Почему небо голубое, а закат — красный
Солнце светит белым, воздух прозрачный — откуда же сверху столько синевы? Разбираемся, как молекулы воздуха «крадут» синий цвет и почему на закате остаётся только красный.
Подними глаза вверх прямо сейчас — там сплошная синяя краска, хотя её туда никто не наливал. Солнце светит белым, воздух абсолютно прозрачный, между тобой и космосом нет ни одного синего предмета — а цвет есть. И вот что совсем странно: то же самое Солнце, тот же самый воздух вечером дают противоположный цвет — густо-красный закат. Один источник света, одна атмосфера, два разных цвета. За этим фокусом стоит всего один физический закон — и сейчас ты его поймёшь так, что сможешь объяснить любому.
Белый свет — это вообще-то смесь
Первое, что надо принять: «белый» свет от Солнца — это не отдельный цвет, а коктейль из всех цветов сразу. Красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый — все они летят к нам вместе и в сумме дают белое свечение. Примерно как все краски из набора, размешанные в одной банке: по отдельности они яркие, а вместе сливаются в мутно-белое.
Проверить легко: пропусти солнечный луч через стеклянную призму или просто посмотри на радугу. Радуга — это и есть Солнце, разобранное на части. Капли дождя сработали как призмы и разложили белый свет на спектр. Так что цвета в небе уже были — их просто надо «вытащить».
Ещё важная деталь: свет — это волна. И у разных цветов разная длина волны. У красного волна длинная и «ленивая» — около 650 нанометров. У синего и фиолетового — короткая и частая, примерно 450 и 400 нанометров (нанометр — это миллионная доля миллиметра). Запомни это, дальше всё держится именно на этом различии.
Молекулы воздуха ловят синий
Теперь главное действующее лицо — воздух. Он кажется пустым, но на самом деле забит молекулами азота и кислорода. Когда солнечный свет влетает в атмосферу, он налетает на эти молекулы, и они расшвыривают его в стороны. Это явление называется рэлеевским рассеянием — по имени английского физика лорда Рэлея (Джона Уильяма Стретта), который его описал в 1871 году.
Фокус в том, что молекулы рассеивают не все цвета одинаково. Короткие волны (синие и фиолетовые) они раскидывают гораздо сильнее, чем длинные (красные). Насколько сильнее? Сила рассеяния зависит от длины волны очень круто — обратно пропорционально её четвёртой степени. На пальцах: укороти волну в два раза — и рассеется она в шестнадцать раз сильнее. Если посчитать аккуратно, синий свет рассеивается примерно в 4–5 раз сильнее красного.
- Красный почти не отклоняется и летит дальше прямо.
- Синий разбрасывается во все стороны и «застревает» в небе.
Получается, синий свет молекулы расшвыривают по всему небу. Куда ни посмотри — отовсюду в твои глаза прилетает рассеянный синий. Вот почему небо синее не в одной точке, а целиком: оно буквально засвечено синим со всех направлений. Представь, что каждая молекула воздуха — крошечная синяя лампочка, которую зажигает пролетающий мимо солнечный луч. Лампочек миллиарды миллиардов, и весь купол над тобой светится их общим синим светом.
А почему не фиолетовое?
Логичный вопрос: если короткие волны рассеиваются сильнее, то фиолетовый (волна ещё короче синего) рассеивается ещё сильнее. Небо должно быть фиолетовым! Но оно синее. Почему?
Тут две причины. Первая: в самом солнечном свете фиолетового изначально меньше, чем синего, — Солнце его излучает не так много. Вторая: наши глаза устроены так, что к фиолетовому почти не чувствительны, зато синий ловят отлично. В сетчатке есть три типа цветовых колбочек, и фиолетовый край спектра они почти «не замечают».
То есть фиолетовый там, в небе, есть — но его мало, и глаз его слабо видит. В сумме мозг показывает нам приятную синеву. Если бы наши глаза были настроены иначе, мы бы, может, любовались фиолетовым небом — как, говорят, видят его пчёлы, чьё зрение сдвинуто в ультрафиолет.
Закат: свет идёт сквозь толстый воздух
Теперь самое красивое. Днём Солнце над головой, и свет проходит сквозь атмосферу почти по короткому пути — сверху вниз. А на закате Солнце у горизонта, и его лучи идут к тебе вдоль земли, по касательной. Путь сквозь воздух становится в десятки раз длиннее: у самого горизонта свет продирается примерно сквозь 38 раз больше воздуха, чем когда Солнце прямо над макушкой.
И вот что происходит на этом длинном пути: весь синий свет рассеивается ещё где-то в стороне, не долетев до твоих глаз. Его раскидало по дороге — он достался небу над соседними городами. До тебя добирается то, что рассеивается хуже всего, — красный и оранжевый. Они пробились сквозь всю толщу воздуха почти напрямую, как марафонцы, которые единственные дошли до финиша.
Поэтому закатное Солнце и небо вокруг него — красно-оранжевые. Это не «другой» свет, это остаток того же белого, из которого по дороге выдернули синюю часть. А если в воздухе ещё и пыль или дым (например, после лесных пожаров или извержения вулкана) — закаты становятся особенно густо-красными: лишние частицы добавляют рассеяния и забирают ещё больше холодных цветов.
Что с этим делать
Запомни одну мысль, и ты объяснишь это кому угодно: небо синее, потому что воздух рассеивает синий по всему небу; закат красный, потому что на длинном пути синий теряется и остаётся красный. Один и тот же свет, одна и та же физика — меняется только длина пути сквозь воздух.
Хочешь проверить вживую? Налей в стакан воды, капни буквально каплю молока и посвети фонариком телефона сбоку — вода чуть голубоватая. А теперь свети насквозь, так чтобы луч прошёл через всю толщу и попал в глаз с другой стороны, — он станет жёлто-оранжевым. Это рэлеевское рассеяние у тебя на столе: молоко играет роль молекул воздуха, стакан — атмосферы. Тот же эффект, что красит небо над целой планетой, помещается в один стакан.