Почему небо имеет голубой цвет?

Теории ранних веков

Вопрос о том, почему небо голубое, волновал людские умы ещё с незапамятных времён. Греческие легенды нашли свой ответ. Они утверждали, что этот оттенок ему придаёт чистейший горный хрусталь.

Во времена Леонардо да Винчи и Гете также искали ответ на вопрос, почему небо голубое. Они считали, что голубой цвет неба получается при смешивании света с темнотой. Но позже эта теория была опровергнута как несостоятельная, поскольку оказалось, что комбинируя эти цвета, можно получить лишь тона серого спектра, но никак не цветного.

Через некоторое время ответ на вопрос, почему небо голубое, попытались объяснить в 18 веке Мариотт, Бугер и Эйлер. Они считали, что это естественный цвет частиц, из которых состоит воздух. Теория эта была популярна даже в начале следующего века, особенно когда было установлено, что жидкий кислород – голубого, а жидкий озон – синего тонов.

Первым более-менее толковую идею подал Соссюр, кот

Первым более-менее толковую идею подал Соссюр, который предположил, чтобы если бы воздух был полностью чистым, без примесей, небо оказалось бы чёрным. Но поскольку атмосфера содержит в себе различные элементы (например, пар или водяные капли), то они, отражая цвет, придают небу нужный оттенок.

После этого учёные начали всё ближе и ближе подбираться к истине. Араго открыл поляризацию, одну из характеристик рассеянного света, который отбивается от небосвода. В этом открытии ученому однозначно помогла физика.  Позже искать ответ принялись и другие исследователи. При этом вопрос, почему небо голубое настолько интересовал ученых, что для его выяснения было проведено огромное количество различных экспериментов, которые привели к мысли, что главная причина появления голубого цвета в том, что лучи нашего Солнца попросту рассеиваются в атмосфере.

Облака, голубая Луна и голубая дымка

Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длин волн света. Такие частицы будут одинаково рассеивать все длины волн (рассеяния Ми).

Но иногда в воздухе могут быть частицы гораздо меньших размеров. Некоторые горные районы славятся своей голубой дымкой. Аэрозоли терпенов из растительности вступают в реакцию с озоном в атмосфере, образуя мелкие частицы диаметром около 200 нм, которые отлично рассеивают синий свет.

Голубая дымка над заливом Котор в Черногории. Фото

Голубая дымка над заливом Котор в Черногории. Фото: Rocher/Flickr.com

Лесной пожар или извержение вулкана могут иногда заполнять атмосферу мелкими частицами диаметром 500–800 нм, что является подходящим размером для рассеивания красного света. Это дает противоположность обычному эффекту Тиндаля и может привести к тому, что Луна приобретет синий оттенок, так как красный свет от Луны рассеян этими частицами. Настоящая голубая Луна — очень редкое явление!

Пыль или молекулы?

Все это прекрасно, но наше небо заполнено воздухом, а не жидкостью, и в небе не плавают кусочки мыла или молока… Что за частицы рассеивают свет в воздухе? Тиндаль и Рэлей полагали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара, которые взвешены в атмосфере в точности как частички молока взвешены в воде.

Это ошибочное мнение, хотя и сегодня некоторые люди говорят, что цвет неба определяется паром и пылью. Если бы это было так, то цвет неба менялся бы гораздо сильнее в зависимости от влажности или тумана, чем он меняется на самом деле. Поэтому ученые предположили (правильно!), что для объяснения рассеяния достаточно молекул кислорода и азота. Это сам воздух, вернее, его молекулы рассеивают свет!

Голубое небо и облака на нем. Воздух рассеивает св

Голубое небо и облака на нем. Воздух рассеивает свет в соответствии с рэлеевским рассеянием, а более крупные частички облаков в соответствии с рассеянием Ми. Фото: Andrei Azanfirei/Flickr.com

Вопрос окончательно решил Альберт Эйнштейн в 1911 году, который рассчитал детальную формулу для рассеяния света в зависимости от молекул и дальнейшие эксперименты блестяще подтвердили его вычисления. Говорят, Эйнштейн даже смог использовать свои расчеты в качестве дополнительной проверки числа Авогадро!

Прекрасные закаты

Что может быть красивее тихих закатов на берегу моря или в степи? Когда воздух чистый и прозрачный, закат будет желтого цвета, точно как луч фонарика, пересекший стакан с раствором мыла: часть синего света рассеется и общий цвет Солнца сместится к красному концу спектра.

Закаты Солнца могут быть чрезвычайно разнообразным

Закаты Солнца могут быть чрезвычайно разнообразными по цветовой гамме в зависимости от состояния атмосферы. Фото: Alex Derr

Другое дело, если воздух загрязнен мелкими частицами — гарью, пылью, смогом. В этом случае закат будет оранжевым и даже красным. Закаты над морем также могут быть оранжевыми из-за частиц соли, взвешенных в воздухе, которые могут создавать эффект Тиндаля. Небо вокруг солнца видно покрасневшим, а также свет, идущий прямо от солнца. Это связано с тем, что весь свет рассеивается относительно хорошо под небольшими углами, но тогда синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды и более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.

Небесноголубой в сложном сочетании

Композиционное сочетание с небесно-голубым может быть представлено в следующем варианте.

— с малиновым —  это яркий контра

— с малиновым — это яркий контраст теплого и холодного, темного и светлого. Сочная пара отталкивается от нежной линии и стремится к броскому, доминантному влиянию. Такая пара оживит любой объект. — с песочно-бежевым – мягкая композиция с нейтральным оттенком, однако, в нем все-таки участвует легкий тепловой контраст, что придает палитре более оживленный вид. Наличие бежевого всегда сглаживает композицию, в данном случае еще придает более благородный вид и малиновому. Дополнить композицию можно белым, изумрудно-зеленым и средним синим.

Рассеивание света

Итак, Солнце излучает лучи, которые имеют белый цвет. Белый, как известно, включает в себя все цвета видимого нам спектра. Свидетельство тому – радуга. Она возникает по той причине, что солнечный свет, попадая в капельки воды, преломляется и распадается на разные цвета. Голубое небо мы тоже наблюдаем по чем-то похожей причине.

Так образуется радуга
Так образуется радуга

Возможно вас заинтересует:

Дело в том, что в воздухе множество молекул газа, которые и рассеивают солнечный свет. Частицы света разлетаются в разные стороны, поэтому голубой цвет неба виден и землянам, и космонавтам с МКС в виде голубого ореола. Но почему же именно голубой, ведь в спектре как минимум семь цветов, как говорится: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан!».

Интересный факт! В день человек вдыхает около 20 кг воздуха. Этот объём мы получаем, делая 22 000 вдохов день.

Цвет неба в хорошую погоду

В то время как предсказать цвет моря непросто, цвет неба в хорошую погоду легко объясняется физическими принципами, выявленными английским физиком лордом Рэйли (Рэлеем) (1842–1919). В отсутствие облаков цвет неба определяется результатом взаимодействия солнечного излучения с компонентами атмосферы Земли, а именно с неоднородностями (флуктуациями) плотности молекул азота и кислорода.

Как эти молекулы ведут себя, попав в поле солнечного излучения? Рассмотрим монохроматический свет, обладающий заданной длиной волны λ. Он представляет собой колеблющиеся в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения света, с частотой υ магнитное и электрическое поля. Под действием колеблющегося электрического поля электроны в молекулах также колеблются с частотой υ. В результате и сама молекула становится маленьким излучателем, испуская свет той же частоты, что и падающая волна. Это похоже на то, как излучает электромагнитные радиоволны теле- или радиоантенна. В случае молекул и солнечного света длина его волны оказывается много большей размера молекул, и такое рассеяние называется «рассеянием Рэлея». Расчеты показывают, что интенсивность рассеянного света оказывается пропорциональной четвертой степени частоты υ4 (или 1 / λ4). Это утверждение называется законом Рэлея — Джинса.

Как все это связано с цветом неба? Согласно закону Рэлея, рассеяние электромагнитных волн оказывается значительно интенсивнее для высоких частот по сравнению с низкими. Это означает, что молекулы атмосферы сильнее рассеивают синий цвет, чем красный, зеленый или желтый.

Наших глаз преимущественно достигают именно световые лучи синего цвета.

Вот почему небо синее! Следуя этому рассуждению, можно было бы предположить, что небо должно быть фиолетовым, так как фиолетовое излучение обладает более высокой частотой, чем синее. В действительности в спектре солнечного излучения доля фиолетового меньше, чем синего. Кроме того, и максимальная чувствительность человеческого глаза находится в области зеленого (555 нм). В результате фиолетовая часть спектра солнечного излучения оказывается подавленной в восприятии человеческого глаза, и небо видится синим.

Небесноголубой цвет в одежде

Небесно-голубей – необыкновенный цвет. Он привлека

Небесно-голубей – необыкновенный цвет. Он привлекает к себе внимание на фоне всех остальных оттенков своей нежностью, хрупкостью, возвышенностью, недоступностью. Оттенок освежает тон лица и особо хорошо подчеркивает теплый колорит внешности. В моде такой оттенок часто присутствует в весенне-летних коллекциях. Струящаяся ткань подчеркивает этот оттенок бесконечности. Чтобы выделить его легкость, его комбинируют с белыми оттенками. Романтичный, сложный голубой часто становится атрибутом одежды для отдыха, но его не броскость расширяет возможности применения, как в офисе, так и деловых встречах.

Почему небо Марса красное?

Вот мы добрались и до Марса, небо на котором, судя по снимкам марсоходов и автоматических спускаемых аппаратов, то рыжее, то песочно-желтое, то серовато-голубое… Какое оно на самом деле?

Согласно физике, марсианское небо должно быть голубым. Оно и есть голубое, но только когда атмосфера на Красной планете спокойна. Однако на Марсе, как известно, часто дуют ветра. Несмотря на то что атмосфера планеты крайне разрежена, ветра способны поднимать миллионы тонн песка и пыли устраивать настоящие песчаные бури. Некоторые бури способны скрыть почти всю поверхность Марса!

После таких бурь в воздухе еще долго остаются взвешенными частички богатой железом пыли. Цвет этой пыли красный (это ржавчина), соответственно и небо на Марсе окрашивается в желтовато-оранжевый цвет.

Почему небо именно голубого цвета?

У каждого цвета имеется своя длина волны. На следующем рисунке можно посмотреть, как этот показатель разнится.

Фиолетовый рассеиваются слишком сильно, а цвета с зелёного по красный наоборот рассеиваются не очень интенсивно. Вот и получается, голубые и синие частицы — это золотая середина. Фиолетовый, несмотря на то, что он рассеивается лучше голубого, мы не замечаем из-за нашего восприятия: при одинаковой яркости голубой воспринимается нашим глазом гораздо лучше, чем его собрат.

Примерно так всё и происходит
Примерно так всё и происходит

Вот неплохой видос на эту тему, который и нам помог разобраться в данном вопросе:

Небо на закате и после

На закате небо над горизонтом принимает красивый розовый оттенок. Этот цвет также обусловлен рассеянием солнечного света в атмосфере. Поскольку свет распространяется во всех направлениях, то до нас доходит лишь его часть, а остальное возвращается в пространство. Часть солнечной энергии, возвращающаяся за пределы земной атмосферы, невелика, однако для некоторых явлений она может оказаться существенной. В видимом излучении разница между энергией, получаемой поверхностью земли и верхними слоями атмосферы, обусловлена прежде всего рассеянием.

  Так, мы видим, что в дневное время энергия, полу

Так, мы видим, что в дневное время энергия, получаемая на земле, меньше падающей на верхние слои атмосферы примерно на 25% в синем и на 10% — в красном диапазонах. На закате эти пропорции изменяются, поскольку свету приходится преодолевать гораздо большую толщу атмосферы. Таким образом, синий свет почти целиком рассеивается, и наблюдатель на земле видит в основном красный.

длин волндлиной волны околодлиной волны около