Якого кольору небо? Чому небо блакитне з точки зору фізики?

Ми всі звикли, що колір неба - характеристика непостійна. Туман, хмари, час доби - все впливає на забарвлення купола над головою. Щоденна її зміна не займає розуми більшості дорослих, чого не можна сказати про дітей. Вони постійно цікавляться тим, чому небо блакитне з точки зору фізики або що забарвлює захід в червоний. Спробуємо розібратися в цих не найпростіших питаннях.

Мінливий

Почати варто з відповіді на питання про те, що, власне, небо являє собою. У стародавньому світі воно бачилося дійсно як купол, що накриває Землю. Сьогодні, однак, навряд чи хтось не знає, що, на яку б висоту ні піднявся цікавий дослідник, досягти цього купола він не зможе. Небо - це не річ, а, швидше, панорама, яка відкривається при погляді з поверхні планети, якась видимість, зіткана зі світла. Причому якщо спостерігати з різних точок, воно може виглядати інакше. Так, з ілюмінатора літака, що піднявся над хмарами, відкривається зовсім інший вигляд, ніж з землі в цей час.

Ясне небо - блакитне, але варто набігти хмарам - і воно стає сірим, свинцевим або брудно-білим. Нічне небо - чорне, іноді на ньому можна помітити рудуваті ділянки. Це відсвіт штучного освітлення міста. Причина всіх подібних змін - світло і його взаємодію з повітрям і часточками різних речовин у ньому.

Природа кольору

Для того щоб відповісти на питання про те, чому небо блакитне з точки зору фізики, треба згадати про те, що являє собою колір. Це хвиля певної довжини. Світло, що йде від Сонця до Землі, бачиться як білий. Ще з експериментів Ньютона відомо, що білий світ являє собою пучок з семи променів: червоного, помаранчевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього і фіолетового. Кольори відрізняються довжиною хвилі. Червоно-оранжевий спектр включає хвилі, найбільш значні по цьому параметру. Кольори синьо-зеленої частини спектру характеризуються короткою довжиною хвилі. Розкладання світла на спектр відбувається при зіткненні його з молекулами різних речовин, при цьому частина хвиль може бути поглинена, а частина - розсіяна.

Дослідження причини

Багато вчених намагалися пояснити, чому небо блакитне, з точки зору фізики. Усі дослідники прагнули виявити явище чи процес, який в атмосфері планети розсіює світло таким чином, що в результаті до нас доходить тільки блакитний. Першими кандидатами на роль подібних частинок були молекули озону і води. Вважалося, що саме вони поглинають червоне світло і пропускають блакитний, а в результаті ми бачимо небо синього кольору. Послідували за цим підрахунки, проте, показали, що тієї кількості озону, кристалів льоду і молекул водяної пари, яке є в атмосфері, недостатньо для додання неба блакитного кольору.

Причина в забрудненні

На наступному етапі досліджень Джоном Тиндалл було висловлено припущення, що роль шуканих частинок грає пил. Синє світло володіє найбільшою стійкістю до розсіювання, а тому здатний пройти крізь всі шари пилу та інших зважених часток. Тиндалл провів експеримент, що підтвердив його припущення. Він створив в умовах лабораторії модель смогу і висвітлив її яскравим білим світлом. Смог придбав блакитний відтінок. Вчений зробив однозначний висновок зі свого дослідження: колір неба визначається частинками пилу, тобто якщо б повітря Землі був чистим, то над головами людей світло не блакитні, а білі небеса.

Дослідження лорда

Остаточну крапку в питанні про те, чому небо блакитне (з точки зору фізики), поставив англійський учений, лорд Д. Релей. Він довів, що не пил або зміг забарвлює простір над головою в звичний для нас відтінок. Справа в самому повітрі. Молекули газу поглинають більшу частину світла і в першу чергу самі довгі хвилі, еквівалентні червоному. Синій при цьому розсіюється. Саме так і сьогодні пояснюється те, якого кольору небо ми бачимо в ясну погоду.

Уважні помітять, що, слідуючи логіці вчених, купол над головою повинен бути фіолетовим, оскільки саме у цього кольору найкоротша довжина хвилі у видимому діапазоні. Однак це не помилка: частка фіолетового в спектрі значно менше, ніж синього, та й очі людини більш чутливі саме до останнього. По суті, видимий нами блакитний - результат змішання синього з фіолетовим і деякими іншими квітами.

Заходи і хмари

Всі знають, що в різний час доби можна побачити різний колір неба. Фото найкрасивіших закатов над морем або озером - чудова ілюстрація цього. Всілякі відтінки червоного і жовтого в поєднанні з блакитним і темно-синім роблять подібне видовище незабутнім. А пояснюється воно все тим же розсіюванням світла. Справа в тому, що під час заходу і світанку сонячним променям доводиться долати набагато більший шлях крізь атмосферу, ніж у розпал дня. При цьому світло синьо-зеленої частини спектру розсіюється в різні боки і хмари, розташовані біля лінії горизонту, стають пофарбованими у відтінки червоного.

Коли небо заволікають хмари, картина повністю змінюється. Сонячні промені не в силах подолати щільний шар, і велика частина їх просто не досягає землі. Промені, які зуміли пройти крізь хмари, зустрічаються з водними краплями дощу і хмар, які знову спотворюють світло. У результаті всіх цих перетворень до землі доходить білий світ, якщо хмари невеликі за розміром, і сірий, коли небо закривають значні хмари, вдруге поглинають частина променів.

Інші небеса

Цікаво, що на інших планетах Сонячної системи при погляді з поверхні можна побачити небо, сильно відмінне від земного. На космічних об`єктах, обділених атмосферою, сонячні промені вільно досягають поверхні. У результаті небо тут чорне, без якого б то не було відтінку. Таку картину можна побачити на Місяці, Меркурії і Плутоні.

Марсіанське небо має червоно-помаранчевий відтінок. Причина цього криється в пилу, якою переповнена атмосфера планети. Вона пофарбована в різні відтінки червоного і помаранчевого. Коли Сонце піднімається над горизонтом, марсіанське небо стає рожево-червоним, при цьому ділянка його, безпосередньо навколишній диск світила, бачиться блакитним або навіть фіолетовим.

Небо над Сатурном того ж кольору, як на Землі. Над Ураном простягаються аквамаринові небеса. Причина криється в метанової серпанку, розташованої у верхніх шарах атмосфери планети.

Венеру від очей дослідників приховує щільний шар хмар. Він же не дозволяє дійти до поверхні планети променям синьо-зеленого спектру, тому небо тут жовто-помаранчеве з сіркою смужкою уздовж горизонту.

Дослідження денного простору над головою розкриває не менше чудес, ніж вивчення зоряного неба. Розуміння процесів, що протікають в хмарах і за ними, допомагає осягнути причину досить звичних для обивателя речей, які, тим не менш, пояснити з ходу може далеко не кожен.