Почему небо голубое: физика небесного купола

Солнечный свет, проходя через атмосферу, рассеивается молекулами азота и кислорода по закону Рэлея, где интенсивность обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Короткие волны голубого диапазона отклоняются во все стороны сильнее длинных красных, поэтому небосвод наполняется рассеянным голубым светом. Глаза человека и спектр Солнца смещают восприятие от фиолетового к насыщенному голубому, а длинный путь лучей на закате оставляет только красно-оранжевые тона.

Без атмосферы небо оставалось бы чёрным, как на Луне. Именно молекулярное рассеяние создаёт дневной голубой купол, поляризует свет и определяет цвета рассветов. Это явление зависит от состава воздуха, высоты Солнца и чувствительности нашего зрения.

Ясный день. Голова поднята вверх, и над тобой разворачивается безграничный голубой купол, будто кто-то растянул шелковую ткань от горизонта до зенита. Этот цвет кажется таким привычным, что мы почти не замечаем его. Но за ним скрывается точная физика: взаимодействие света с молекулами воздуха, которое происходит ежесекундно над каждой точкой планеты. Солнечные лучи, пролетев сто пятьдесят миллионов километров вакуума, влетают в атмосферу и начинают танцевать с азотом и кислородом. Именно этот танец и окрашивает небо в голубой.

Солнце излучает почти белый свет — смесь всех видимых длин волн от примерно 380 до 750 нанометров. Когда этот поток входит в воздух, молекулы газов, размер которых в тысячи раз меньше длины световой волны, заставляют электроны колебаться. Колеблющиеся диполи переизлучают свет во всех направлениях. Интенсивность этого переизлучения резко возрастает для более коротких волн. Закон, описывающий процесс, звучит просто: интенсивность рассеянного света пропорциональна 1/λ⁴, где λ — длина волны. Голубой свет с длиной около 450 нанометров рассеивается в несколько раз сильнее, чем красный с длиной 650–700 нанометров. В результате голубые фотоны «заполняют» весь небосвод, а более длинные волны преимущественно летят прямо к поверхности.

Солнечный спектр и молекулы воздуха

Атмосфера Земли на 78 процентов состоит из азота и на 21 процент из кислорода. Молекулы этих газов имеют диаметр около 0,3–0,4 нанометра. Видимый свет, напротив, измеряется сотнями нанометров. Когда электромагнитная волна проходит мимо такой крошечной молекулы, электрическое поле волны заставляет электроны смещаться. Молекула становится мгновенным диполем и сама начинает излучать на той же частоте, но уже в произвольном направлении. Это и есть рассеяние Рэлея.

Чем короче волна, тем быстрее колеблются электроны и тем мощнее переизлучение. Если сравнить голубой свет (450 нм) и красный (650 нм), отношение длин составляет примерно 1,44. Возведённое в четвёртую степень, это даёт коэффициент около 4,3. Если взять крайние значения 400 и 700 нм, коэффициент приближается к десяти. Именно поэтому голубая составляющая «вырывается» из прямого луча и разлетается по всему небу. Когда мы смотрим в сторону от Солнца, в глаз попадает преимущественно этот рассеянный свет.

Солнце само по себе не является идеально белым источником. Его поверхность имеет температуру около 5772 кельвинов, поэтому максимум излучения лежит в зелёно-жёлтой области спектра. В фиолетовой области энергии заметно меньше. Кроме того, часть ультрафиолета и короткого фиолетового поглощается озоновым слоем ещё в верхней атмосфере. Поэтому даже если бы глаз видел одинаково все цвета, фиолетового всё равно было бы меньше.

Почему небо именно голубое, а не фиолетовое

Фиолетовый свет имеет ещё более короткую длину волны и рассеивается ещё сильнее. Логично было бы ожидать фиолетового неба. Однако три фактора работают вместе и смещают цвет в голубую сторону.

Первый — спектр Солнца. В диапазоне 400–420 нанометров энергии меньше, чем в 440–480. Второй — поглощение. Озон и кислород в стратосфере выборочно забирают часть самых коротких волн. Третий и самый важный — особенности человеческого зрения. Колбочки сетчатки, отвечающие за цвет, имеют разную чувствительность. Синие колбочки (S-тип) реагируют на короткие волны, но общая спектральная чувствительность глаза в дневном свете (фотопическое зрение) имеет пик около 555 нанометров и заметно падает в фиолетовой зоне. Мозг, получив смесь сильного голубого сигнала с небольшой примесью фиолетового и рассеянного белого, интерпретирует её как чистый голубой.

Интересно, что люди с определёнными нарушениями цветового восприятия могут видеть небо немного иначе. Но для большинства населения планеты результат один: насыщенный, спокойный голубой цвет.

Красные рассветы и закаты

Когда Солнце стоит низко над горизонтом, путь лучей через атмосферу становится в несколько раз длиннее. Голубой и фиолетовый свет успевает рассеяться ещё до того, как достигнет глаза наблюдателя. Остаются длинные волны — жёлтые, оранжевые, красные. Они проходят почти беспрепятственно и окрашивают как само светило, так и небо у горизонта.

Чем больше в воздухе аэрозолей — пыли, дыма, капель воды — тем ярче и насыщеннее становятся эти цвета. После крупных извержений вулканов или сильных лесных пожаров закаты приобретают почти багровые оттенки. Это уже не чистое релеевское рассеяние, а примесь рассеяния Ми, которое зависит от размера частиц и меньше зависит от длины волны.

У самого горизонта небо часто выглядит светлее и беловатым. Здесь работает другой эффект: линия взгляда проходит через толстый слой воздуха, где происходит многократное рассеяние, и к глазу доходит смесь разных цветов.

Небо на других планетах и за пределами атмосферы

На Луне, где атмосферы практически нет, небо всегда чёрное. Звёзды видно даже днём, а Солнце выглядит резким белым диском. На Марсе атмосфера разрежённая и насыщена мелкой пылью. Пыль рассеивает свет по закону Ми, поэтому дневное небо там желтовато-розовое, а на закате становится синеватым — противоположность земному.

На Уране и Нептуне атмосфера богата метаном, который поглощает красный свет. Поэтому эти планеты имеют глубокий голубой и даже бирюзовый оттенок. Если бы мы стояли на поверхности одной из них (что невозможно из-за отсутствия твёрдой поверхности), небо выглядело бы совсем иначе.

С орбиты Земли космонавты видят тонкую голубую полоску атмосферы на фоне чёрного космоса. Именно эта полоска и является видимым проявлением релеевского рассеяния.

В нашей практике наблюдений за небом в разных регионах Украины самый глубокий голубой цвет появляется после прохождения холодных фронтов, когда воздух особенно чистый. Тогда контраст между небом и белыми кучевыми облаками становится почти стереоскопическим.

Данные таблицы основаны на классических расчётах релеевского рассеяния и спектральных измерениях, согласованных в физических источниках.

Голубой цвет неба — не случайность и не декорация. Это прямое следствие того, что атмосфера состоит из молекул, значительно меньших длины световой волны, и того, как наш глаз научился интерпретировать смесь рассеянных фотонов. Каждый раз, поднимая голову в ясный день, мы видим результат сложного физического процесса, который продолжается уже миллиарды лет — с тех пор, как Земля обзавелась достаточно плотной газовой оболочкой. И этот процесс продолжается прямо сейчас, над каждым городом, полем и лесом.