Чому небо блакитне, а захід сонця червоний: розсіювання світла простими словами
Сонячне світло біле, повітря прозоре, космос чорний — а небо над головою чомусь блакитне. Чому небо блакитне: молекули повітря розсіюють сонячне світло на всі боки, причому короткі сині хвилі — набагато сильніше, ніж довгі червоні. Розсіяна синява приходить до очей звідусіль, тому ми бачимо її всюди, де немає самого Сонця. Увечері те саме правило працює навпаки: промінь іде крізь повітря значно довше, синє з нього дорогою вибуває, і до нас доходять жовті, помаранчеві й червоні хвилі. Нижче — як це влаштовано, чому небо не фіолетове і якого кольору захід сонця на Марсі.

Біле світло — це всі кольори разом
Почати треба із Сонця. Його світло здається білим, але це суміш усіх кольорів веселки — це показав ще Ісаак Ньютон, коли розклав сонячний промінь скляною призмою. Кольори відрізняються довжиною хвилі: у червоного вона найбільша, близько 720 нанометрів, у фіолетового найменша, близько 380. Синій і блакитний — ближче до короткого краю.
Світло летить по прямій, доки йому щось не завадить. Перешкода може зробити з ним одну з трьох речей: відбити, як дзеркало, заломити, як призма, або розсіяти — розкидати на всі боки. Саме третє відбувається в атмосфері, і саме від нього залежить колір неба.
Чому небо блакитне: розсіювання Релея
Повітря — це переважно молекули азоту й кисню. Вони набагато менші за довжину хвилі видимого світла, і для таких дрібних перешкод діє суворе правило: що коротша хвиля, то сильніше вона розсіюється. Залежність дуже крута — сила розсіювання обернено пропорційна четвертому степеню довжини хвилі. На практиці це означає, що синє світло з довжиною хвилі 400 нанометрів розсіюється приблизно вдесятеро сильніше, ніж червоне з довжиною 700.
Механізм такий: електричне поле світлової хвилі розгойдує заряди всередині молекули, і вона сама стає крихітною антеною, що перевипромінює світло на всі боки. Червоні хвилі здебільшого пролітають повз, сині — постійно відхиляються й розлітаються небом.
Тож коли ви дивитеся не на Сонце, а вбік, до ока потрапляє не пряме світло, а розсіяне — те, що вже відбилося від молекул десь у височині. А в ньому переважає синє. Небо світиться блакитним з усіх напрямків одразу.
Розсіюється чимала частка світла: атмосфера забирає з прямого сонячного променя приблизно 23%, і близько двох третин цього розсіяного світла зрештою доходить до поверхні — уже як сяйво неба. До того ж розсіяне світло поляризоване. Саме тому крізь поляризаційні окуляри небо здається темнішим і глибшим.
Це явище називають розсіюванням Релея — на честь британського фізика лорда Релея, який 1871 року описав його математично. Цікаво, що спершу і він, і його попередник Джон Тіндаль думали, що світло розсіюють пилинки й крапельки води. Лише 1899 року Релей показав, що досить самих молекул повітря.
Чому небо не фіолетове
Уважний читач уже помітив підступ: фіолетова хвиля ще коротша за синю, отже, розсіюється ще сильніше. Чому ж небо не фіолетове? Причин три, і всі вони діють разом.
- Фіолетового менше від початку. Сонце випромінює в цій частині спектра менше світла, ніж у синій.
- Частину забирає атмосфера. Короткохвильове світло поглинається у верхніх шарах повітря ще до того, як дістанеться поверхні.
- Так влаштоване око. У сітківці є три типи колбочок, і до фіолетового вони чутливі слабше, ніж до синього. Мозок складає сигнали всіх трьох типів — і результат сприймає як блакитний.
У підсумку колір неба відповідає синьому світлу з довжиною хвилі приблизно 474–476 нанометрів, змішаному з білим. Тобто небо — не чисто синє, а саме блакитне: розбавлене.
Ще одна поширена помилка — що небо блакитне, бо в ньому відбивається океан. Насправді все навпаки: атмосфера забарвлює небо сама, а море синє з власної причини. Вода добре поглинає червоні й помаранчеві хвилі, а сині повертає назад.
Чому захід сонця червоний
Опівдні Сонце високо, і його промінь проходить атмосферу найкоротшим шляхом. Увечері Сонце стоїть над самим горизонтом, і світлу доводиться пробиватися крізь значно товщий шар повітря. На цьому довгому шляху синє й фіолетове розсіюються вбік і до спостерігача просто не доходять. У промені лишаються довгі хвилі — жовті, помаранчеві, червоні.
Правило те саме, що й удень. Просто вдень ми дивимося на розсіяне світло, а на заході — на те, що лишилося від прямого променя після розсіювання.
Наскільки червоним буде вечір, залежить від того, що висить у повітрі:
- у чистому повітрі захід радше жовтий;
- дрібний пил, дим та інші аерозолі теж розсіюють синє, тож захід стає червонішим;
- після великих вивержень вулканів, коли в атмосфері особливо багато частинок, світанки й заходи бувають найвидовищнішими;
- над морем захід часто помаранчевий — через частинки солі в повітрі.
Є й пояснення, чому заходи зазвичай яскравіші за світанки: увечері в повітрі більше частинок, ніж уранці.
Одне правило — п’ять різних небес
Усе різноманіття кольорів над головою — це одна й та сама фізика за різних умов.
| Де і коли | Що ми бачимо | Чому |
|---|---|---|
| Ясний день, над головою | Насичений блакитний | Молекули повітря розсіюють переважно синє світло, і воно приходить з усіх боків |
| Біля горизонту | Блідо-блакитний, майже білий | Світло пройшло більше повітря й розсіялося багато разів — кольори знову змішалися |
| Схід і захід сонця | Жовтий, помаранчевий, червоний | На довгому шляху синє вибуло з променя, лишилися довгі хвилі |
| Хмари й туман | Білий або сірий | Краплі більші за довжину хвилі й розсіюють усі кольори майже однаково |
| Високо в горах і вище | Темно-синій, у космосі — чорний | Що менше молекул, то менше розсіювання |
Четвертий рядок пояснює, чому хмара біла, хоча складається з тієї самої прозорої води. Краплі в хмарі набагато більші за молекули, і правило «синє розсіюється сильніше» для них уже не діє: вони розкидають усі кольори порівну, а порівну змішані кольори — це білий.
У похмурий день прямого сонячного світла немає зовсім: усе, що доходить до землі, розсіяли хмари. Тонкі хмари пропускають приблизно шосту частину сонячного світла, найщільніші грозові — близько тисячної.
Місяць і Марс: перевірка теорії
Якщо колір неба створює атмосфера, то на інших небесних тілах небо має бути іншим. Так і є.
На Місяці атмосфери практично немає, розсіювати світло нічим — і небо там чорне навіть удень, коли Сонце стоїть високо. Саме тому на знімках астронавтів над освітленою поверхнею — чорнота.
На Марсі все навпаки, ніж у нас. Атмосфера там дуже розріджена — менш як один відсоток від земної, — і складається переважно з вуглекислого газу, зате в ній постійно висить дрібний пил. Удень марсіанське небо жовтувато-руде. А на заході навколо Сонця з’являється блакитне сяйво: пилинки такого розміру краще пропускають синє світло вперед, тож воно тримається ближче до сонячного диска. Свій перший кольоровий знімок заходу марсохід Curiosity зробив 15 квітня 2015 року — знімок і пояснення є на сайті Лабораторії реактивного руху NASA.
Часті питання
Бо молекули повітря розсіюють синє світло Сонця набагато сильніше, ніж червоне. Розсіяне синє світло приходить до очей з усіх напрямків, тому все небо здається блакитним.
У сонячному світлі фіолетового менше, ніж синього, частину його поглинають верхні шари атмосфери, а людське око до фіолетового менш чутливе. Тому в сумі ми бачимо блакитний.
Коли Сонце низько, його світло проходить крізь значно товщий шар повітря. Синє дорогою розсіюється вбік, і до спостерігача доходять переважно жовті, помаранчеві й червоні хвилі.
Ні, це поширена помилка. Колір неба створює розсіювання світла в атмосфері, а море синє з іншої причини: вода поглинає червоні хвилі й повертає сині.
Удень марсіанське небо жовтувато-руде через пил в атмосфері. А під час заходу навколо Сонця з’являється блакитне сяйво — навпаки, ніж на Землі.
Блакить удень і багрянець увечері — одне правило, побачене з двох боків.
Удень ми бачимо світло, яке розсіялося, на заході — те, що лишилося. Більше пояснень «чому» — у рубриці «Наука».

