Почему небо голубое: как устроено небо и откуда закат

Короткий ответ

Небо голубое из-за того, как воздух обращается с солнечным светом. Свет Солнца только кажется белым: на самом деле это смесь всех цветов — от красного до фиолетового. Проходя через атмосферу, свет сталкивается с молекулами азота и кислорода, и они отбрасывают часть лучей в стороны. Синие лучи отбрасываются гораздо сильнее, чем красные. Поэтому синий свет разлетается по всему небу, и откуда бы мы ни смотрели вверх, в глаз попадает рассеянный синий.

Это явление называется рассеянием света, а его закон для мелких частиц открыл английский физик лорд Рэлей во второй половине XIX века. С тех пор его и называют рэлеевским рассеянием.

Путь к ответу был долгим. Ещё в 1860-х годах ирландский физик Джон Тиндаль пропускал луч света через трубку с мельчайшими частицами и видел, что сбоку она светится голубым. Тиндаль думал, что небо голубое из-за пыли и капелек в воздухе. Рэлей показал, что пыль не обязательна: достаточно самих молекул газов, из которых состоит воздух. Пыль и капли, наоборот, чаще делают небо белёсым.

Из чего складывается цвет неба

Чтобы получилось голубое небо, нужны три участника.

Участник	Какой он	Что делает
Солнечный свет	белый, смесь всех цветов	несёт и красные, и синие лучи
Молекулы воздуха	намного мельче длины световой волны	рассеивают свет, причём короткие волны сильнее длинных
Глаз	лучше всего различает зелёно-жёлтую середину спектра, хуже — фиолетовый	складывает смесь рассеянных лучей в ощущение «голубой»

Цвет света зависит от длины волны. У красного она самая длинная, у фиолетового — самая короткая, почти вдвое короче. Мелкие частицы — а молекулы воздуха в тысячи раз мельче длины волны — рассеивают свет тем сильнее, чем короче волна. И зависимость очень крутая: синий свет рассеивается примерно в пять-шесть раз сильнее, чем красный.

Как это работает: путь солнечного луча

1. Свет Солнца входит в атмосферу. Это белый пучок, в котором смешаны все цвета.
2. Лучи встречают молекулы воздуха. Каждая молекула под действием световой волны начинает колебаться и сама излучает свет во все стороны — так она рассеивает часть пучка.
3. Синее рассеивается сильнее. Из пучка в стороны больше всего уходит синего и фиолетового, меньше — зелёного, совсем мало — жёлтого и красного.
4. Рассеянный свет заполняет небо. Синие лучи, отброшенные молекулами, многократно отражаются от других молекул и приходят к наблюдателю со всех сторон — сверху, сбоку, отовсюду.
5. Глаз видит голубой. Мы смотрим на любой участок неба, где нет Солнца, и видим именно этот рассеянный свет. Его смесь с преобладанием синего и мозг воспринимает как голубой.
6. Солнце кажется жёлтым. Из прямого луча убрана часть синего, поэтому сам солнечный диск выглядит чуть желтее, чем он есть на самом деле.

Почему небо не фиолетовое

Если короткие волны рассеиваются сильнее всего, небо должно было бы быть фиолетовым. Но есть три причины, по которым мы видим голубое.

Фиолетового в свете Солнца меньше. Солнце излучает больше всего в середине видимого спектра, а к фиолетовому краю его свет слабеет.

Глаз плохо видит фиолетовый. В сетчатке есть три вида колбочек — чувствительных к красному, зелёному и синему. К фиолетовому они откликаются слабо. Об устройстве сетчатки рассказано в статье о строении глаза.

Рассеянный свет — не чистый цвет. С неба приходит не один синий луч, а смесь: много синего, заметно фиолетового, немного зелёного и совсем чуть-чуть остального. Глаз складывает эту смесь, и получается небесно-голубой.

Почему закат красный

Днём, когда Солнце высоко, его лучи проходят через атмосферу коротким путём — почти отвесно. На закате Солнце у горизонта, и свет идёт к нам наискосок, сквозь толщу воздуха в десятки раз длиннее.

На таком длинном пути синий и голубой свет почти весь успевает рассеяться в стороны, не дойдя до нас. Остаются лучи, которые рассеиваются слабее всего: жёлтые, оранжевые и красные. Поэтому низкое Солнце — оранжевое, а небо вокруг него — розовое и красное. В тот же момент над головой у людей, для которых Солнце ещё высоко, небо голубое: там рассеивается тот самый синий свет, который не дошёл до нас.

Если в воздухе много пыли, дыма или капелек, закаты становятся особенно яркими и красными. Необычно багровые закаты наблюдали по всему миру после мощных извержений вулканов, когда пепел поднимался высоко в атмосферу.

Чем отличается: небо в разных местах

Где	Цвет неба	Почему
Днём на равнине	голубое	молекулы воздуха рассеивают синий свет
У горизонта	бледное, почти белёсое	свет проходит много воздуха, рассеивается многократно, цвета перемешиваются
Высоко в горах	тёмно-синее	над головой меньше воздуха, рассеянного света меньше
В космосе и на Луне	чёрное	воздуха нет, свету не на чем рассеиваться
На закате	оранжевое, красное	до глаз доходит свет, из которого синее рассеялось по пути
На Марсе днём	желтовато-бурое	воздух очень разреженный, а в нём висит мелкая рыжая пыль
На Марсе на закате	голубоватое около Солнца	частицы пыли рассеивают синий свет вперёд, вдоль луча

Марс — хороший пример того, что цвет неба определяется тем, что висит в воздухе. Атмосфера Марса гораздо тоньше земной, и основной вклад в цвет неба там даёт не газ, а тонкая пыль. Днём она окрашивает небо в цвета, которые описывают как ириску или тусклую охру, а вокруг заходящего Солнца появляется голубоватое сияние. Такие снимки передавали марсоходы. Как Марс и другие планеты расположены вокруг Солнца, рассказано в статье о Солнечной системе.

Опыт на кухне: небо в стакане

Рассеяние легко увидеть дома.

1. Налейте в прозрачный стакан воду и добавьте несколько капель молока, размешайте. Вода должна быть лишь чуть мутной.
2. В тёмной комнате посветите на стакан сбоку фонариком.
3. Посмотрите на стакан сбоку, поперёк луча. Вода будет чуть голубоватой — это рассеянный свет, как небо днём.
4. Теперь посмотрите на фонарик сквозь стакан, вдоль луча. Свет покажется желтоватым или оранжевым — как Солнце на закате.

Мельчайшие частички молока здесь играют роль молекул воздуха. Если молока добавить больше, вода станет просто белой — как облако, где частицы крупные и рассеивают все цвета одинаково.

Как объяснить ребёнку

Можно сказать так. Солнце посылает к нам свет, в котором спрятаны все цвета радуги — поэтому после дождя, когда свет проходит через капли, мы видим радугу. Когда свет летит через воздух, он натыкается на невидимые крошечные частички воздуха. Синий цвет — самый «непоседливый»: частички воздуха легко отбрасывают его в разные стороны, и он разбегается по всему небу. Поэтому куда ни посмотри — везде голубое. А вечером свету приходится лететь до нас очень долго, через толстый слой воздуха, и весь синий по дороге теряется. До нас доходят только красные и оранжевые лучи — и закат получается красным.

Если ребёнок спросит, откуда в солнечном свете все цвета, пригодится статья о том, как появляется радуга.

Интересные факты

Солнце на самом деле белое. Космонавты видят Солнце из космоса ослепительно-белым: над ними нет воздуха, который забирал бы из луча синий свет. Жёлтым Солнце кажется только с Земли.

Синее небо после дождя. Дождь вымывает из воздуха пыль и дымку, которые подмешивают к небу белёсый оттенок. Остаётся рассеяние на молекулах воздуха — и небо становится густо-синим.

Далёкие горы синеют. Лес на соседнем склоне зелёный, а тот же лес на хребте в десяти-двадцати километрах кажется синим. Между нами и далёкими горами — толстый слой воздуха, который рассеивает синий свет в сторону глаз и добавляет его к картинке. Поэтому на пейзажах художников дальние планы пишут голубоватыми — так изображение получает глубину.