или в смоге небо выцветает до молочного, а после сильного дождя синеет.
Правда ли, что небо на самом деле фиолетовое, а мы этого не видим?
Так говорить неточно. Фиолетового света с неба приходит действительно много — больше, чем красного. Но цвет не свойство луча, а результат работы зрения: небо шлёт смесь, и глаз читает её как голубой.
Почему на фотографиях небо другого цвета, чем я видел?
Камера настраивает баланс белого и вытягивает контраст, а глаз подстраивается под освещение сам и делает это иначе. Плюс матрица иначе отзывается на края спектра. Поэтому на снимке небо выходит либо бирюзовее, либо фиолетовее, чем вы помните.
Небо синее не потому, что синий цвет какой-то особенный, а потому что он короче остальных — и потому что мы устроены так, как устроены.
Пока нет комментариев