6.5. Разноцветное небо

Почему днем небо голубое? Голубизна неба связана с самими молекулами воздуха или с присутствием в воздухе воды или мельчайших взвешенных частиц? Почему небо не фиолетовое?

Почему вблизи горизонта небо бледнее, чем над головой? Почему все небо не окрашено в один и тот же цвет? В лунную ночь небо голубое? (Хотя ночью слишком темно, чтобы человеческий глаз мог различать цвета, небо все же бывает окрашено.)

Почему на закате небо красное? Не должны ли красный и желтый быть последними цветами перед закатом, придавая небу оранжевый оттенок (смесь красного и желтого)? Почему на красном участке неба иногда появляется отчетливая контрастная линия?

ОТВЕТ Чаще всего днем небо голубое, поскольку флуктуации плотности атмосферы сильнее рассеивают свет из синей части солнечного спектра, чем из красной. Поэтому, если смотреть на небо в сторону от солнца, глаза воспринимают свет наибольшей интенсивности, а это голубой. Он, конечно, не чисто голубой, поскольку глаза воспринимают и слабый свет другого цвета, который тоже рассеивается. Хотя фиолетовый свет рассеивается молекулами воздуха еще сильнее, чем синий, небо не выглядит фиолетовым. Это связано с тем, что в солнечном спектре интенсивность фиолетового цвета меньше и, кроме того, чувствительность глаз к фиолетовому свету меньше, чем к синему. Заметим, что мы часто называем «фиолетовым» цвет на самом конце видимой части спектра; именно в этом смысле мы употребили здесь слово «фиолетовый». Такое словоупотребление не вполне точно: правильнее называть фиолетовым смесь синего и красного, точнее — синий с небольшой примесью красного. Красный с небольшой примесью синего — это малиновый, а вообще смеси синего и красного — это «пурпурные цвета». Рассеяние света на молекулах обычно называют рэлеевским рассеянием, по имени лорда Рэлея, предложившего такую модель в конце XIX века. Вначале Рэлей был уверен, что чистый газ (без взвешенных частиц и пыли) прозрачен, и поэтому считал, что голубой цвет неба обусловлен рассеянием света на мельчайших частицах, а не на молекулах.

Хотя вода и молекулы озона[65] в атмосфере поглощают свет из красной области видимого спектра, так что остается главным образом синий цвет, не они ответственны за голубой цвет неба. В атмосфере слишком мало воды, чтобы поглощение красного света молекулами воды могло играть существенную роль, а озоновый слой слишком тонок, чтобы поглощение его молекулами озона было существенно.

На горизонте небо белое, поскольку свет от далеких молекул, прежде чем достигнуть наблюдателя, испытывает многократное рассеяние. Более близкие молекулы, как и более далекие, посылают в направлении к наблюдателю голубой свет. Но путь, который проходит свет от более далеких молекул, длиннее, а значит, он дополнительно рассеивается, и его голубая компонента ослабевает. В конечном счете в свете, идущем от далеких молекул, доминирующим становится красный цвет. Он смешивается с доминирующим голубым светом от ближних молекул, что и обеспечивает белый цвет неба на горизонте.

Ночью небо тоже голубое, но свет слишком тусклый, чтобы глаз человека мог его воспринять. Однако голубой цвет виден на фотографиях с большой экспозицией.

При заходе солнца глаз воспринимает световые лучи, прошедшие более длинный путь через земную атмосферу, чем прямые солнечные лучи, когда солнце в зените. На этом пути большая часть синего света рассеивается молекулами воздуха, и до наблюдателя в основном доходит красный и желтый свет. Пик интенсивности приходится на длину волны порядка 595 нм, что воспринимается как оранжевый цвет. Однако чаще всего цвет неба при закате ближе к красному, поскольку мельчайшие частицы в атмосфере усиливают рассеяние света всех цветов, кроме красного.

Иногда во время заката можно видеть, что небо четко делится на области разных цветов. Такое бывает, если лучи света проходят через слой с температурной инверсией, где температура воздуха повышается с увеличением высоты. Свет, проходящий на закате через такой слой, преломляется, и глаз его не воспринимает. Если до наблюдателя по-прежнему доходит свет от слоев ниже и выше слоя с температурной инверсией и поскольку этот слой выпал из его поля зрения, цвет нижнего слоя не переходит плавно в цвет верхнего слоя.