Цвета наблюдаемого неба меняются в зависимости от времени суток. В безоблачных условиях в дневные часы виден интенсивный голубой цвет, а вот во время восхода и заката проявляются желтые, оранжевые и красные цвета. Цвета, которые мы наблюдаем в небе, обусловлены оптическим явлением, называемым рэлеевским рассеянием.
Свет в виде электромагнитной волны
Солнечный свет — это не что иное, как электромагнитная волна. Электромагнитное излучение является одним из способов распространения энергии в пространстве. Если упорядочить электромагнитные волны по их характерным параметрам, например частоте, длине и т. д., мы получим спектр (также называемый диапазоном). Электромагнитный спектр представляет собой все виды излучения, существующие во Вселенной.
Видимый свет (диапазон от 380 нм до 780 нм), который мы способны видеть, — это лишь малая часть всего электромагнитного спектра. Он ведет себя и как волна, и как поток частиц. Это явление называется корпускулярно-волновым дуализмом. Белый свет возникает в результате объединения нескольких простых цветов, называемых первичными цветами. Они видны, например, в виде радуги (белый свет, рассеянный в каплях воды). В части электромагнитного спектра для белого света красный цвет имеет самую большую длину волны, а фиолетовый — самую короткую.
Почему мы видим определенные цвета?
Для каждого диапазона спектра белого света определены конкретные цвета. Такое излучение, падающее на данный объект, будет поглощаться или отражаться им. Например, лист, на который попадает свет, поглощает его, но за исключением длины волны зеленого цвета. Непоглощенный фрагмент спектра рассеивается во все стороны. Часть данного излучения достигает глаза, и мозг «сообщает», что это зеленый цвет. Подобным образом мы наблюдаем и другие цвета, например клубнично-красный. Подробнее об этой теме здесь.
Рэлеевское рассеяние
Глядя на небо, мы в действительности наблюдаем часть атмосферы, которая видна с поверхности Земли. Световая волна, исходящая от Солнца, не проходит прямолинейное расстояние. На своем пути она сталкивается с множеством препятствий. Они представляют собой все частицы (в основном азот и кислород), пыль, капли воды и кристаллы льда, находящиеся в виде взвеси в воздухе. Они приводят к рассеянию видимого света, его отражению или поглощению. Для достижения Земли излучение должно преодолеть все эти препятствия. Получается, что при попадании на находящиеся в атмосфере в виде взвеси частицы свет рассеивается, и голубой цвет наиболее заметен во всем спектре. Данный эффект называется явлением рэлеевского рассеяния и обуславливает голубой цвет неба.
В 1899 году Джон Рэлей доказал, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Это означает, что голубой свет (который мы видим в небе) рассеивается в четыре раза сильнее, чем красный свет, потому что имеет более короткую длину волны в спектре белого света. Но ведь длины волн, обуславливающие фиолетовый цвет, короче, поэтому небо должно быть фиолетовым. Почему это не так? Одна из причин этого явления состоит в том, что интенсивность фиолетового излучения, достигающего Земли, значительно ниже. Кроме того, наши глаза в несколько сотен раз менее восприимчивы к фиолетовому свету по сравнению с голубым.
Другие цвета неба
То, как мы видим небо, вызвано явлением рэлеевского рассеяния, согласно которому короткие волны, отвечающие за синий цвет, рассеиваются гораздо сильнее, чем длинные волны. Однако цвет неба меняется в течение суток. Голубое небо наблюдается только в течение нескольких часов после полудня. Почему оно меняется на восходе и закате Солнца?
Почему во время заката Солнца цвет неба меняется от голубого на желтый и, наконец, на ярко-красный? Это связано с путем, который должны пройти солнечные лучи, чтобы достичь Земли. Чем ниже в своде светит Солнце, тем больше это расстояние. Поэтому белый свет падает под небольшим углом, а более короткие длины волн, т. е. те, которые соответствуют фиолетовому и голубому цветам, рассеиваются и не достигают глаза наблюдателя. Видны только цвета, характерные для длинных волн, то есть желтый и красный. Они обуславливают характерный цвет неба на закате.
В качестве любопытного факта стоит отметить, что формула, предложенная Рэлеем, относится к рассеянию в малых частицах, находящихся в атмосфере в виде взвеси. Это не относится, например, к каплям воды или кристаллам льда. Рассеяние в более крупных элементах объясняется правилом Ми, описанным в 1908 году. Согласно этому правилу, белый свет, падающий, например, на облака, состоящие из частиц воды и льда, рассеивается одинаково, независимо от длины волны. В результате облака выглядят как белые облака.
Читайте также: Как мы описываем цвета?