Когда ветер накидывает на красивое голубое небо белую пушистую прозрачную накидку, люди начинают всё чаще посматривать наверх. Если оно при этом ещё и надевает на себя большую серую шубу с серебряными нитями дождя, то окружающие прячутся от него под зонтами. Если наряд тёмно-фиолетового цвета, то все сидят дома и желают увидеть солнечное голубое небо.

И только когда появляется такое долгожданное солнечное голубое небо, которое одевает на себя ослепительно голубое платье, украшенное золотистыми солнечными лучами, люди радуются – и улыбаясь, покидают дома в ожидании хорошей погоды.

Теории ранних веков

Вопрос о том, почему небо голубое, волновал людские умы ещё с незапамятных времён. Греческие легенды нашли свой ответ. Они утверждали, что этот оттенок ему придаёт чистейший горный хрусталь.

Во времена Леонардо да Винчи и Гете также искали ответ на вопрос, почему небо голубое. Они считали, что голубой цвет неба получается при смешивании света с темнотой. Но позже эта теория была опровергнута как несостоятельная, поскольку оказалось, что комбинируя эти цвета, можно получить лишь тона серого спектра, но никак не цветного.


Через некоторое время ответ на вопрос, почему небо голубое, попытались объяснить в 18 веке Мариотт, Бугер и Эйлер. Они считали, что это естественный цвет частиц, из которых состоит воздух. Теория эта была популярна даже в начале следующего века, особенно когда было установлено, что жидкий кислород – голубого, а жидкий озон – синего тонов.

Первым более-менее толковую идею подал Соссюр, который предположил, чтобы если бы воздух был полностью чистым, без примесей, небо оказалось бы чёрным. Но поскольку атмосфера содержит в себе различные элементы (например, пар или водяные капли), то они, отражая цвет, придают небу нужный оттенок.

После этого учёные начали всё ближе и ближе подбираться к истине. Араго открыл поляризацию, одну из характеристик рассеянного света, который отбивается от небосвода. В этом открытии ученому однозначно помогла физика.  Позже искать ответ принялись и другие исследователи. При этом вопрос, почему небо голубое настолько интересовал ученых, что для его выяснения было проведено огромное количество различных экспериментов, которые привели к мысли, что главная причина появления голубого цвета в том, что лучи нашего Солнца попросту рассеиваются в атмосфере.

Объяснение


Первым, кто создал математически обоснованный ответ молекулярного рассеяния света, оказался британский исследователь Рэлей. Он выдвинул предположение, что свет рассеивается не из-за примесей, которыми обладает атмосфера, а из-за самих молекул воздуха. Его теория получила развитие – и вот к каким выводам пришли учёные.

Солнечные лучи пробиваются на Землю через её атмосферу (толстый слой воздуха), так называемую воздушную оболочку планеты. Темное небо полностью наполнено воздухом, который несмотря на то, что полностью прозрачен, пустотой не является, а состоит из молекул газа – азота (78%) и кислорода (21%), а также водяных капель, пара, ледяных кристаллов и небольших кусочков твёрдого материала (например, частичек пыли, сажи, пепла, океанской соли и т.п.).

Некоторым лучам удаётся свободно пройти между газовыми молекулами, полностью минуя их, а потому без изменений достигнуть поверхности нашей планеты, но большинство лучей сталкиваются с газовыми молекулами, которые приходят в возбуждённое состояние, получают энергию и выпускают в различные стороны разноцветные лучи, полностью окрашивая небо, в результате чего мы видим солнечное голубое небо.

Белый свет сам по себе состоит из всех цветов радуги, которую нередко можно увидеть, когда он раскладывается на составные части. Так получилось, что молекулы воздуха больше всего рассеивают синий и фиолетовый цвета, поскольку они являются наиболее короткой частью спектра, поскольку имеют наименьшую длину волны.

При смешивании в атмосфере синего и фиолетового цветов с небольшим количеством красного, жёлтого и зелёного, небо начинает «светиться» голубым цветом.


Поскольку атмосфера нашей планеты не однородна, а довольно разная (возле поверхности Земли более плотная, чем наверху), она имеет разную структуру и свойства, мы можем наблюдать переливы голубого цвета. Перед закатом или восходом, когда длина солнечных лучей значительно увеличивается, синие и фиолетовые цвета рассеиваются в атмосфере и до поверхности нашей планеты абсолютно не доходят. Успешно добираются жёлто-красные волны, которые мы и наблюдаем на небосводе в этот период времени.

Окрас неба на других планетах

Поскольку цвет неба во многом зависит от атмосферы, нет ничего удивительного в том, что на разных планетах оно различного цвета. Интересно, что такого же цвета, как на нашей планете, атмосфера у Сатурна.

Очень красивого аквамаринового цвета небеса Урана. Атмосфера на нём состоит в основном из гелия и водорода. В ней также присутствует метан, который полностью поглощает красный и рассеивает зелёный и голубой цвета. Синего цвета небеса Нептуна: в атмосфере этой планеты нет столько гелия и водорода, как у нашей, но много метана, который нейтрализует красный свет.

iv>

Атмосфера на Луне, спутнике Земли, а также на Меркурии и Плутоне полностью отсутствует, следовательно, световые лучи не отражаются, поэтому небесный свод здесь чёрный, а звёзды легко различимы. Синие и зелёные цвета солнечных лучей полностью поглощаются атмосферой Венеры, и когда Солнце возле горизонта, небеса здесь жёлтые.

В воздухе Марса присутствует чрезвычайно много пыли красного цвета. Небо там днём жёлто-оранжевого оттенка, около Солнца – голубовато-фиолетового, во время восхода и захода – красновато-розовое, и оно является негативом нашей планеты.

Небо Юпитера всегда пасмурное. По некоторым предположениям, у него нет твёрдой поверхности. Он полностью состоит из газа, который чем ближе к ядру, тем становится плотнее, а над собой образует облака. Самые нижние голубого цвета, над ними – коричневые и белые, ещё выше – красные. Верхний слой этой планеты состоит из многокилометрового серого тумана.

Источник: awesomeworld.ru

На нашем сайте вы уже могли прочитать, что такое цвет. Но сколько существует разных цветов, что делает окружающие нас вещи цветными? И научное познание на много таких вопросов уже может дать ответ. Например, объяснить цвет неба.


Что делает окружающие нас вещи цветными? Как объяснить цвет неба?

Для начала нужно будет упомянуть о великом Исааке Ньютоне, который наблюдал разложение белого солнечного света при прохождении его через стеклянную призму. То, что он увидел, теперь называется явлением дисперсии, а сама разноцветная картина – спектр. Получившиеся цвета в точности соответствовали цветам радуги. То есть, Ньютон наблюдал радугу в лаборатории! Именно благодаря его опытам в конце 18 века было установлено, что белый свет представляет собой смесь различных цветов. Причем, тот же Ньютон доказал, что если разложенный в спектр свет снова смешать, то получится белый свет. В 19 веке было показано, что свет – это распространяющиеся с огромной скоростью в 300 000 км/с электромагнитные волны. А уже в начале прошлого века эти знания были дополнены идеей кванта света – фотона. Таким образом, свет имеет двойственную природу – и волны, и частицы. Это объединение и стало объяснением многих явлений, в частности, спектра теплового излучения нагретых тел. Таких, каким является и наше Солнце.

После такого вступления пора перейти к нашей теме. Голубой цвет неба… Кто не восхищался им хотя бы пару раз в жизни! Но так ли просто сказать, что всему виной рассеяние света в атмосфере? А почему тогда цвет неба не голубой при свете полной луны? А почему голубой цвет не одинаков на всех участках неба? А что случается с цветом неба при восходе и заходе Солнца? Ведь оно может быть и желтого, и розового и даже зеленого цвета. Но все же это особенности рассеяния. Поэтому рассмотрим его подробнее.

>

Объяснение цвета неба и его особенностей принадлежит английскому физику Джону Уильяму Рэлею, изучавшему рассеяние света. Именно он указал на то, что цвет неба определяется зависимостью рассеяния от частоты света. Излучение Солнца, попадая в атмосферу Земли, взаимодействует с молекулами газов, входящих в состав воздуха. А так как энергия светового кванта — фотона увеличивается с уменьшением длины световой волны, то наиболее сильное воздействие на молекулы газов, точнее – на электроны в этих молекулах, оказывают фотоны голубой и фиолетовой части светового спектра. Придя в вынужденные колебания, электроны отдают назад в виде фотона излучения взятую у световой волны энергию. Только эти вторичные фотоны уже излучаются во всех направлениях, а не только в направлении первоначально падающего света. Это и будет процессом рассеяния света. Кроме этого, нужно учитывать и постоянное движение воздуха, и флуктуацию его плотности. В противном случае мы бы наблюдали черное небо.

А теперь возвратимся к тепловому излучению тел. Энергия в его спектре распределена неравномерно и описывается на основе законов, установленных немецким физиком Вильгельмом Вином. Таким же неравномерным за энергиями фотонов будет и спектр нашего Солнца. То есть фотонов фиолетовой его части будет много меньше, чем фотонов из голубой и тем более синей. Если учесть еще физиологию зрения, а именно максимальную чувствительность нашего глаза к сине-зеленому цвету, то мы в итоге получаем небо голубого или синего цвета.


Если учесть физиологию зрения, а именно максимальную чувствительность нашего глаза к сине-зеленому цвету, то мы в итоге получаем небо голубого или синего цвета

Следует учесть, что чем длиннее путь солнечного луча в атмосфере, тем меньше в нем остается непровзаимодействовавших фотонов из голубой и синей области спектра. Поэтому цвет неба неравномерный, а утренний или вечерний цвета желто-красные из-за большого пути света через атмосферу. Кроме этого, пыль, дым, другие частицы, содержащиеся в воздухе, также сильно влияют на рассеяние света в атмосфере. На эту тему можно вспомнить знаменитые лондонские картины Клода РњРѕРЅРµ. Или воспоминания о катастрофе 1883 года, случившейся при извержении вулкана Кракатау. Пепел от извержения, попавший в атмосферу, обусловил синеватый цвет Солнца во многих странах тихоокеанского региона, а также красные зори, наблюдавшиеся по всей Земле. Но эти эффекты уже объясняются другой теорией – теорией рассеяния на частицах, соизмеримых с длиной световой волны. Эту теорию предложил миру немецкий физик Густав Ми. Главная идея ее – такие частицы вследствие своих относительно больших размеров сильнее рассеивают красный свет, а не синий или фиолетовый.

Таким образом, цвет неба – не просто источник вдохновения для поэтов и художников, а следствие тонких физических законов, которые удалось раскрыть человеческому гению.

Источник: www.psciences.net


Пыль или молекулы?

Все это прекрасно, но наше небо заполнено воздухом, а не жидкостью, и в небе не плавают кусочки мыла или молока… Что за частицы рассеивают свет в воздухе? Тиндаль и Рэлей полагали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара, которые взвешены в атмосфере в точности как частички молока взвешены в воде.

Это ошибочное мнение, хотя и сегодня некоторые люди говорят, что цвет неба определяется паром и пылью. Если бы это было так, то цвет неба менялся бы гораздо сильнее в зависимости от влажности или тумана, чем он меняется на самом деле. Поэтому ученые предположили (правильно!), что для объяснения рассеяния достаточно молекул кислорода и азота. Это сам воздух, вернее, его молекулы рассеивают свет!

Вопрос окончательно решил Альберт Эйнштейн в 1911 году, который рассчитал детальную формулу для рассеяния света в зависимости от молекул и дальнейшие эксперименты блестяще подтвердили его вычисления. Говорят, Эйнштейн даже смог использовать свои расчеты в качестве дополнительной проверки числа Авогадро!

Почему небо голубое, а не фиолетовое?


Кстати, если синий свет рассеивается в 10 раз больше, чем красный, то еще более короткие фиолетовые волны должны рассеиваться больше, чем синие! Возникает вопрос: почему небо не выглядит фиолетовым?

Во-первых, спектр излучения света от солнца не является одинаковым на всех длинах волн — максимум энергии в спектре Солнца приходится на зеленый свет. Во-вторых, коротковолновый фиолетовый свет активно поглощается в верхних слоях атмосферы (как и ультрафиолет!), поэтому в до поверхности Земли доходит меньше фиолетового, чем синего.

Наконец, третья причина — наши глаза менее чувствительны к фиолетовому свету, чем к синему.

У нас есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек, в сетчатке глаз. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они наиболее сильно реагируют на свет именно на этих длинах волн. Но на самом деле, они способны улавливать и свет других длин волн, перекрывая весь спектр.

Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света, но также — менее сильно — на оранжевые и желтые длины волн. Зеленые колбочки реагируют на жёлтые и более сильно рассеянные зелёные и зелено-синие волны. Наконец, синие колбочки стимулируются цветами синих длин волн, которые очень сильно рассеиваются.


ли бы в спектре не было синего и фиолетового, небо казалось бы голубым с легким зеленоватым оттенком. Но наиболее сильно рассеивающиеся волны синего и фиолетового цветов слегка стимулируют и красные колбочки, поэтому эти цвета кажутся синими с добавленным красным оттенком. Общий эффект заключается в том, что когда мы смотрим на небо, красные и зеленые колбочки стимулируются примерно одинаково, а синие стимулируются сильнее. Эта комбинация в итоге и образует голубое или синее небо.

Прекрасные закаты

Что может быть красивее тихих закатов на берегу моря или в степи? Когда воздух чистый и прозрачный, закат будет желтого цвета, точно как луч фонарика, пересекший стакан с раствором мыла: часть синего света рассеется и общий цвет Солнца сместится к красному концу спектра.

Другое дело, если воздух загрязнен мелкими частицами — гарью, пылью, смогом. В этом случае закат будет оранжевым и даже красным. Закаты над морем также могут быть оранжевыми из-за частиц соли, взвешенных в воздухе, которые могут создавать эффект Тиндаля. Небо вокруг солнца видно покрасневшим, а также свет, идущий прямо от солнца. Это связано с тем, что весь свет рассеивается относительно хорошо под небольшими углами, но тогда синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды и более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.

Облака, голубая Луна и голубая дымка

Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длин волн света. Такие частицы будут одинаково рассеивать все длины волн (рассеяния Ми).

Но иногда в воздухе могут быть частицы гораздо меньших размеров. Некоторые горные районы славятся своей голубой дымкой. Аэрозоли терпенов из растительности вступают в реакцию с озоном в атмосфере, образуя мелкие частицы диаметром около 200 нм, которые отлично рассеивают синий свет.

Лесной пожар или извержение вулкана могут иногда заполнять атмосферу мелкими частицами диаметром 500–800 нм, что является подходящим размером для рассеивания красного света. Это дает противоположность обычному эффекту Тиндаля и может привести к тому, что Луна приобретет синий оттенок, так как красный свет от Луны рассеян этими частицами. Настоящая голубая Луна — очень редкое явление!

Почему небо Марса красное?

Вот мы добрались и до Марса, небо на котором, судя по снимкам марсоходов и автоматических спускаемых аппаратов, то рыжее, то песочно-желтое, то серовато-голубое… Какое оно на самом деле?

Согласно физике, марсианское небо должно быть голубым. Оно и есть голубое, но только когда атмосфера на Красной планете спокойна. Однако на Марсе, как известно, часто дуют ветра. Несмотря на то что атмосфера планеты крайне разрежена, ветра способны поднимать миллионы тонн песка и пыли устраивать настоящие песчаные бури. Некоторые бури способны скрыть почти всю поверхность Марса!

После таких бурь в воздухе еще долго остаются взвешенными частички богатой железом пыли. Цвет этой пыли красный (это ржавчина), соответственно и небо на Марсе окрашивается в желтовато-оранжевый цвет.

Отражательные туманности

Наконец, заглянем далеко в космос, туда, где сейчас рождаются звезды.

Вот целый комплекс из космических газопылевых облаков, расположенный на границе созвездий Змееносца и Скорпиона. Обратите внимание: часть облаков ярко светится красноватым свечением, другая часть, наоборот, поглощает свет и напоминает черные провалы. Наконец, третья часть имеет голубоватый цвет.

Все три типа облаков состоят в основном из водорода с небольшой примесью пыли и молекул. Почему же они выглядят по-разному? Все дело в их температуре. Нагретые светом погруженных в них звезд, облака начинают сами светиться. Красное свечение — излучение водорода. Очень холодные облака, наоборот, поглощают свет и потому непрозрачны для нас. Наконец, холодные, но расположенные недалеко от ярких звезд облака выглядят голубоватыми. Они отражают свет звезд, рассеивая его так же, как и атмосфера Земли!

Источник: skygazer.ru

Какого цвета солнечный свет?

Чтобы разобраться с цветом неба, нужно, для начала, выяснить какой цвет имеет солнечный свет. Этот вопрос кажется элементарным.
«Желтый» — скажет вам малыш, но  тут ему придется удивиться в первый раз.
«А вот и не желтый!»
O_O – примерно такие глаза будут у малыша (с папой явно что-то не так).
«Да вон же, подними голову, папа! Оно же желтое!»
«А вот и нет!» Дальше папа делает авторитетное лицо и говорит:
«На самом деле цвет солнца и его лучей – белый, а то, что мы видим его желтым, это потому, что таким он становиться после прохождения через воздух».

Из чего состоит белый цвет?

«Какие цвета ты знаешь?» — спрашивает папа ребенка.
«Зеленый, желтый, красный, белый…» — начинает перечислять малыш.
«Умница! Все те цвета, которые ты перечислил, кроме белого – это простые цвета. А вот белый цвет — он особенный!  В природе не бывает просто белого цвета, но он появляется, если собрать вместе все простые цвета.
Это как в игре, когда нужно собрать части какого-то предмета. Вот ты берешь одну часть, вторую, третью и т.д., а когда соберешь все – ТАДАМ! Получаешь целый  предмет! Так и белый цвет – он состоит из всех цветов, и если хоть какой-то цвет из него забрать, он уже не будет белым. Понятно?»
«Ага» — кивает малыш.

Так что же там с цветом неба?

«Все это очень интересно, но, по-моему, ты уходишь от темы. Как там насчет цвета неба?»
«Я как раз к этому подхожу. Я рассказал тебе элементарные вещи, чтобы на пальцах можно было бы объяснить более сложные.
По поводу неба, должен сказать вот что. Абсолютно точного ответа ученые еще не нашли, но есть две простые теории, которые объясняют голубой цвет неба. Я расскажу тебе обе.

Первая теория:

В воздухе, который окружает землю, летает большое количество частичек – это разные газы, частички пыли, частички воды и т.д. Когда белый луч от солнца (а он, как ты помнишь, не сам по себе, а все цвета вместе) попадает в воздух, то сталкиваясь с частичками воздуха и частичками, которые летают в воздухе, начинает рассыпаться на цвета, из которых состоял.
Оказалось, что не все цвета одинаково шустрые, одни – очень неповоротливые, они так и рассеиваются в воздухе, столкнувшись с какими-нибудь частичками, а другие, очень быстрые, уворачиваются от столкновений и долетают до Земли.
Голубые лучики неповоротливые, они чаще других попадают на препятствия и рассеиваются (разлетаются) на все стороны, подсвечивая воздух голубым светом.

Вторая теория немного сложнее:

Ученые предполагают, что частички воздуха, который окружает Землю, поглощают солнечные лучи. Они, как бы, заряжаются от этих лучей, а затем начинают на все стороны излучать свой собственный свет.

Ну вот, например, как дверка на печке. Помнишь, я тебе показывал, как дверца сначала была черной, а потом грелась-грелась и начала светиться красным цветом? Помнишь?»
«Ага, помню» .
«Так и здесь. Частички воздуха получают энергию от солнечных лучей, а затем начинают светиться. Разные газы светятся по-разному. То, что мы видим небо голубым, согласно этой теории, именно благодая газам из которых состоит наш воздух (кислород и азот), они излучают голубой цвет. А вот если бы вместо них был бы, например, неон (есть такой газ), то и светилось бы небо красно-оранжевым цветом, но мы бы не смогли наслаждаться этим зрелищем, т.к. не смогли бы дышать.
Поэтому я думаю, что пусть оно и дальше остается голубым, голубой цвет ведь тоже ничего, да?»
«Согласен» — кивнул малыш, а уже через минуту, увидев собаку, задал следующий жизнено важный вопрос: «Папа, а почему собака машет хвостом?»…
А вон на заборе уже сидит следующий вопрос – кошка, у которой почему-то одно ухо черное, а второе белое… И сколько важных вопросов еще нужно задать, о скольких вещах нужно успеть спросить. Особенно сейчас, когда папа не на работе и ты всецело завладел его вниманием…

Источник: pochemu-otchego.info