Вопрос, который задают на даче
Ты лежишь на траве и смотришь вверх. Там — сплошная синева, без единого пятнышка. Откуда она взялась?
Первое, что приходит в голову: небо отражает море. Звучит красиво, но это неправда — над Москвой, Новосибирском и посреди Сахары небо такое же синее, а моря там нет.
Второе: воздух сам по себе голубой. Тоже мимо. Набери воздуха в стеклянную банку — внутри будет прозрачно.
Правильный ответ хитрее и гораздо интереснее. Небо синее потому, что воздух разбрасывает синий свет сильнее, чем остальные цвета. Чтобы понять, что это значит, начнём с самого солнечного луча.
Белый свет — это обманщик
Солнечный свет кажется белым или чуть желтоватым. На самом деле внутри него спрятаны все цвета сразу.
Проверить это легко. Возьми стеклянную призму или даже гранёный край толстого стакана и поймай им солнечный луч. На стене появится радужная полоска: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.
Стекло не красит свет. Оно просто разделяет то, что уже было внутри.
Почему цвета разделяются? Потому что свет — это волна, вроде волн на воде, только невероятно маленькая и быстрая. У каждого цвета своя длина волны — расстояние от гребня до гребня.
- У красного света волна самая длинная: примерно 700 нанометров.
- У синего и фиолетового — самая короткая: около 400 нанометров.
Нанометр — это миллионная доля миллиметра. В толщину человеческого волоса поместилось бы больше сотни красных волн.
Как молекулы воздуха играют в мяч
Воздух состоит из молекул — в основном азота и кислорода. Они невероятно маленькие: гораздо меньше, чем длина световой волны.
Когда луч света летит сквозь воздух, он натыкается на эти молекулы. Молекула ловит свет и тут же выбрасывает его обратно — но уже в случайную сторону. Это называется рассеянием.
А теперь самое главное. Молекула гораздо охотнее расшвыривает короткие волны, чем длинные. Разница не маленькая: синий свет рассеивается примерно в пять с лишним раз сильнее красного.
Представь, что ты катишь мячи по полу, на котором расставлены столбики. Огромный мяч прокатится мимо столбика и почти не изменит направления. А маленький шарик от пинг-понга будет от них отскакивать и скакать во все стороны. Свет ведёт себя похоже: длинные красные волны «переваливают» через молекулу и летят дальше, короткие синие — отскакивают.
Поэтому синий свет не летит от Солнца прямо к земле. Он тысячи раз перепрыгивает от молекулы к молекуле и в итоге сыплется на тебя отовсюду. Куда бы ты ни посмотрел, кроме самого Солнца, ты видишь этот перескакивающий синий свет. Вот тебе и голубое небо.
Почему закат красный
Теперь самое приятное: закат объясняется тем же самым правилом, только наоборот.
Днём Солнце высоко, и его свет проходит сквозь воздух почти по прямой — слой атмосферы над тобой всего километров сто, и луч пронзает его быстро. Синевы по дороге теряется немного, поэтому само Солнце выглядит белым, а рассеянной синевы хватает ровно на то, чтобы покрасить небо.
Вечером Солнце у горизонта. Его лучу приходится идти сквозь воздух вдоль земли — путь получается в десятки раз длиннее. И по этому длинному пути воздух успевает рассеять в стороны почти всю синеву и зелень.
До твоих глаз долетает то, что осталось: оранжевый и красный. Именно поэтому на закате Солнце оранжевое, облака розовые, а лица у всех тёплого цвета.
И поэтому же на закат можно смотреть, почти не щурясь, — часть света просто не дошла.
Как это проверить на кухне
Тебе не нужна лаборатория — хватит стакана воды и фонарика телефона.
Это не приблизительная аналогия и не фокус: в стакане работает ровно тот же механизм, что и над твоей головой.
А на других планетах
Раз цвет неба зависит от воздуха, то под другим воздухом и небо другое.
На Марсе атмосфера очень разреженная, зато полна мельчайшей ржавой пыли. Пыль крупнее молекул и рассеивает иначе, поэтому марсианский день желтовато-бурый. А вот закат на Марсе — голубоватый, зеркально наоборот нашему. Так это и выглядит на снимках марсоходов.
На Луне воздуха нет вовсе. Рассеивать нечего, и небо там чёрное со звёздами даже в полдень, а Солнце висит на этой черноте ослепительным белым кругом.
Получается, синева над головой — не свойство космоса, а свойство нашей воздушной оболочки. Тонкой: если бы Земля была размером с яблоко, вся атмосфера была бы тоньше кожуры.
Главное в трёх строчках
- Белый солнечный свет состоит из всех цветов, и у каждого цвета своя длина волны.
- Молекулы воздуха рассеивают короткие синие волны в несколько раз сильнее длинных красных — поэтому синий приходит к нам со всех сторон, и небо голубое.
- На закате свет идёт сквозь воздух долгим косым путём, теряет по дороге синеву, и до нас доходит только оранжево-красный остаток.