Несмотря на научный прогресс и свободный доступ ко множеству источников информации, редкий человек может правильно ответить на вопрос, почему небо голубое.
Почему днем небо синего или голубого цвета?
Белый свет - а именно его излучает Солнце - состоят из семи частей цветового спектра: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Известная еще со школы считалочка - «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан» - как раз и определяет цвета этого спектра по начальным буквам каждого из слов. Каждому цвету соответствует своя длина световой волны: самая большая у красного и самая короткая у фиолетового цвета.
Привычное для нас небо (атмосфера) состоит из твердых микрочастиц, мельчайших капель воды и молекул газа. На протяжении долгого времени существовало несколько ошибочных предположений, пытающихся объяснить, почему небо голубое:
- атмосфера, состоящая из мельчайших частиц воды и молекул различных газов, хорошо пропускает лучи синего спектра и не дает коснуться Земли лучам красного спектра;
- мелкие твердые частицы - к примеру, пыль - взвешенные в воздухе, рассеивают синие и фиолетовые волны меньше всего, и из-за этого им удаётся достигать поверхности Земли в отличие от других цветов спектра.
Эти гипотезы поддерживали многие известные ученые, однако исследования английского физика Джона Рэлея показали, что не твердые частицы являются основной причиной рассеивания света. Именно молекулы газов, находящихся в атмосфере, разделяют свет на цветовые составляющие. Белый солнечный луч, столкнувшись в небе с газовой частицей, разлетается (рассеивается) в разные стороны.
При столкновении с молекулой газа, каждый из семи цветовых компонентов белого света рассеивается. При этом свет с более длинными волнами (красная составляющая спектра, в которую также входит оранжевый и желтый) рассеивается хуже, чем свет с короткими волнами (синяя составляющая спектра). Из-за этого после рассеивания, в воздухе остается в восемь раз больше цветов синего спектра, чем красного.
Хотя и самая короткая длина волны у фиолетового цвета, небо всё равно кажется голубым из-за смешения фиолетовых и зелёных волн. Кроме этого, нашими глазами лучше воспринимается голубой цвет, чем фиолетовый, при одинаковой яркости обоих. Именно эти факты и определяют цветовую гамму неба: атмосфера буквально наполнена лучами сине-голубого цвета.
Почему тогда закат красный?
Однако, небо голубое не всегда. Закономерно возникает вопрос: если мы видим в течение всего дня синее небо, почему закат красный? Выше мы выяснили, что красный цвет меньше всего рассеивается молекулами газа. Во время заката Солнце приближается к горизонту и солнечный луч направлен к поверхности Земли не вертикально, как днем, а под углом.
Поэтому путь, который он проходит через атмосферу, намного больше того, что он проходит днем, когда Солнце стоит высоко. Из-за этого сине-голубой спектр поглощается в толстом слое атмосферы, не доходя до Земли. А более длинные световые волны красно-жёлтого спектра доходят до поверхности Земли, окрашивая небо и облака в характерные для заката красный и жёлтый цвета.
Почему облака белые?
Затронем и тему облаков. Почему на голубом небе белые облака? Для начала вспомним, как они образуются. Влажный воздух, содержащий невидимый пар, нагреваясь у поверхности земли, поднимается и расширяется в силу того, что вверху давление воздуха меньше. Расширяясь, воздух охлаждается. При достижении определенной температуры водяной пар конденсируется вокруг атмосферной пыли и других взвешенных твердых частиц, и в результате образуются крохотные капли воды, слияние которых формирует облако.
Несмотря на свой сравнительно малый размер, частицы воды намного больше молекул газа. И если, встречая молекулы воздуха, солнечные лучи рассеиваются, то при встрече с каплями воды свет отражается от них. При этом изначально белый солнечный луч своего цвета не меняет и одновременно «окрашивает» в белый цвет молекулы облаков.
Мир вокруг нас полон удивительных чудес, но мы нередко не обращаем на них внимания. Восхищаясь чистой голубизной весеннего неба или яркими красками заката, мы даже не задумываемся о том, почему небо меняет цвет с изменением времени суток.
Мы привыкли к яркой синеве в погожий солнечный день и к тому, что осенью небосвод становится мглисто-серым, теряя свои яркие краски. Но если спросить современного человека о том, почему так происходит, то подавляющее большинство из нас, когда-то вооруженных школьными знаниями физики, вряд ли смогут дать ответ на этот простой вопрос. Между тем, в объяснении нет ничего сложного.
Что такое цвет?
Из школьного курса физики нам должно быть известно, что различия в цветовом восприятии предметов зависят от длины световой волны. Наш глаз способен различать только довольно узкий диапазон волнового излучения, причем наиболее короткими являются волны синего цвета, а наиболее длинными – красного. Между этими двумя основными цветами лежит вся наша палитра цветового восприятия, выраженная волновым излучением в разных диапазонах.
Белый солнечный луч на самом деле состоит из волн всех цветовых диапазонов, в чем легко убедиться, пропустив его через стеклянную призму – этот школьный опыт вы наверняка помните. Для того, чтобы запомнить последовательность изменения длин волн, т.е. последовательность цветов спектра дневного света, придумана забавная фраза про охотника, которую каждый из нас выучил в школе: Каждый Охотник Желает Знать и т.д.
Поскольку красные световые волны наиболее длинные, то они меньше других подвержены рассеиванию при прохождении . Поэтому когда нужно визуально выделить какой-то предмет, используют преимущественно красный цвет, хорошо различимый издалека в любую погоду.
Поэтому запрещающий сигнал светофора или любой другой световой сигнал предупреждения об опасности – это красный, а не зеленый или синий цвет.
Почему на закате небо становится красным?
В вечерние часы перед закатом солнечные лучи падают на поверхность земли под углом, а не прямо. Им приходится преодолевать гораздо более толстый слой атмосферы, чем в дневное время, когда поверхность земли освещается прямыми лучами Солнца.
В это время атмосфера выполняет роль цветового фильтра, который рассеивает лучи практически всего видимого диапазона, кроме красных – наиболее длинных и поэтому наиболее устойчивых к помехам. Все остальные световые волны либо рассеиваются, либо поглощаются частицами водяных паров и пыли, присутствующими в атмосфере.
Чем ниже опускается Солнце по отношению к горизонту, тем более толстый слой атмосферы приходится преодолевать световым лучам. Поэтому их цвет все больше смещается в сторону красной части спектра. С этим явлением связана народная примета, говорящая о том, что красный закат предвещает сильный ветер на следующий день.
Ветер зарождается в высоких слоях атмосферы и на большом удалении от наблюдателя. Косые солнечные лучи высвечивают наметившуюся зону атмосферного излучения, в которой намного больше пыли и паров, чем в спокойной атмосфере. Поэтому перед ветреным днем мы видим особенно красный, яркий закат.
Почему днем небо голубое?
Различиями в длине световых волн объясняется и чистая синева дневного неба. При падении солнечных лучей прямо на поверхность земли преодолеваемый ими слой атмосферы имеет наименьшую толщину.
Рассеяние световых волн происходит при их столкновении с молекулами газов, составляющих воздух, и в этой ситуации наиболее устойчивым оказывается коротковолновой световой диапазон, т.е. синие и фиолетовые световые волны. В погожий безветренный день небо приобретает удивительную глубину и синеву. Но почему мы тогда видим синий, а не фиолетовый цвет неба?
Дело в том, что клетки человеческого глаза, отвечающие за цветовосприятие, намного лучше воспринимают синий, чем фиолетовый цвет. Все же фиолетовый слишком близок к границе диапазона восприятия.
Вот почему небо мы видим ярко-синим, если в атмосфере отсутствуют рассеивающие компоненты, кроме молекул воздуха. Когда в атмосфере появляется достаточно большое количество пыли – например, жарким летом в городе – небо будто выцветает, теряя свою яркую синеву.
Серое небо непогоды
Теперь понятно, почему осеннее ненастье и зимняя слякоть делают небо беспросветно серым. Большое количество водяных паров в атмосфере приводят к рассеиванию всех без исключения компонентов белого светового луча. Световые лучи дробятся в мельчайших капельках и молекулах воды, теряя свое направление и смешиваясь по всему диапазону спектра.
Поэтому до поверхности доходят световые лучи, будто пропущенные через гигантский рассеивающий плафон. Мы воспринимаем это явление как серовато-белый цвет неба. Стоит удалить влагу из атмосферы, как небосвод вновь становится ярко-синим.
Одной из отличительных черт человека является любознательность. Наверное, каждый, будучи ребенком, смотрел на небо и задавался вопросом: «почему небо голубое?». Как оказывается, ответы на такие, кажется, простые вопросы требуют некоторой базы знаний в области физики, а потому не каждый родитель сможет верно объяснить ребенку причину указанного явления.
Рассмотрим данный вопрос с научной точки зрения.
Диапазон длин волн электромагнитного излучения охватывает почти весь спектр электромагнитного излучения, в который входит и видимое для человека излучение. На представленном ниже изображении показана зависимость интенсивности излучения Солнца от длины волны этого излучения.
Анализируя данное изображение, можно отметить тот факт, что видимое излучение также представлено неравномерной интенсивностью для излучения различных длин волн. Так относительно малый вклад в видимое излучение дает фиолетовый цвет, и наибольший – синий и зеленый цвета.
Почему небо голубое?
Прежде всего на этот вопрос нас наталкивает тот факт, что воздух – бесцветный газ и не должен излучать синий свет. Очевидно, что причиной подобного излучения является наша звезда.
Как известно, белый свет на самом деле является комбинацией излучения всех цветов видимого спектра. С помощью призмы можно явно разложить свет на весь диапазон цветов. Подобный эффект возникает в небе после дождя и образует радугу. Когда же солнечный свет попадает в земную атмосферу, он начинает рассеиваться, т.е. излучение меняет свое направление. Однако, особенность состава воздуха такова, что при попадании света в него, излучение с короткой длиной волны рассеивается сильнее, чем длинноволновое излучение. Таким образом, беря во внимание изображенный ранее спектр, можно заметить, что красный и оранжевый свет, практически не будут менять своей траектории, проходя через воздух, в то время как фиолетовое и голубое излучения будут заметно менять свое направление. По этой причине в воздухе возникает некий «блуждающий» коротковолновый свет, который постоянно рассеивается в этой среде. В результате описанного явления, кажется, что коротковолновое излучение видимого спектра (фиолетовый, голубой, синий) излучается в каждой точке неба.
Общеизвестный факт восприятия излучения состоит в том, что глаз человека может уловить, увидеть, излучение только в том случае, если оно непосредственно попало в глаз. Тогда, смотря в небо, Вы вероятнее всего будете видеть оттенки того видимого излучения, длина волны которого наименьшая, так как именно оно рассеивается в воздухе лучше всего.
Почему же смотря на Солнце Вы не видите отчетливо красный цвет? Во-первых, внимательно рассмотреть Солнце человеку вряд ли удастся, так как интенсивное излучение может повредить зрительный орган. Во-вторых, несмотря на существование такого явления как рассеяние света в воздухе, все же большая часть света, излучаемого Солнцем, доходит до поверхности Земли не подвергаясь рассеиванию. А потому все цвета видимого спектра излучения совмещаются, формируя свет с более выраженным белым цветом.
Вернемся к рассеянному воздухом свету, цвет которого, как мы уже определили, должен иметь наименьшую длину волны. Из видимого излучения наименьшей длиной волны обладает фиолетовый, следом идет голубой, и несколько длиннее волны имеет синий цвет. Принимая во внимание неравномерную интенсивность излучения Солнца, становится ясно, что вклад фиолетового цвета мизерный. Поэтому наибольший вклад в рассеянное воздухом излучение несет голубой цвет, а следом – синий.
Почему закат красный?
В случае, когда Солнце прячется за горизонт, мы можем наблюдать то самое длинноволновое излучение красного-оранжевого цвета. В данном случае свет от Солнца должен пройти заметно большее расстояние в атмосфере Земли, прежде чем достигнет глаз наблюдателя. В месте, где излучение Солнца начинает взаимодействовать с атмосферой, наиболее выраженными являются голубой и синий цвета. Однако, с расстоянием коротковолновое излучение теряет свою интенсивность, так как значительно рассеивается по пути. В то время как длинноволновое излучение отлично справляется с преодолением таких больших расстояний. Вот почему Солнце красное на закате.
Как было упомянуто раньше, хоть длинноволновое излучение и слабо рассеивается в воздухе, все же рассеяние имеет место быть. Поэтому находясь на горизонте, Солнце излучает свет, из которого до наблюдателя доходит лишь излучение красно-оранжевых оттенков, которое несколько успевает рассеяться в атмосфере, образуя ранее упомянутый «блуждающий» свет. Последний и окрашивает небо в пестрые оттенки красного и оранжевого цвета.
Почему облака белые?
Говоря об облаках, известно, что они состоят из микроскопических капелек жидкости, которая рассеивает видимый свет почти равномерно, независимо от длины волны излучения. Тогда рассеянный свет, направленный во все стороны от капельки, рассеивается вновь на других капельках. При этом комбинация излучений всех длин волн сохраняется, и облака «светятся» (отражаются) белым цветом.
Если погода пасмурная, то солнечное излучение доходит до поверхности Земли в незначительном количестве. В случае с большими облаками, или их большим количеством, некоторая доля солнечного света поглощается, потому небо тускнеет и принимает окрас серого цвета.
В дневное время безоблачное небо носит привычно голубой цвет. В ночное же оно становится черным. Но во время заката оно всегда окрашивается в ярко-красный. Почему же это происходит, по какой причине по небесам разливается именно багряный оттенок? Пожалуй, многие люди уже неоднократно задавались этим вопросом, и потому имеет смысл дать на него исчерпывающий ответ.
Закат подкрашивается лучами заходящего солнца, это понятно многим. Но почему же это именно красный, а не оранжевый или другой цвет?
Особенности цветового спектра
Перед тем, как достигнуть поверхности земли, где его могут созерцать люди, солнечный свет должен пройти через всю воздушную оболочку планеты. Свет имеет широкий спектр, в котором все же выделяются основные цвета, оттенки радуги. Из этого спектра красный цвет имеет наиболее длинную световую волну, в то время как фиолетовый – самую короткую. При закате солнечный диск стремительно краснеет и устремляется все ближе к линии горизонта.
При этом свету приходится преодолевать все большую толщу воздуха, и часть волн при этом теряется. Сначала исчезает фиолетовый, затем синий, голубой. Наиболее длинные волны красного цвета продолжают проникать до поверхности Земли до последнего, и потому солнечный диск и ореол вокруг него до последних моментов имеют красноватые оттенки.
Материалы по теме:
Как образуются облака?
Почему днем небо голубое ?
Длинные световые волны могут проникать вглубь атмосферы по той причине, что они почти не поглощаются, не рассеиваются аэрозолями и взвесями, которые постоянно циркулируют в атмосфере планеты. Когда светило находится ближе к зениту, складывается иная ситуация, которая обеспечивает небу голубизну. Синий цвет имеет более короткие волны, чем красный, и он сильнее поглощается. Но его способности к рассеиванию выше в 4 раза по сравнению с красным.
Когда солнце находится в зените или близко к данной отметке, небо всегда синее. Это связано с тем, что слой воздуха между планетой и светилом в этот момент небольшой, и синие, голубые волны проходят свободно. Они имеют большую способность к рассеиванию, и потому успешно заглушают другие цвета и оттенки. Потому этот цвет доминирует на небосводе на протяжении практически всего светового дня.
Дневное светило многие тысячелетия верой и правдой служило для человека источником тепла и света. Без его ласковых лучей не может существовать всё живое на земле. И всё же иногда этот заботливый отец превращается в злобного отчима, заставляя высыхать водоёмы и выгорать посевы, обрекая людей и животных на голодную смерть.
Именно поэтому солнце во многих культурах служило предметом истового поклонения и одновременно настороженного отношения. Любое изменение, происходящее с обликом этого светила всегда воспринималось людьми как признак грядущих перемен: плохих или хороших. Пугающее солнечное затмение связывали с наступлением конца света, а солнце, появляющееся во время дождя, предсказывало чьё-то утопление.
Необычно красное светило тоже имеет несколько значений. Самое мрачное предсказание гласит, что если солнечный диск сохраняет такой цвет длительное время во время засухи, то грядёт большое кровопролитие. Однако все остальные приметы, связанные с ярко-красным оттенком дневного светила, далеко не так страшны и предупреждают в основном о перемене погоды.
Багрянец на закате
На вечерней заре стоит обратить внимание не только на цвет солнечного диска, но и на сопутствующие обстоятельства.
- Если красное солнце уходит за безоблачный горизонт, то следующий день обещает быть погожим. А вот светило, опускающееся в тучи, пророчит ненастье: зимой – вьюгу, а летом – дожди.
- Наступление непогоды предвещает и цвет закатного неба. Если солнце сообщает ему свой багряный оттенок ещё до того, как спрячется за горизонтом, то неприятных перемен погоды стоит ожидать уже через несколько часов. Небо зарумянилось уже после исчезновения диска с небосвода? Дожди зарядят ещё только через пару дней.
- Багряный закат наблюдается при ветрах, «стелющихся» у самой земли? Следует подготовиться к долгому периоду ветреной погоды и даже к настоящей буре.
- Если красные лучи заката пробиваются сквозь облачность в ненастную погоду, то на близкое улучшение надеяться не стоит. Однако, примета «работает» только тогда, когда это явление наблюдается на севере и юге. Такая же алая подсветка облаков на востоке и западе обещает прекращение ненастья.
- В летнюю пору заметили, что солнце бросает красные отсветы лишь на северную сторону неба. Приметы предупреждают, что поутру весьма вероятны заморозки.
Алая заря
- Чаще всего красный цвет восходящего дневного светила указывает на активное движение воздушных масс. Следовательно, это явление с высокой вероятностью предсказывает сильный ветер.
- Другая примета предупреждает, что если заря красная летом, то следует ожидать дождей, а зимой такое же явление сулит сильные морозы.
- Если солнце на восходе окрасило в багряный цвет всё небо, то через пару дней наступит ненастье. Заметили, что к красному оттенку добавились и другие – готовьтесь к скорой непогоде.
- В пасмурную погоду пробивающиеся сквозь тучи багряные лучи восходящего дневного светила предсказывают, что ненастье закончится ещё не скоро, а в течение дня непременно пойдёт дождь (летом) или снег (зимой).