Чому небо блакитне?

Виявляється дуже мало хто знає відповідь на це, здавалося б «завжди висить у повітрі питання». Часто про це запитують діти, але дорослі не готові дати пояснення. Багато хто вважає, що це питання із серії тих, на які ми взагалі відповісти не можемо, типу «де кінець всесвіту». Є люди, які вважають, що це колір суміші азоту і кисню, коли цих газів багато і вони підсвічені Сонцем. Є ті, які пов’язують колір неба з заломленням світла в шарах атмосфери. Ті, які були в школі відмінниками, скажуть, що, мовляв, повітря розсіює синій колір інтенсивніше, ніж всі інші кольори спектру за законом Релея, часто не розуміючи суть цього розсіювання. До речі, питання про колір неба було вирішене фізиками тільки в двадцятому столітті. Тому нам не повинно бути особливо соромно.

І хоча це питання безпосередньо з температурою не пов’язаний, давайте спробуємо розібратися. Дуже глибоко в фізику копати не будемо, але основні положення про світі і про повітря нагадаємо.

Сонячне світло – це суміш випромінювань всіх кольорів веселки, тобто електромагнітних хвиль з частотами коливань такими, які можуть впливати на сітківку ока людини. Фіолетовий колір відповідає довжині хвилі випромінювання 380 нм, червоний – 720 нм. У сітківці є колби, що відповідають за сприйняття кольору. Колбочки трьох типів: сині (відповідальні за діапазон високих частот), зелені (відповідають за середні частоти) і червоні (для низьких частот). Діапазони чутливості колбочок перекриваються, але максимум припадає на певний колір.

Молекули повітря в нормальному стані не мають заряду, вони нейтральні. Однак вони складаються із заряджених частинок – електронів і ядер. Під впливом електричного поля ядра зсуваються в одному напрямку, електрони – в іншому, і виходить диполь з власним електромагнітним полем. Якщо диполь потрапляє в змінне електромагнітне поле, то він починає осциллировать, т.е позитивний і негативний заряди зміщуються взад-вперед і диполь сам починає випромінювати електромагнітну хвилю. У нашому випадку електромагнітна хвиля сонячного світла змушує молекули повітря перетворюватися на випромінюючі електромагнітні хвилі диполі. Причому напрямки вивчення диполів можуть бути всілякими. За законом збереження енергії світлова хвиля втрачає інтенсивність в первісному напрямку. Це і є основний механізм розсіювання світла в повітрі. Вірніше говорити навіть не про розсіянні, а про світінні молекул повітря під дією світла. Ми дивимося через атмосферу і фактично бачимо світло від сонця і світло, що випускається молекулами нашої атмосфери. Чому ж він не білий, а синій?

Справа в тому, що інтенсивність випромінювання диполя пропорційна четвертого ступеня частоти випромінювання. Найбільш інтенсивно випромінюються диполями хвилі з максимальною частотою і енергією, відповідні синього світла. Менше взаємодіють з молекулами повітря хвилі червоного світла. Тобто при проходженні через атмосферу відбувається як би фільтрація білого кольору по спектру. Молекули повітря випромінюють в основному синій колір, т.е світло, яке збуджує сині та зелені колбочки сітківки набагато сильніше, ніж червоні колбочки.

Першим зробив крок до правильного поясненню кольору неба Джон Тиндал в 1865 р Він відкрив, що при проходженні променів світла через середовище, в якій в підвішеному стані знаходяться маленькі частинки домішок, синій колір розсіюється інтенсивніше, ніж червоний. У результаті ми бачимо фарбування минулого світла в блакитний відтінок. Це можна спостерігати якщо дивитися збоку на промінь світла, що проходить через воду, злегка притуманений молоком. Якщо дивитися не збоку, а у напрямку променя, то світло набуває червонуватого відтінку, тому синя складова розсіялася.

Кілька років по тому британський вчений лорд Релей вивчив цей ефект більш детально. Він показав, що інтенсивність розсіювання світла на частинках дуже малих розмірів обернено пропорційна четвертого ступеня довжини хвилі випромінювання. З цього випливало, що синє світло розсіюється в 10 разів інтенсивніше червоного.

Тиндал і Релей думали, що синява неба пояснюється наявністю в атмосфері дрібних частинок пилу і водяної пари. Пізніше вчені усвідомили, що якби це було дійсно так, то ми спостерігали б значно більше варіацій кольору неба при зміні вологості, туманності і забрудненості повітря, ніж спостерігаємо зараз. Проблема була вирішена Ейнштейном, який в 1911 р вивів формулу, що описує розсіювання світла молекулами. Формула підтверджувала всі попередні експерименти. Було доведено, що ні пил і пар, а саме молекули повітря розсіюють світло, так як (як говорилося вище) електромагнітне поле світла ініціює електричні дипольні моменти в молекулах.

Чому ж небо не фіолетове, а блакитне? Адже фіолетові хвилі коротше синіх. Перша причина в тому, що спектр сонячного випромінювання нерівномірний. Фіолетового кольору там менше. Крім того, фіолетові промені розсіюються ще в самих верхніх шарах атмосфери. Друга причина – чутливість наших колб до фіолетового кольору нижче, ніж до синього. Третя причина в тому, що синій колір дратує не тільки сині колбочки в сітківці, але і трохи червоні та зелені. Тому колір у неба не блідий, а насичений блакитний, особливо коли повітря прозорий.

Розсіюванням світла на молекулах повітря пояснюється і колір заходу сонця. Пройшовши від Сонця по дотичній до Землі довгий шлях, промінь втрачає всі сині відтінки. До очі доходять тільки жовті та червоні тони. Близько моря захід може бути навіть помаранчевим, завдяки частинкам солі в повітрі, які відповідальні за розсіювання Тиндала.

Зауважте, що від складу атмосфери, тобто наявності азоту і кисню, колір неба практично не залежить. Якщо у планети прозора атмосфера достатньої товщини і щільності, освітлена світилом, спектр якого білий, як у Сонця, то небо там буде синім.

Як же тоді пояснити, що знімки з космічних апаратів, що зробили посадку на Марс, говорять про те, що небо там рожеве і червоне? Це тому, що атмосфера Марса дуже тонка і забруднена пилом. Розсіювання сонячного світла відбувається не на молекулах, а переважно на зважених домішках пилу. Багато частинки пилу більше, ніж довжини хвиль світла і складаються з оксиду заліза, який має червоний колір.

Тепер Ви знаєте, що відповісти на питання «чому небо блакитне» не дуже просто. Ми-то розуміємо, а що сказати дітям? Напевно, що наша прекрасна атмосфера складається з повітря, який світиться синім світлом коли Сонечко його гріє. Тому що синій колір – найсильніший з усіх кольорів веселки.

Посилання на основну публікацію