Почему небо голубое, а закат красный?
Молекулы воздуха сильнее рассеивают синий свет, чем красный. Голубое небо показывает свет, направленный к нам рассеянием; красный закат связан с потерей большей доли синего на длинном пути через воздух.
Сначала выберите, за каким светом следить
Фраза «синий свет рассеивается сильнее» будто объясняет два противоположных цвета. Днём рассеянный свет делает небо голубым. На закате рассеяние оставляет солнечный свет более красным. Не хватает важной детали: мы следим за светом, отклонившимся от пучка, или за тем, который продолжает идти вдоль него?
Солнечный свет содержит смесь видимых длин волн. У синего света длина волны меньше, чем у красного. Молекулы воздуха сильнее рассеивают короткие волны; это называют рэлеевским рассеянием. Красный свет тоже рассеивается, но слабее. Атмосфера не раскладывает цвета по отдельным окрашенным слоям.
Путь 1: свет отклоняется к нам
Представьте, что смотрите на ясный участок дневного неба в стороне от Солнца. Свет, попадающий оттуда в глаза, не прошёл прямо от Солнца к вам. Сначала он направлялся к воздуху над вами, а затем часть света рассеялась в вашу сторону.
В этой отклонённой смеси доля синего больше, чем в исходном солнечном свете, поэтому участок обычно кажется голубым. Свет рассеивается во многих направлениях. Часть попадает в глаза, большая часть — куда-то ещё. Поэтому у выражения «рассеялся в сторону» всегда нужно уточнять: в сторону от какого первоначального пути?
Путь 2: следим за остатком в пучке
Когда Солнце низко, его свет идёт через атмосферу по более длинному наклонному пути, чем при высоком Солнце. На этом пути из продолжающего движение пучка рассеивается большая доля синего света. Оставшаяся смесь может выглядеть жёлтой, оранжевой или красной.
Это объясняет покраснение прямого солнечного света. Свечение неба рядом — ещё один этап: часть уже покрасневшего света рассеивается к наблюдателю. Эти пути связаны, но не совпадают. Диск Солнца и участок закатного неба — разные объекты наблюдения.
Синий свет не превращается в красный. В этой модели рассеяния уже присутствующие цвета перераспределяются по направлениям. И весь синий не обязан исчезнуть повсюду: разные участки неба связаны с разными путями света. Красный горизонт не означает, что всё небо должно стать красным.
На схеме показаны две разные порции света
Слева проследите синюю стрелку, которая уходит из падающего пучка к наблюдателю. Справа проследите пучок, продолжающий путь через больший слой воздуха. Синие ответвления уходят из него; красная линия продолжается, а более тонкая синяя напоминает: «меньше синего» не обязательно означает «совсем нет».
Стрелки — учебная схема, а не измерение яркости, чертёж в масштабе или траектории отдельных фотонов. Правая часть заканчивается оставшимся пучком; дальнейшее рассеяние его света может направить красноватый свет к наблюдателю закатного неба.
Почему голубой, а не фиолетовый?
У фиолетового света волны ещё короче, и он рассеивается ещё сильнее. Но воспринимаемый цвет зависит также от спектра солнечного света и наших глаз. В солнечном свете фиолетового меньше, чем синего, а глаза менее чувствительны к фиолетовому. Поэтому дневная смесь обычно выглядит голубой, а не фиолетовой.
Это полезное объяснение для прозрачного воздуха, а не полный прогноз любого цвета неба. Облака, взвешенные частицы и многократное рассеяние меняют результат. В конкретный вечер небо может быть облачным или почти без красных оттенков; само по себе это не опровергает модель.
Безопасно сравните два участка неба
- В ясный день встаньте в тени так, чтобы здание или другой непрозрачный предмет полностью закрывали от вас Солнце. Посмотрите на участок неба над головой и другой — ближе к горизонту, в стороне от Солнца. Никогда не смотрите прямо на Солнце, в том числе на закате.
- Запишите для каждого участка три вещи: положение, цвет и наличие облаков или дымки. Позже повторите наблюдение из безопасного места, где Солнце скрыто. Возможны более бледный голубой цвет, тёплые оттенки или почти незаметное изменение; записывайте то, что действительно видите.
- Попробуйте описать возможное объяснение с помощью двух путей света. Такое сравнение фиксирует внешний вид; оно не измеряет длины волн и не отделяет рассеяние молекулами от всех остальных эффектов.
Проследите нужный свет
Выберите объяснение или прочитайте разбор ответов ниже. Главное — различить рассеянный свет и оставшуюся часть пучка.
Ответы и пояснения
- Свет неба рассеян к нам; пучок на длинном пути теряет больше синего.: Верно. Днём мы видим свет, отклонённый к нам. После длинного пути через атмосферу в продолжающем движение солнечном свете относительно больше красного; часть этого света может затем рассеяться к наблюдателю закатного неба.
- Чем дальше идёт синий свет, тем больше он превращается в красный.: В этой модели меняются направления уже существующих цветов. Синие длины волн не превращаются в красные.
- На закате воздух перестаёт рассеивать синий и рассеивает только красный.: Предпочтение рассеяния не сменилось на противоположное. Более длинный путь меняет смесь цветов, оставшуюся в пучке.