Почему небо голубое?

Ясное безоблачное дневное небо голубое (синее), потому что молекулы в воздухе рассеивают синий свет от солнца больше, чем красный. Когда мы смотрим на солнце на закате, мы видим красный и оранжевый цвета, потому что синий свет рассеивается вдали от линии взгляда.

Белый свет солнца представляет собой смесь всех цветов радуги. Это было продемонстрировано Исааком Ньютоном, который использовал призму для разделения разных цветов и формирования спектра. Цвета света различаются по длине волны.

Видимая часть спектра колеблется от красного света с длиной волны около 720 нм до фиолетового с длиной волны около 380 нм с оранжевым, желтым, зеленым, синим и фиолетовым между ними. Три различных типа цветовых рецепторов в сетчатке человеческого глаза наиболее сильно реагируют на красные, зеленые и синие длины волн, давая нам наше цветовое зрение.

Эффект Тиндаля

Первые шаги к правильному объяснению цвета неба были предприняты Джоном Тиндалем в 1859 году. Он обнаружил, что, когда свет проходит через прозрачную жидкость, содержащую мелкие частицы во взвешенном состоянии, более короткие синие волны рассеиваются сильнее, чем красные.

Это можно продемонстрировать, направив луч белого света через резервуар с водой с небольшим количеством молока или мыла. Со стороны луч можно увидеть по синему свету, который он рассеивает; но свет, видимый прямо с конца, становится красным после того, как он прошел через резервуар. Рассеянный свет можно также показать поляризованным с помощью фильтра поляризованного света, так же как небо кажется более глубоким синим через поляроидные солнцезащитные очки.

Это называется эффектом Тиндаля, но физикам он более известен как рассеяние Рэлея — в честь лорда Рэлея, который изучил его более подробно несколько лет спустя. Он показал, что количество рассеянного света обратно пропорционально четвертой степени длины волны для достаточно мелких частиц. Отсюда следует, что синий свет рассеивается больше, чем красный, в (700/400) ⁴ ~ = 10 раз.

Почему небо голубое — Пыль или молекулы?

Тиндаль и Рэлей считали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара в атмосфере. Даже сегодня люди иногда неправильно говорят, что это так. Позже ученые поняли, что, если бы это было правдой, было бы больше изменений цвета неба в зависимости от влажности или условий дымки, чем это было на самом деле, поэтому они правильно предположили, что молекул кислорода и азота в воздухе достаточно, чтобы объяснить рассеяние.

Дело было окончательно разрешено Эйнштейном в 1911 году, который вычислил подробную формулу для рассеяния света молекулами; и было обнаружено, что это согласуется с экспериментом. Он даже смог использовать вычисление как дополнительную проверку числа Авогадро по сравнению с наблюдением. Молекулы способны рассеивать свет, потому что электромагнитное поле световых волн индуцирует электрические дипольные моменты в молекулах. Вот почему небо голубое.

Почему небо голубое, а не фиолетовое?

Если более короткие волны рассеиваются сильнее всего, возникает загадка, почему небо не кажется фиолетовым — цветом с самой короткой видимой длиной волны. Спектр излучения солнца непостоянен на всех длинах волн и, кроме того, поглощается высокими слоями атмосферы, поэтому в свете меньше фиолетового.

Наши глаза также менее чувствительны к фиолетовому. Это часть ответа; все же радуга показывает, что остается значительное количество видимого света, окрашенного в синий и фиолетовый цвет, помимо синего. Остальная часть ответа на эту загадку заключается в том, как работает наше видение.

В нашей сетчатке есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они сильнее всего реагируют на свет на этих длинах волн. Поскольку они стимулируются в разных пропорциях, наша зрительная система конструирует цвета, которые мы видим.

Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света и менее сильно на оранжевые и желтые волны. Зеленые колбочки реагируют на желтый и более сильно на рассеянные зеленые и зелено-синие волны.

Синие колбочки стимулируются цветами, близкими к синим длинам волн, которые очень сильно рассеиваются. Если бы в спектре не было синего и фиолетового, небо выглядело бы голубым с легким зеленым оттенком. Но наиболее сильно рассеянные волны синего и фиолетового цвета стимулируют красные колбочки так же, как и синий, поэтому эти цвета кажутся синими с добавлением красного оттенка.

Чистый эффект заключается в том, что красные и зеленые колбочки примерно одинаково стимулируются светом с неба, в то время как синий стимулируется сильнее. Такое сочетание дает бледно-голубой цвет. Возможно, не случайно, что наше зрение настроено так, чтобы видеть небо как чистый оттенок. Мы эволюционировали, чтобы вписаться в нашу среду; а способность наиболее четко разделять естественные цвета, вероятно, является нашим преимуществом для выживания.

Закаты

Когда воздух чистый, закат становится желтым, потому что солнечный свет прошел через воздух на большое расстояние, а часть синего света рассеялась. Если воздух загрязнен мелкими частицами естественного или иного происхождения, закат будет более красным.

Закаты над морем также могут быть оранжевыми или красными из-за частиц соли в воздухе, которые являются эффективными рассеивателями Тиндаля. Небо вокруг солнца кажется покрасневшим, как и свет, исходящий непосредственно от солнца.

Это связано с тем, что весь свет относительно хорошо рассеивается под небольшими углами, но при этом синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды или более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.