Каждый из нас с детства смотрит на бескрайнее голубое небо и задумывается - почему оно такого цвета? Этот вопрос волновал человечество на протяжении веков.
История вопроса о цвете неба
Вопрос о причинах голубого цвета неба интересовал ученых на протяжении многих веков. Еще в эпоху Средневековья философы пытались найти ответ на эту загадку природы, однако долгое время безуспешно. Рассмотрим основные теории, которые выдвигали мыслители разных эпох.
Гипотеза Леонардо да Винчи
Великий художник и ученый Леонардо да Винчи в своих записях отмечал, что при наблюдении за дымом от камина на его фоне появляется синеватый оттенок. Исходя из этого наблюдения, да Винчи сделал вывод, что темнота в сочетании со светом приобретает синий цвет. Однако в дальнейшем было доказано, что смешение черного и белого цветов дает оттенок серого, а не голубого.
Теория Исаака Ньютона
Великий английский ученый Исаак Ньютон также пытался объяснить феномен голубого неба. Он обратил внимание, что вершины гор на закате приобретают не синий, а розовый оттенок. Исходя из этого Ньютон предположил, что сам воздух не имеет голубого цвета. Причину явления он видел в светопреломлении, подобно радуге. Однако в дальнейшем гипотеза Ньютона была опровергнута.
Теория лорда Рэлея
Английский физик Джон Уильям Стретт, более известный как лорд Рэлей, провел множество опытов по рассеиванию света. Наблюдая в темной комнате за танцующими в лучах света пылинками, Рэлей пришел к выводу, что причиной синего цвета неба является именно рассеяние солнечных лучей в атмосфере. Однако в дальнейшем выяснилось, что рэлеевское рассеяние происходит на молекулах газа, а не на пылинках.
Как видим, первые попытки объяснить синеву неба основывались на неверных предпосылках и гипотезах. Понадобились десятилетия исследований, чтобы прийти к научно обоснованному ответу.
Физические причины синего цвета неба
Чтобы понять, почему небо голубое, необходимо разобраться в природе света и том, как происходит его рассеяние в атмосфере. Рассмотрим основные физические причины этого оптического феномена.
Солнечный свет и электромагнитные волны
В основе явления голубого неба лежит рассеяние солнечного света в атмосфере Земли. Но что такое свет? Современная наука определяет его как поток фотонов - частиц, которые являются квантами электромагнитного излучения.
Электромагнитные волны характеризуются длиной волны и частотой. От этих параметров зависят свойства излучения. Весь диапазон длин волн и частот представляет собой электромагнитный спектр. К его участкам относятся радиоволны, инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-излучение.
Видимый свет занимает очень малую часть электромагнитного спектра с длинами волн приблизительно от 380 до 780 нанометров.
Именно этот узкий диапазон волн способен воспринимать человеческий глаз. Весь же поток излучения Солнца является по своей природе белым светом, включающим в себя разные цвета.
Рассеяние света в атмосфере и эффект Рэлея
Итак, солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение и несет в себе весь диапазон волн видимого спектра. Попадая в атмосферу Земли, свет рассеивается на ее составляющих. Это могут быть молекулы газов, пыль, водяной пар, аэрозольные частицы.
Рассеяние света на малых частицах подчиняется закону Рэлея. Согласно ему, чем короче длина волны падающего света, тем сильнее он рассеивается. Голубой цвет имеет одну из самых коротких длин волн в видимом диапазоне спектра. Поэтому при прохождении через атмосферу он рассеивается гораздо эффективнее, чем более длинноволновые красный или желтый свет.
В результате рассеяния голубые лучи разлетаются во всех направлениях, создавая эффект сплошного синего фона на небе. Это и есть основная причина, по которой мы видим его голубым.
Роль человеческого восприятия
Однако одного лишь физического рассеяния света недостаточно, чтобы объяснить синеву неба. Большое значение имеет также строение человеческого глаза и особенности цветового зрения. Дело в том, что наиболее коротковолновым в видимом диапазоне является фиолетовый цвет. По логике, если короткие длины волн эффективнее рассеиваются, небо должно иметь именно фиолетовую, а не голубую окраску. Однако этого не происходит. Почему?
Все дело в том, что человеческий глаз гораздо хуже различает оттенки фиолетового цвета по сравнению с голубым и зеленым. Кроме того, небо кажется нам именно голубым в силу эффекта цветового контраста: на фоне ярко освещенного солнцем неба любой белый предмет приобретает желтоватый оттенок, что усиливает восприятие голубого.
Влияние высоты Солнца
Еще одним важным фактором, влияющим на цвет неба, является угол падения солнечных лучей. Когда Солнце находится высоко над горизонтом, его излучение проходит сравнительно короткий путь через атмосферу. При этом рассеивается больше голубого света, что и придает дневному небу характерный голубой оттенок.
Однако ближе к рассвету и на закате солнечные лучи должны пройти очень большой путь под малым углом через плотные слои атмосферы. При этом их интенсивность снижается, а голубые и фиолетовые оттенки рассеиваются наиболее сильно. В итоге до поверхности Земли в основном доходит длинноволновое красное излучение, которое придает небу характерные красные и желтые тона на восходе или закате Солнца.
Влияние погодных условий
На цвет неба существенно влияют также погодные факторы в данной местности. Так в пасмурную погоду солнечный свет дополнительно рассеивается и частично поглощается многочисленными каплями воды в облаках. Они в среднем одинаково рассеивают волны разных длин, придавая небу белесый оттенок.
В безоблачную же погоду эффект Рэлея проявляется в полной мере. Чем чище и суше воздух, тем ярче и насыщенней синий цвет бескрайнего небосвода. Таким образом погодные условия также оказывают большое влияние на цвет неба в данный момент времени.
Подведя итог всему вышесказанному, можно сделать заключение, что цвет земного неба носит сложный комплексный характер, на который влияет целый ряд различных факторов - от физической природы света до особенностей человеческого зрения. Тем не менее, благодаря этому удивительному оптическому явлению, мы можем любоваться изумительным зрелищем бескрайней синевы небес над нашей планетой.
