Многим из нас дети задавали вопрос: почему небо голубое? Кто-то считает, что на его цвет влияет отражение солнечного света от океана. Кто-то убежден, что это из-за водяного пара в атмосфере. Так что же на самом деле окрашивает наш небосвод в синие оттенки? Давайте разберемся в этом, а также выясним, существуют ли планеты, где небо окрашено по-другому.
Жизненный опыт подсказывает нам, что цвет неба как-то связан с солнечным светом: оно голубое, пока Солнце над горизонтом, но после его заката начинает темнеть и становится совсем черным с россыпями звезд — именно такой вид имеет небосвод на планетах и их спутниках, лишенных атмосферы.
А теперь присмотримся повнимательнее к Солнцу, опускающемуся к горизонту. Несложно заметить, что чем оно ниже — тем краснее его цвет. Иногда оно становится совсем красным и настолько тусклым, что на него можно спокойно смотреть незащищенным глазом. Более того: Луна вблизи горизонта тоже отчетливо «краснеет». Почему это происходит? И как это связано с цветом неба?
На самом деле оба эти явления вызваны одним и тем же физическим процессом, известным как молекулярное рассеяние света. Разберем его детальнее.
Солнце излучает энергию в виде фотонов (квантов света), имеющих различную энергию, которой соответствует разная длина волны излучения: чем энергия выше — тем короче волна. В той части спектра, к которой чувствителен глаз, мы воспринимаем эти «разноэнергетические» фотоны как разные цвета радуги. Коротковолновое излучение мы видим как синий и фиолетовый цвет, длинноволновое — как красный и оранжевый. Наибольшую чувствительность наш глаз имеет к желто-зеленому свету с длиной волны 555 нм. Когда на сетчатку одновременно попадают фотоны с различными длинами волн примерно в одинаковом количестве, наш мозг «синтезирует» из них белый свет.
При отсутствии преград фотоны движутся прямолинейно (для простоты не будем здесь вспоминать релятивистские эффекты) и поступают только от «непосредственного» источника света. Поэтому, например, на Луне мы увидим Солнце на черном небе. Кроме него, мы сможем заметить всего несколько самых ярких звезд и планет: солнечное сияние заставит наши зрачки сузиться, что ограничит чувствительность зрения. Полноценное звездное небо в космосе можно увидеть, лишь укрывшись от ослепительных лучей нашего светила и дав глазам немного времени, чтобы привыкнуть к темноте.
Если на пути электромагнитной волны встретится какой-то предмет, размер которого значительно больше ее длины, она отразится от него или поглотится им. Совсем другая картина будет наблюдаться, если волна столкнется с чем-то мельче себя. Она изменит направление движения, причем иногда довольно сильно — на почти противоположное (опять же, не будем усложнять рассказ тонкостями ее взаимодействия с электронами). И если вокруг нас окажется достаточно таких «рассеивающих частиц», освещенных Солнцем — каждая из них будет время от времени посылать квант света в нашу сторону.
Несложно понять, что в случае Земли такими частицами являются атомы и молекулы атмосферных газов. Они и обеспечивают свечение неба, причем не только днем — даже после захода Солнца до нас доходит его свет, рассеянный верхними слоями атмосферы, для которых оно еще не зашло (благодаря этому возникают сумерки). Но почему это свечение имеет голубой цвет?
Рассеяние света без изменения длины волны в конце XIX века изучал британский физик лорд Рейли, в русскоязычной литературе более известный как Релей, поэтому данное явление получило название релеевского рассеяния. Среди прочего ученый выяснил, что такое рассеяние происходит тем активнее, чем ближе длина электромагнитной волны к размеру препятствия. В видимом спектре при переходе от красного конца к фиолетовому эта длина постепенно приближается к сечению частиц, из которых в основном состоит атмосфера — молекул азота и кислорода. Поэтому они сильнее рассеивают холодные цвета (голубой, синий, фиолетовый). В результате мы видим голубой цвет неба.
С другой стороны, солнечные лучи, проходящие сквозь атмосферу, «теряют» часть коротковолновых фотонов, поэтому Солнце при наблюдении с поверхности Земли кажется желтоватым. Чем ближе оно к горизонту — тем большую толщу атмосферных газов приходится преодолевать его лучам, и тем меньше в них «остается» синего и фиолетового цвета. Поэтому при восходе и закате наше светило становится оранжевым. Когда во время извержений вулканов или песчаных бурь в воздух поднимается много пылевых частиц, по размеру значительно превышающих молекулы, они начинают активно рассеивать также зеленые и желтые лучи, а Солнце у горизонта приобретает кроваво-красный цвет. Таким же оно часто бывает зимой, когда в морозные дни атмосфера насыщается мелкими кристалликами льда. Все описанные эффекты наблюдаются и в случае Луны.
Большинство пассажирских авиалайнеров курсируют на высотах 10,5 км, и оттуда мы можем увидеть уже не голубое, а насыщенно-синее небо. Для пилотов высотных военных самолетов, поднимающихся выше 16 км, небо становится почти черным — именно в пределах этой высоты содержится 99% всей массы земной атмосферы. Это несложно заметить во время прямых трансляций с видеокамер, установленных на внешней поверхности ракет, которые доставляют грузы в космос.
Когда Луна во время полного затмения погружается в тень Земли, она почти никогда не исчезает полностью — мы все равно видим ее, но окрашенную в необычный коричневый цвет. Такой ее делает «смесь» солнечных лучей, прошедших сквозь атмосферу нашей планеты и за счет эффекта рефракции направленных ею к оси земной тени. Опять-таки, в этом «отфильтрованном» свете почти не остается коротковолновой компоненты — фиолетового, синего и зеленого цветов. В результате образуется «кровавый» цвет, заставлявший представителей многих культур в древности считать такие явления предвестниками несчастий и катастроф.
Из всего сказанного уже можно попытаться «вычислить», каким будет цвет неба, к примеру, на Марсе. Молекулы углекислого газа, из которого почти на 97% состоит его атмосфера, примерно в полтора раза больше молекул кислорода и азота, а значит, марсианское небо тоже будет… голубым, разве что со слегка зеленоватым оттенком. Именно это мы и видим на фотографиях, переданных с поверхности Красной планеты, после того, как цветовой баланс на них приводят к стандартному (соответствующему чувствительности человеческого глаза). Лишь во время мощных пылевых бурь небо становится желтым. Конечно, оно имеет меньшую яркость, чем земное, и гораздо быстрее «угасает» после захода Солнца: роскошных земных сумерек на Марсе нет. А будущие альпинисты, которые совершат восхождение на марсианские горы высотой хотя бы 9-10 км, увидят над собой уже абсолютно «космическое» черное небо.
Откровенно синим будет чистое небо на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне — их атмосферы состоят главным образом из водорода, имеющего наименьшие молекулы из всех возможных и, соответственно, наиболее эффективно рассеивающего излучение коротковолнового конца спектра. А вот Венера и сатурнианский спутник Титан — два последних тела Солнечной системы, обладающие плотной газовой оболочкой — наоборот, могут «похвастаться» желтым и даже оранжевым небосводом. Здесь уже главную роль в рассеивании играют атмосферные аэрозоли с достаточно крупными частицами: они активно взаимодействуют не только с коротковолновыми фотонами, но даже с «носителями» красного цвета. Поэтому большую часть дня венерианское небо казалось бы нам желто-горячим (что и подтвердили цветные снимки, переданные советскими зондами «Венера-13» и «Венера-14»), а рассветы и вечерние сумерки на соседней планете, скорее всего, действительно должны иметь кровавый оттенок.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
