Дневное небо и красный закат окрашивает один и тот же воздух. Меняется только длина пути солнечного света через атмосферу. А привычное объяснение «голубой рассеивается сильнее» оставляет ещё один хороший вопрос: почему небо тогда не фиолетовое?
2. Белый свет состоит из цветов
Солнечный свет кажется белым, но содержит множество длин волн видимого диапазона. Красному соответствуют более длинные волны, синему и фиолетовому — более короткие. В вакууме они спокойно летят вместе.
В атмосфере свет встречается с молекулами азота и кислорода, которые гораздо меньше длины световой волны. Такие частицы рассеивают излучение по механизму Рэлея. Интенсивность рассеяния быстро растёт с уменьшением длины волны — примерно обратно пропорционально её четвёртой степени.
Поэтому синий свет рассеивается значительно сильнее красного. Когда мы смотрим в сторону от Солнца, в глаз попадает синий свет, пришедший от молекул по всему небу. Так почти прозрачный воздух создаёт голубой купол.
3. Почему не фиолетовое
Фиолетовые волны ещё короче синих и должны рассеиваться сильнее. Но цвет неба определяет не только физика рассеяния. Нужно учесть спектр Солнца, поглощение в атмосфере и устройство человеческого зрения.
В солнечном свете у поверхности Земли фиолетовой составляющей меньше, чем можно было бы ожидать из одной формулы. Часть коротковолнового света поглощается в верхней атмосфере. Кроме того, человеческий глаз намного менее чувствителен к глубокому фиолетовому, чем к синему и зелёному.
Сигналы трёх типов цветочувствительных клеток сетчатки смешиваются. Рассеянный спектр возбуждает их так, что мозг воспринимает небо как голубое или сине-голубое, а не как чисто спектральный фиолетовый цвет.
4. Что меняется на закате
Когда Солнце высоко, его лучи входят в атмосферу относительно коротким путём. На закате они идут к наблюдателю почти вдоль поверхности и проходят через гораздо большую толщу воздуха.
Короткие синие и фиолетовые волны успевают рассеяться в стороны. В прямом луче, который приходит от низкого Солнца, остаётся больше длинноволнового жёлтого, оранжевого и красного света. Поэтому солнечный диск и облака на западе окрашиваются тёплыми цветами.
Красный свет не начинает распространяться быстрее и не «усиливается» сам по себе. Просто из исходной смеси по дороге удаляется большая доля коротких волн. Мы видим остаток после долгого атмосферного фильтра.
5. Пыль может украсить и испортить
Крупные частицы пыли, дыма, соли и водяные капли рассеивают свет иначе, чем отдельные молекулы. Здесь важным становится рассеяние Ми, которое слабее зависит от длины волны и сильнее направлено вперёд.
Небольшое количество аэрозолей способно сделать закат ярче и насыщеннее. После крупных вулканических извержений необычные сумеречные краски наблюдают на больших территориях. Но очень загрязнённый или влажный воздух часто делает небо белёсым.
По цвету одного заката нельзя надёжно определить состав воздуха. На картину влияют высота облаков, влажность, размер частиц и направление наблюдения. Красивое небо — ещё не сертификат экологической чистоты.
На Марсе тонкая атмосфера наполнена мелкой пылью. Днём она придаёт небу рыжеватый оттенок, а возле заходящего Солнца может появляться голубоватое сияние. Это показывает, что частицы другого размера и состава перераспределяют свет иначе.
На большой высоте земное небо обычно темнее и насыщеннее: над наблюдателем меньше воздуха, который повторно рассеивает свет. В городах к естественной картине добавляется искусственная засветка, отражённая аэрозолями и облаками.
Поляризация даёт ещё одно подтверждение механизма. Рассеянный свет частично поляризован, особенно примерно под прямым углом к направлению на Солнце. Поэтому фотографический поляризационный фильтр затемняет разные участки неба неодинаково.
6. Что говорит наука
Рэлеевское рассеяние света молекулами воздуха подтверждено лабораторными измерениями и наблюдениями атмосферы. NOAA и NASA одинаково объясняют голубое небо более эффективным рассеянием коротких волн, а красные закаты — длинным путём света и потерей синей части прямого луча.
Подтверждено и влияние аэрозолей: частицы, сравнимые с длиной волны, меняют яркость, направление и цвет рассеянного света. Конкретный оттенок каждого заката определяется текущим распределением газов, влаги, пыли и облаков.
Формула с четвёртой степенью хорошо описывает молекулярное рассеяние, но сама по себе не предсказывает субъективный цвет. Для этого требуется учесть солнечный спектр и чувствительность глаза.
7. Итог
Ответ на вопрос заголовка таков: днём мы видим коротковолновый свет, рассеянный со всех сторон, а на закате — прямой луч, из которого большая часть синего уже ушла. Одно явление рисует две противоположные палитры.
Поделитесь статьёй с тем, кто хоть раз останавливался посмотреть на хороший закат.
