Чому небо блакитне, а захід сонця червоний: розсіювання світла простими словами

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.

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