Почему небо голубое
В то же время космос воспринимается как черный пространство, а солнце на восходе и закате приобретает красноватый оттенок. Рассмотрим причины этого явления.
Когда мы поднимаем взгляд кверху в ясный день, нас приветствует обширный голубой свод. Мы настолько привыкли к этой картине, что редко задумываемся о происхождении этого цвета. Почему в безвоздушном космосе царит абсолютная чернота, а нашу планету окутывает синева? Ответ на этот вопрос представляет собой захватывающее путешествие по истории научных открытий.
Как доказали, что воздух не имеет цвет
В течение длительного времени люди воспринимали цвет неба как нечто самоочевидное и неизменное. Первым ученым, который всерьез взялся за разгадку этой тайны, стал Исаак Ньютон. Он уже исследовал природу радуги, доказав, что белый свет разделяется на спектр при прохождении через капли воды.
В те годы существовало мнение о том, что воздух или один из его компонентов просто обладает голубым оттенком. Ньютон подверг это сомнению. Он рассуждал следующим образом: если бы воздух был цветным, подобно синему стеклу, то все объекты, которые мы видим сквозь него, казались бы голубыми. Солнце, Луна и отдаленные снежные вершины воспринимались бы нами не белыми, а синими. Следовательно, причина кроется не в окраске самого воздуха.
Несмотря на то, что Ньютон был близок к решению вопроса о цвете неба, ему не удалось найти удовлетворительного объяснения его голубому оттенку. Эта проблема оказалась более сложной, чем могло показаться на первый взгляд.
Каким образом возникает голубая окраска рассеянного света?
В 1869 году английский ученый Джон Тиндаль провел ряд экспериментов. Он создал искусственный туман в лабораторных условиях и направил на него поток белого света. Наблюдение сбоку показало ярко-голубой цвет тумана, что позволило Тиндалю сделать вывод о том, что голубизна неба обусловлена рассеянием световых лучей, а не свойствами вещества атмосферы. Подобный эффект можно наблюдать, например, при взгляде на дым от костра или сигареты.
Решающий вклад в понимание этого явления внес британский физик Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) в 1871 году. Он разработал математическую модель, объясняющую специфический голубой цвет рассеянного света. Рэлей показал, что этот эффект напрямую зависит от размера частиц, с которыми взаимодействует свет.
Представьте себе морскую волну, сталкивающуюся с массивной скалой: волна практически не изменяет своей траектории. То же самое происходит и с видимым светом при контакте с крупными частицами пыли размером около микрометра – все цвета отражаются примерно одинаково, и свет остается белым. Однако, если препятствие очень маленькое, волны различной длины начинают вести себя по-разному: короткие волны (голубые и фиолетовые) рассеиваются гораздо интенсивнее, чем длинные красные.
Расчеты, выполненные Рэлеем, позволили объяснить голубой цвет неба: мы воспринимаем рассеянный свет с короткой длиной волны. Однако возникла сложность. Теория Рэлея была рассчитана для разреженной среды, где частицы находятся на значительном расстоянии друг от друга. В условиях плотной атмосферы ситуация должна была бы выглядеть иначе. Кроме того, голубой цвет неба сохраняется даже в наиболее чистых районах, где практически отсутствует пыль. На каких же структурах происходит рассеяние света? Рэлей выдвинул гипотезу о том, что это происходит на молекулах воздуха, но убедительных доказательств у него не было.
Каким образом Мандельштам предоставил окончательные доказательства рассеивания света?
В 1907 году российский ученый Леонид Мандельштам, находившийся в возрасте 28 лет, обратил внимание на математическую неточность в теории, разработанной лордом Рэлеем. Данная теория оказывалась некорректной применительно к плотным слоям земной атмосферы, что создавало впечатление научного тупика.
Мандельштам предложил решение: воздух не может быть идеально однородным. Из-за хаотического теплового движения молекулы воздуха постоянно концентрируются в одних областях и редеют в других. Это приводит к образованию микроскопических, случайных областей повышенной плотности – флуктуаций. Именно эти невидимые глазу «скопления» воздуха выступают в роли мельчайших препятствий для рассеивания голубого света.
Предложенное Мандельштамом решение было настолько новаторским, что требовало практического подтверждения. Вместе с Григорием Ландсбергом ученый готовился к эксперименту на протяжении 18 лет! В конечном итоге им удалось не только убедиться в справедливости теории, но и зафиксировать ранее неизвестное явление – комбинационное рассеяние света. Это открытие впоследствии сыграло ключевую роль в создании лазеров.
Каковы причины появления оранжевых и красных закатов
Для более глубокого понимания процесса можно представить себе наблюдение за небом из космоса, где отсутствует атмосфера. Космонавты видят абсолютно черный провал космоса яркое и ослепительно белое Солнце. В условиях вакуума свет распространяется беспрепятственно, поскольку ничто не препятствует его целостности.
На нашей планете картина отличается: коротковолновые лучи, относящиеся к синему и фиолетовому цветам, постоянно сталкиваются с неоднородностями в атмосфере и рассеиваются во всех направлениях. Этот рассеянный свет равномерно распределяется по всему небу, достигая наших глаз со всех сторон.
Лучи красного, желтого и зеленого спектра проходят мимо этих препятствий практически без отклонений. Именно поэтому Солнце в зените кажется нам желтым — до нас доходят его прямые лучи, минимально подвергшиеся рассеянию. Однако на закате, прежде чем достигнуть поверхности Земли, солнечный белый свет теряет свои синие и фиолетовые компоненты, приобретая красно-оранжевый оттенок.
Как повторить открытие Тиндаля дома
Несмотря на кажущуюся сложность, воспроизвести знаменитое открытие Тиндаля вполне реально в домашних условиях, не требуя специального оборудования. Для этого необходимо прозрачный стакан, наполненный водой, в который следует добавить небольшое количество молока, чтобы придать воде легкую мутность. В затемненном помещении направьте на стакан луч фонарика. При наблюдении сбоку можно заметить голубое свечение, вызванное рассеянием света от взвешенных частиц молока. Одновременно, свет, выходящий из стакана, будет обеднен синими оттенками и приобретет заметный желтоватый оттенок.
В основе этого простого эксперимента лежат физические принципы, которые проявляются в окружающем мире – например, при наблюдении голубого неба или красочных закатов, являющихся проявлениями оптических явлений.
Первая публикация материала состоялась в 2020 году, после чего он был отредактирован и дополнен в 2023 и 2026 годах.
