Чому небо блакитне - дуже складне питання з непростим відповіддю. Якщо уникати наукової мови, то небо має синій колір через те, що червоне світло розсіюється найменше, ніж інші, а фіолетовий, найбільшими перепонами.
Багато хто знає, що біле світло складається з 7 основних кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, синій, блакитний, зелений і фіолетовий. Кожен колір може змінюватися в міру зменшення довжини світлової хвилі. Так, наприклад, космонавти, які знаходяться на орбіті, можуть побачити досить біле Сонце на чорному тлі. Справа в тому, що космонавти бачать світло без спотворень в звичайному безповітряному просторі, а ми на Землі дивимося на Сонце з «фільтром», який створює наша атмосфера.
І синє світло краще розсіюється на найдрібніших молекулах повітря, більше, ніж на інших довжинах хвиль, тому що він подорожував як коротші хвилі, які з більшою ймовірністю будуть спотворювати і змінювати їх шляху. Це загальна причина, по якій ми бачимо блакитне небо над землею.
Цей ефект називається ефектом Тіндалла, але його частіше називають релєєвськоє розсіювання. Релей був тим, хто більш детально вивчив проблему і сформулював її математичний опис. При цьому загальна кількість розсіяного світла обернено пропорційно четвертого ступеня довжини хвилі, якщо тільки розглянуті тут молекули досить малі. У середній атмосфері Землі синє світло розсіюється більше, ніж червоне світло, в 4 рази, що близько до десяти. Але насправді все не так просто. Сьогодні ми «знаємо», що колір неба виникає безпосередньо з осколків на невеликих краплях водяної пари.
З усіх 7 кольорів спектру, червоний розсіюється найменше, трохи більше помаранчевий, жовтий і т.д. З цієї причини на заході і світанку ми бачимо Сонце оранжево-червоним. Але коли воно буде підніматися все вище і шар атмосфери буде все тонше і тонше, то розсіювання світла буде менше, а значить, Сонце буде ставати біліше і жовтіше.
Ця ідея все ще дуже популярна, але невірна. Світло повинен розсіюватися на менших молекулах кисню та азоту. Фактично той, хто довів це і показав, що цей результат знаходиться в хорошому злагоді зі спостереженнями, був знаменитий Альбертом Ейнштейном. Він також припустив, що явище розсіювання світла є не чисто механічним, а скоріше електромагнітним або навіть квантовим ефектом, в якому розсіяні фотони світла змінюють свою енергію. Цей процес, якщо розглядати його на молекулярному рівні, включає в себе захоплюючий так званий коливальний режим молекул.
Зв'язок кольору і довжини хвилі
Що ж станеться, якщо ми подивимося на небо, в сторону від нього? Тоді червоні промені пройдуть в сторону і практично не розсіються. Помаранчеві промені трохи розсіються, жовті ще більше і так далі, поки фіолетовий світло максимально НЕ розсіється. Так ми зможемо з вами побачити щось середнє між занадто сильним фіолетовим світлом і дуже слабким червоним, а іншими словами атмосферу, яка буде яскраво виражена блакитним світлом.
Це відбувається, наприклад, коли кисень дає додаткову енергію меншого розсіяного фотона або розсіюванням раніше порушеної коливального стану молекули, яке потім передає свою колебательную енергію на падаючий фотон. Коротше кажучи, деякі атмосферні частки розсіюють світло через наявність електромагнітного поля світлових хвиль, який індукує електричні дипольні моменти в цих молекулах.
Так чому ж іноді західне або східне небо світиться різними кольорами? Через тимчасової зміни складу атмосфери. Якщо, наприклад, в повітрі багато водяної пари, середні молекули повітря більше і можуть ефективно розсіювати також червоне світло. Більш того, коли сонце низько в небі, його світло повинен пройти через товщу масу повітря, перш ніж досягти спостерігача. Тоді численні повітряні частинки можуть не тільки розкидати один раз, а й повторно розсіяти світло багато разів. Кінцевим результатом цього процесу є повна суміш багатьох різних довжин хвиль і напрямків променів, тому ефективне освітлення здається білішим, ніж синій.
- Це цікаво -
Весь цей процес дуже складний і потребує певних наукових знаннях. Всю природу цього явища пояснив англієць Джон Вільям Стретт, лорд Релей III в 1899 році.
Чому небо блакитне? - відео
Виявляється дуже мало хто знає відповідь на цей, здавалося б «завжди висить у повітрі питання». Часто про це запитують діти, але дорослі не готові дати пояснення. Багато хто вважає, що це питання з 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 спектра за законом Релея, часто не розуміючи суть цього розсіювання. До речі, питання про колір неба було вирішено фізиками тільки в двадцятому столітті. Тому нам не повинно бути особливо соромно.
Якщо повітря додатково забруднений невеликими частками, захід здається більш червоним. Це відбувається дуже часто над морем або в великих промислових зонах. 
Однак трохи інше, це ситуація в разі інших планет. Вчені вважають, що червоний колір марсіанського неба є наслідком присутності в запорошених бурях червоною, багатої на залізо пилу. Точний колір залежить від реальних погодних умов і здається більш синім, коли атмосфера Марса відносно спокійна. У цього небесного тіла майже немає атмосфери, тому світло зовсім не розсіюється.
І хоча це питання безпосередньо з температурою не пов'язаний, давайте спробуємо розібратися. Дуже глибоко в фізику копати не будемо, але основні положення про світло і про повітрі 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 колбочки, відповідальні 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.
Ось чому місячне небо здається майже чорним, а його тіні дуже гострими. Світло, який рухається до землі від сонця, виглядає білим або жовтим. Але насправді він складається з усіх кольорів веселки. Ви можете побачити це, використовуючи призму або стакан. Це розбиває сонячне світло на його райдужні частини.
Сонячне світло, що проходить через кутове скло, покаже, що він зроблений з усіх кольорів. Холдинг білого паперу біля призми показує веселку. Використання винного скла, наповненого водою, створює деякі веселки в сонячному світлі. Коли ви дивитеся в небо, ви дійсно переглядаєте атмосферу Землі. Це мільярди маленьких молекул кисню та азоту, які пливуть по небу. Ці молекули складають повітря, яким ми дихаємо.
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, тобто 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 в випромінюють електромагнітні хвилі диполі. Причому напрямки вивчення диполів можуть бути всілякими. Згідно із 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?
Коли сонячне світло потрапляє в атмосферу Землі, синє світло відбивається в усіх напрямках. Ілюстрація розсіювання сонячного світла через молекул в атмосфері. Інші кольори - червоний, оранжевий, жовтий - також відскакують від молекул, але синє світло розсіюється сильніше за все. Ваше око чутливий до синього світла, і ця відображена енергія змушує небо здаватися синім, коли ми дивимося на нього.
Якщо ви хочете більш докладно вивчити цей захоплюючий предмет, спробуйте пройти через головні розділи цього сайту, щоб зрозуміти, чому небо синє. Протягом дня безхмарне небо здається синім, але вранці або ввечері воно стає помаранчевим до червоного. Секрет цього кольорового дуету полягає в тому, як сонячне світло розсіюється в атмосфері.
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, тобто світло, який збуджує сині і зелені колбочки сітківки набагато сильніше, ніж червоні колбочки.
Палітра неба може багато чого запропонувати: як альтернативного синього, білого і сірого, жовтого, червоного і оранжевого кольорів, і якщо ви додасте веселку, колірна радість здається безмежною. Божевільне небо домінує протягом дня синім, хоча за ним знаходиться чорнота Всесвіту. У прекрасні вечора небо потім занурюється в захоплюючий червоний колір, хоча сонце світить в тому ж кольорі, що і вдень. Секрет такого розмаїття квітів полягає в тому, як сонячне світло розсіюється в атмосфері.
Світло сонця здається нам жовтувато-білим, але він складається з усіх кольорів веселки - від фіолетового до синього, зеленого, жовтого, оранжевого до червоного. Кожен з цих кольорів відповідає електромагнітного випромінювання певної довжини хвилі. Ця довжина хвилі є найкоротшою для синього і довгою для червоного.
Першим зробив крок до правильного пояснення 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. В 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 що синя складова розсіялася.
Різні довжини хвиль тепер грають важливу роль, коли світло стикається з молекулами газу на своєму шляху через атмосферу, змінюючи свій напрямок. Фізики кажуть: світло розсіявся. Всякий раз, коли ми не дивимося прямо на сонці, ми бачимо тільки розсіяне світло, який потрапляв нам в очі на декількох обходах сонця. Тому саме колір розсіяного світла визначає колір неба.
Світло розсіюється в атмосфері, чим менше його довжина хвилі. Синє світло, отже, більш розсіяний, ніж червоний. Коли сонце високо, шлях сонячного світла в атмосфері досить короткий, він в основному синій розсіюється, так що небо здається синім днем. На малих висотах шлях світла через атмосферу набагато довше. Через розсіювання синій компонент зменшується настільки, що червоний виграє. Таким чином, хмарне небо синє протягом дня і червоне на сході й заході.
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, яка 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.
У разі розсіювання світла в атмосфері ми говоримо про релєєвськоє розсіювання, названому на честь британського фізика лорда Релея. Релєєвськоє розсіювання завжди присутній, коли випромінювання розсіюється на частинках, які набагато менше довжини хвилі випромінювання. Це має місце з молекулами газу в атмосфері. Краплі води або кристали льоду в хмарах, з іншого боку, набагато більше довжини хвилі світла. Тут немає релєївського розсіювання, але на ньому відбиваються всі довжини хвиль сонячного світла, тому хмари здаються нам білими.
Між іншим, при оцінці даних вимірювань супутників слід враховувати також релєєвськоє розсіювання, якщо вони, наприклад, використовуються для вимірювання морських хвиль або товщини хмар. Релєєвськоє розсіювання відноситься до розсіювання електромагнітних хвиль на частинках, які малі в порівнянні з довжиною хвилі розсіяних хвиль. Частинки порушуються електромагнітним випромінюванням для вібрування і дають як передавальну антену - так званий герцціанскій диполь - в свою чергу, випромінювання. Точні розрахунки показують, що потужність випромінювання обернено пропорційна четвертого ступеня довжини хвилі.
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 і зелені. Тому колір у неба не блідий, а насичений блакитний, особливо коли повітря прозорий.
Небо тільки синє, коли повітря настільки низький, наскільки це можливо з точки зору пилу і вихлопних газів. Наше небо синє, тому що земля оточена атмосферою, так званої атмосферою. Атмосфера складається з суміші газів, головним чином азоту, з подальшим додаванням кисню, водяної пари, двоокису вуглецю, метану та інших газів в невеликих кількостях. У вигляді найдрібніших частинок, так званих молекул, ці гази утворюють нашу повітряну оболонку. На небесних тілах, які не мають атмосфери, наприклад, на Місяці, небо чорне навіть вдень.
Розсіюванням світла на молекулах повітря пояснюється і колір заходу. Пройшовши від Сонця по дотичній до Землі довгий шлях, промінь втрачає все сині відтінки. До очі доходять тільки жовті і 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.
Світло - електромагнітне випромінювання
Щоб зробити блакитний для нас, до сих пір немає сонячного випромінювання, яке доходить до нас у вигляді електромагнітних хвиль. Те, що ми сприймаємо як видиме світло, являє собою невелику ділянку електромагнітного спектра. Синє світло має коротку довжину хвилі, як зелений, так і червоний. Можна також уявити, що синє світло рухається з багатьма невеликими швидкими кроками, зелений робить кілька великих кроків і, нарешті, червоне світло рухається з широкими широкими ступенями. Тепер з'являється білий, складний світловий промінь сонця, що потрапляє в землю.
Як же тоді пояснити, що знімки з космічних апаратів, які вчинили 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 домішок пилу. Багато частинки пилу більше, ніж довжини хвиль світла і складаються з оксиду заліза, який має червоний колір.
Таким чином, в той час як поспішає синій на своєму шляху дуже часто стикається з молекулами атмосфери, червоне світло в деяких відносинах набагато краще, тому що він робить великі кроки. Також йдеться про те, що сині частини сонячного світла розсіяні особливо сильно, саме через численні зіткнень. Однак червоні частини набагато менш схильні стикатися з молекулами і можуть бути більш простими. Небо блакитне, тому що синя частина сонячного світла розкидана особливо сильно.
Цей ефект називається релєєвськоє розсіювання після британського лорда Релея, який відкрив це явище. Релєєвськоє розсіювання описує, як електромагнітні хвилі, включаючи світло, ламаються на атомах або молекулах. Небо виглядає особливо синім, коли повітря повністю чистий і вільний від пилових частинок. Тому що сонячне світло не тільки руйнується молекулами повітря, але і виваженим речовиною в атмосфері: димом від вулканів, вихлопними газами від заводів, пилом і піском з пустель.
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.