6.4. Почему днем небо светлое

Почему днем небо яркое? Очевидно, атмосфера каким-то образом рассеивает свет в направлении наблюдателя. Однако если атмосфера прозрачна, почему солнечные лучи отклоняются, проходя через нее?

Для ответа на этот вопрос часто используют термин рэлеевское рассеяние. Действительно, рэлеевское рассеяние — одна из моделей, описывающих рассеяние света молекулами воздуха. Но Альберт Эйнштейн заметил, что, если бы рэлеевское рассеяние давало исчерпывающий ответ на этот вопрос, небо днем было бы темным. Повторим его рассуждение. Для простоты предположим, что весь солнечный свет имеет только одну длину волны, и рассмотрим одну молекулу воздуха, рассеивающую свет по направлению к наблюдателю. К наблюдателю поступает и рассеянный свет от других молекул, находящихся на линии, соединяющей его с первой молекулой. Всегда можно подобрать такую молекулу, что посланная ею световая волна достигнет наблюдателя строго в противофазе с волной, исходящей от первой молекулы. Эти две волны взаимно гасят друг друга, не давая вклада в свет, который видит наблюдатель (рис. 6.4). Поскольку в среднем для каждой молекулы можно найти такую «молекулу-партнера», гасящую свет в направлении наблюдателя, свет к нему приходить не будет. Небо будет темным, исключая направление прямо на солнце. Ведь так?

Рис. 6.4 / Задача 6.4. При рассеянии на молекулах, находящихся на расстоянии, равном половине длины волны, световые волны гасят друг друга.

ОТВЕТ • Действительно, рассеяние света на молекулах происходит согласно модели Рэлея, и, казалось бы, приведенная выше аргументация обоснованна. Но, как отметил Эйнштейн, небо светлое из-за того, что плотность атмосферы неоднородна. Более того, молекулы непрерывно двигаются и на короткое время образуют скопления. Следовательно, в каждый данный момент времени невозможно найти для каждой молекулы «молекулу-партнера», которая гасила бы рассеянный свет от первой молекулы. Итак, небо над нами яркое благодаря пространственным и временным флуктуациям плотности концентрации молекул, то есть плотности атмосферы.