Почему небо имеет голубой цвет?

Облака, голубая Луна и голубая дымка

Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длин волн света. Такие частицы будут одинаково рассеивать все длины волн (рассеяния Ми).

Но иногда в воздухе могут быть частицы гораздо меньших размеров. Некоторые горные районы славятся своей голубой дымкой. Аэрозоли терпенов из растительности вступают в реакцию с озоном в атмосфере, образуя мелкие частицы диаметром около 200 нм, которые отлично рассеивают синий свет.

Голубая дымка над заливом Котор в Черногории. Фото: Rocher/Flickr.com

Лесной пожар или извержение вулкана могут иногда заполнять атмосферу мелкими частицами диаметром 500–800 нм, что является подходящим размером для рассеивания красного света. Это дает противоположность обычному эффекту Тиндаля и может привести к тому, что Луна приобретет синий оттенок, так как красный свет от Луны рассеян этими частицами. Настоящая голубая Луна — очень редкое явление!

Теории ранних веков

Вопрос о том, почему небо голубое, волновал людские умы ещё с незапамятных времён. Греческие легенды нашли свой ответ. Они утверждали, что этот оттенок ему придаёт чистейший горный хрусталь.

Во времена Леонардо да Винчи и Гете также искали ответ на вопрос, почему небо голубое. Они считали, что голубой цвет неба получается при смешивании света с темнотой. Но позже эта теория была опровергнута как несостоятельная, поскольку оказалось, что комбинируя эти цвета, можно получить лишь тона серого спектра, но никак не цветного.

Через некоторое время ответ на вопрос, почему небо голубое, попытались объяснить в 18 веке Мариотт, Бугер и Эйлер. Они считали, что это естественный цвет частиц, из которых состоит воздух. Теория эта была популярна даже в начале следующего века, особенно когда было установлено, что жидкий кислород – голубого, а жидкий озон – синего тонов.

Первым более-менее толковую идею подал Соссюр, который предположил, чтобы если бы воздух был полностью чистым, без примесей, небо оказалось бы чёрным. Но поскольку атмосфера содержит в себе различные элементы (например, пар или водяные капли), то они, отражая цвет, придают небу нужный оттенок.

После этого учёные начали всё ближе и ближе подбираться к истине. Араго открыл поляризацию, одну из характеристик рассеянного света, который отбивается от небосвода. В этом открытии ученому однозначно помогла физика.  Позже искать ответ принялись и другие исследователи. При этом вопрос, почему небо голубое настолько интересовал ученых, что для его выяснения было проведено огромное количество различных экспериментов, которые привели к мысли, что главная причина появления голубого цвета в том, что лучи нашего Солнца попросту рассеиваются в атмосфере.

Колерная карта

Аддитивное смешение цветов

Если размышлять дальше, то захочется спросить почему небо днем голубое, а на закате красное. Разгадка в том, что во время заката солнечный диск приближается к горизонту и мы смотрим на него не поперек атмосферной толщи, как днем, а как бы вдоль нее. Путь лучей до наших глаз заметно увеличивается и синие волны становятся не видны, потому что рассеиваются, не доходя до зрения человека. Этот же принцип объясняет почему, когда зенит неба голубого цвета, у горизонта оно гораздо бледнее, иногда совсем белое. Еще одно интересное цветное небесное явление. На закате, в последнее мгновение, когда синие волны спектра уже совсем не достигают глаз наблюдателя, а красные уже скрываются за горизонтом, у верхней кромки Солнца вспыхивает зеленый луч. Это удивительное зрелище длится несколько секунд. Наблюдать его можно практически везде, где открыта линия горизонта. На море, за счет влажности воздуха, который работает как лупа и увеличивает солнечный диск, это смотрится еще лучше. Когда небо затянуто тучами, они поглощают свет и оттого выглядят серыми. По своей сути серый цвет — это не даже цвет как таковой, а его отсутствие.

Эффект Тиндаля

Первые шаги к правильному объяснению цвета неба сделал Джон Тиндаль в 1859 году. Он обнаружил любопытный эффект: если пропустить свет через прозрачную жидкость, в которой взвешены мелкие частички, то голубой свет будет рассеиваться этими частичками сильнее, чем красный свет.

Это можно легко продемонстрировать. Возьмите стакан с водой и размешайте в нем несколько капель молока, немного муки или мыла, так чтобы вода в стакане стала мутной. Затем пропустите через стакан свет фонарика. Вы увидите, что свет внутри стакана стал голубоватым. Вернее, голубоватым стал тот свет, который попал вам в глаза из стакана, то есть был отклонен и рассеян в растворе!

Объяснение

Первым, кто создал математически обоснованный ответ молекулярного рассеяния света, оказался британский исследователь Рэлей. Он выдвинул предположение, что свет рассеивается не из-за примесей, которыми обладает атмосфера, а из-за самих молекул воздуха. Его теория получила развитие – и вот к каким выводам пришли учёные.

Солнечные лучи пробиваются на Землю через её атмосферу (толстый слой воздуха), так называемую воздушную оболочку планеты. Темное небо полностью наполнено воздухом, который несмотря на то, что полностью прозрачен, пустотой не является, а состоит из молекул газа – азота (78%) и кислорода (21%), а также водяных капель, пара, ледяных кристаллов и небольших кусочков твёрдого материала (например, частичек пыли, сажи, пепла, океанской соли и т.п.).

Некоторым лучам удаётся свободно пройти между газовыми молекулами, полностью минуя их, а потому без изменений достигнуть поверхности нашей планеты, но большинство лучей сталкиваются с газовыми молекулами, которые приходят в возбуждённое состояние, получают энергию и выпускают в различные стороны разноцветные лучи, полностью окрашивая небо, в результате чего мы видим солнечное голубое небо.

Белый свет сам по себе состоит из всех цветов радуги, которую нередко можно увидеть, когда он раскладывается на составные части. Так получилось, что молекулы воздуха больше всего рассеивают синий и фиолетовый цвета, поскольку они являются наиболее короткой частью спектра, поскольку имеют наименьшую длину волны.

Поскольку атмосфера нашей планеты не однородна, а довольно разная (возле поверхности Земли более плотная, чем наверху), она имеет разную структуру и свойства, мы можем наблюдать переливы голубого цвета. Перед закатом или восходом, когда длина солнечных лучей значительно увеличивается, синие и фиолетовые цвета рассеиваются в атмосфере и до поверхности нашей планеты абсолютно не доходят. Успешно добираются жёлто-красные волны, которые мы и наблюдаем на небосводе в этот период времени.

В ночное время, когда солнечные лучи, попадая на определённую сторону планеты не имеют никакой возможности, атмосфера там становится прозрачной, и мы видим «чёрный» космос. Именно таким его видят астронавты, находящиеся над атмосферой. Стоит заметить, что космонавтам повезло, ведь, когда они находятся свыше 15 км над поверхностью земли, днём они могут одновременно наблюдать за Солнцем и звёздами.

Что изменяется к вечеру?

Закат

Ближе к закату Солнце устремляется к горизонту, чем ниже оно опускается, тем стремительнее приближается вечер. В такие моменты слой атмосферы, который отделяет изначальный солнечный свет от земной поверхности, начинает резко увеличиваться из-за угла наклона. В какой-то момент уплотняющийся слой перестает пропускать другие световые волны кроме красных, и в этот момент небо окрашивается именно в этот цвет. Синий уже не присутствует, он поглощается в процессе прохождения через слои атмосферы.

Интересный факт: при закате Солнце и небо проходят через целую гамму оттенков – по мере того, как те или другие из них перестают проходить через атмосферу. То же самое можно наблюдать и на момент восхода Солнца, причины обоих явлений одинаковы.

Почему трава зеленая?

Зеленая, зеленая трава… Почему трава именно зеленая, а не розовая, белая или черная? Найти объяснение нам помогут сразу 3 науки, которые учат в школе: биология, химия и физика.

Фотосинтез и хлорофилл

Если рассмотреть траву под микроскопом, можно увидеть хлоропласты — ярко выраженные частички, в которых есть хлорофилл. Это пигмент, который содержится во всех растениях и придает им зеленую окраску. Само слово «хлорофилл» так и переводится с греческого — «зеленый лист».

Более подробное объяснение дает фотосинтез, в котором участвуют все растения на земле. О нем каждый знает из школьных уроков биологии. Трава поглощает углекислый газ и перерабатывает его под воздействием солнца. В результате в атмосферу выделяется чистый кислород, которым мы дышим. Ключевую роль в этих процессах играет именно зеленый пигмент. Если трава бледная, в ней мало хлорофилла для нормального фотосинтеза. Ярко-зеленые растения насыщены этим пигментом. Они перерабатывают много углекислого газа и выделяют большое количество кислорода.

Осенью трава желтеет, с деревьев опадают засохшие листья. Именно такими были бы все растения, если бы в них не было хлорофилла. Дело в том, что с наступлением осени становится темнее и прохладнее. Из-за недостатка солнечного света хлорофилл начинает разрушаться, поэтому растения постепенно теряют зеленую окраску.

Почему небо Голубое, а трава зеленая. Почему трава зелёная, а небо голубое? Непростые ответы на детские вопросы

Известно, что самыми сложными нередко оказываются очень простые, практически детские, вопросы. На самом деле, взрослые льстят себе, считая, что подобные вопросы задают маленькие дети, потому что они мало знают. Просто дети не находятся в плену стереотипов, к тому же они любознательны, чего, увы, часто не скажешь о взрослых. Но спросите у взрослого, почему трава зелёная, а небо голубое, и, с высокой долей вероятности, точного ответа вы не получите.

Сначала о траве

Здесь всё относительно просто. Известно, что растения на Земле поглощают солнечную энергию, расщепляя её, «строя», таким образом, свои ткани. Другими словами, солнечный свет — это топливо, которое позволяет растениям жить.

Но если есть топливо, должна быть и печка, в которой оно сжигается. Такой печкой является особое вещество — хлорофилл. Именно в его клетках происходит усваивание солнечной энергии.

Крохотные, невидимые зёрнышки хлорофилла покрывают собой каждый лист, каждую зелёную иголочку. Их молекулы — настоящие фабрики, работу которых можно упрощённо описать следующими операциями:

1. Поглощение солнечного света.
2. Разложение его на составляющие.
3. Использование полученной энергии для расщепления углекислого газа.
4. Выработка сахаров, крахмалов и белков.
5. Отражение зелёного спектра солнечного цвета.

Таким образом, хлорофилловые зёрна, получив солнечные лучи и использовав их для своих целей, отражают обратно только ту часть спектра, которая воспринимается нашим глазом как зелёный цвет. И мы говорим: трава зелёная!

История голубого неба

С окрашиванием неба в голубой цвет всё немного сложнее. Вернее, ещё в середине XIX века учёным казалось, что здесь тоже нет загадок. Ведь уже тогда было известно, что наша атмосфера состоит из нескольких газов, преимущественно углекислого, азота и кислорода.

Знали физики уже и то, что солнечный свет, хотя и кажется белым, имеет в своём составе 7 цветов, известных всем и поныне, как цвета радуги. Белый цвет можно без проблем разложить на эти цвета, или, говоря языком науки, получить полный спектр.

Поэтому сразу выдвинули теорию, которая гласила: молекулы газов, составляющих атмосферу Земли, способны раскладывать белый солнечный свет на спектр и задерживать в себе большую его часть, пропуская к наблюдателю на поверхности планеты только сине-голубые лучи. Таким образом, человек на Земле видел бы небо голубоватым.

Все остались были довольны эти объяснением, пока английский учёный Д. Рэлей в самый последний год XIX века не провёл ряд опытов, в которых уверенно доказал: молекул воздуха и частиц пыли для подобного разложения недостаточно! Научный мир изумился…

Но, к счастью, тот же Рэлей вскоре нашёл и новое объяснение. Оказывается, фотоны света, встречаясь с молекулами воздуха, активируют их, и уже активированные молекулы, в свою очередь, испускают новые фотоны, но уже не белые, а синие и голубые. Вот почему мы видим наше небо голубоватым. И, кстати, даже если смотреть на планету из Космоса, она тоже выглядит голубым шариком: ведь «голубые» фотоны вылетают из атмосферы и вверх, и вниз.

Вот такой, совсем непростой ответ мы получили на обычный детский вопрос. Кстати, если отвечать на него маленьким детям, достаточно будет сказать, что голубым солнечный свет становится из-за того, что он фильтруется атмосферой Земли, как грязная вода очищается, проходя сквозь плотную бумажную салфетку.

А нам, взрослым, услышав от ребёнка, почему трава зелёная, а небо голубое, не стоит сразу смотреть на малыша «сверху вниз». Для начала подумаем: а знаем ли мы сами правильные ответы на такие незамысловатые вопросы? И, кстати, можем приготовиться к следующему возможному вопросу: «А почему же тогда небо на закате оранжевое?».

Почему днем небо голубое?

Различиями в длине световых волн объясняется и чистая синева дневного неба. При падении солнечных лучей прямо на поверхность земли преодолеваемый ими слой атмосферы имеет наименьшую толщину.

Рассеяние световых волн происходит при их столкновении с молекулами газов, составляющих воздух, и в этой ситуации наиболее устойчивым оказывается коротковолновой световой диапазон, т.е. синие и фиолетовые световые волны. В погожий безветренный день небо приобретает удивительную глубину и синеву. Но почему мы тогда видим синий, а не фиолетовый цвет неба?

Дело в том, что клетки человеческого глаза, отвечающие за цветовосприятие, намного лучше воспринимают синий, чем фиолетовый цвет. Все же фиолетовый слишком близок к границе диапазона восприятия.

Вот почему небо мы видим ярко-синим, если в атмосфере отсутствуют рассеивающие компоненты, кроме молекул воздуха. Когда в атмосфере появляется достаточно большое количество пыли – например, жарким летом в городе – небо будто выцветает, теряя свою яркую синеву.

Явление голубого неба с точки зрения физики

Давайте сразу разберемся, небо голубое потому что атмосфера земли рассеивает свет солнца.
Все исследования, проводимые последние 200-300 лет, сводятся именно к этому. Рассмотрим несколько аксиом, которые влияют на явление голубого неба:

1. Белый свет солнца — это сочетание различных цветовых потоков. Белый цвет «отдельно» не существует. Как всем известно есть только 7 цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), остальные цвета получаются только при их сочетании. Белый цвет получается при сочетании всех семи цветов. Стоит учесть, что имеются ввиду именно цвета, которые мы можем различить глазом.
   
2. Атмосфера — не пустота, она состоит из многих газов: азот (78%), кислород (21%), углекислый газ, вода в различных ее состояниях (пар, кристаллы льда). Также вокруг нас витает много пыли, элементов различных металлов. Все они искажают белый свет солнца.
3. Воздух, который нас окружает и которым мы дышим, на самом деле непрозрачный. Во всяком случае, в больших объемах. Мы же не в вакууме живем все-таки.

От этих трех фактов и будем отталкиваться далее.

История

Еще в 19-ом веке ученый по имени Джон Тиндалл провел исследования, которые доказали, что мы видим небо синим из-за частиц в атмосфере. У себя в лаборатории он искусственно создал туман с частицами пыли и направил на него яркий белый луч — цвет тумана поменялся на голубоватый. Спустя 30 лет, в 1899 году ученый-физик Рэлей опроверг исследования своего предшественника и опубликовал доказательства того, что небо голубое именно благодаря молекулам воздуха
, а не пыли в нем. Называется данное явление «диффузным излучением неба
» подробно об этом можно прочесть в «Википедии» .

Что такое свет? Свет — это поток фотонов, некоторые мы можем уловить глазом, а некоторые нет. Так, например, стандартный спектр цветов мы видим, а ультрафиолетовый, который также излучает солнце — нет. Какой цвет в итоге мы увидим зависит от «длины волны» этого потока. От этой длины волны и зависит какой цвет получится.

Так вот. Мы определили, что солнце посылает нам кванты с длиной волны, которая соответствует белому цвету, но как он проходя через атмосферу превращается в голубой цвет? Рассмотрим на примере радуги. Радуга — является прямым примером преломления света и разделения его на спектр. Создать свою радугу можно с помощью стеклянной призмы в домашних условиях. Разложение цвета на спектр называется дисперсией
.

Так вот, наше небо выполняет функцию призмы. Большая часть белого света, проходя через молекулы газа в атмосфере, меняют длину своей волны. В итоге «выходя» из молекул фотоны имеют уже другой цвет. Этот цвет может быть как фиолетовый, красный, так и голубой и синий.

Почему мы видим именно голубой цвет, а не красный

Какой цвет мы в итоге увидим при прохождении света от солнца к земле зависит от того какие фотоны преобладают. Так например, при проходе света через атмосферу, количество квантов синего цвета в 8 раз больше чем красного, а фиолетового в 16 раз! Это связано с той самой различной длинной волны, так фиолетовый и синий сильно рассеиваются, а красный и желтый рассеиваются значительно хуже. Исходя из этой теории небо должно быть фиолетового цвета, но это не так. Это происходит из-за того, что фиолетовый гораздо хуже воспринимается глазом человека в отличии от синего. Вот поэтому небо голубого цвета
.

Видео о том почему небо голубое:

Почему небо голубое днем, а закат красный

Все, опять-таки, связано с дисперсией цвета. Угол падения солнечного белого света становится меньше, и свет проходит большее количество молекул воздуха, увеличивается длина волны света. Такого количества достаточно для рассеивания до красного цвета.

Популярные советы

• Тест: какое впечатление ты производишь Что ни говори, мужская логика…
• Тест: любит ли он тебя? Иногда так хочется заглянуть в…
• Теcт на эрудицию для испытания Попытайтесь правильно ответить на наши…
• Тест: насколько ты ревнива? Иммануил Кант говорил: «Мужчина ревнует,…
• Тест на эрудицию, который может Интересные вопросы об очень необычных…
• Тест: насколько интересно с вами Все хотят иметь друзей. Но…
• Тест на эрудицию для всезнаек Интересный вопросы из самых разных…
• Эрудит тест с 10 вопросами Десять интересных вопросов на самые…
• Неординарный тест на эрудицию – Предлагаем достойное испытание для вас…
• Эти 5 знаков зодиака будут У многих людей 2020 год…

Как можно ответить маленькому ребенку?

Конечно, вышеприведенные объяснения не очень подходят для детей. Если в разговоре со школьником еще можно рассказать о понятии солнечного спектра и создать пусть упрощенную, но все-таки физическую модель, то для детей помладше нужен более простой ответ.

Проще всего в данном случае сказать, что в небе как бы отражаются синие озера и реки — точно так же, как небо отражается в них. Это объяснение вполне устроит ребенка на несколько лет — пока он не дорастет до более серьезного разговора.

Всем давно уже известно, какими любознательными являются дети. Они порой задают такие вопросы, которые вгоняют взрослых в краску. Вроде все элементарно и просто, однако, дать в ту же минуту ответ сложно многим родителям. Чтобы не попадать в такие сложные и неловкие ситуации при разговоре с ребенком, необходимо подготовиться к ним основательно.

Поэтому мы разберем те вопросы, которые наиболее часто приходится слышать из уст детей и которые заинтересовывают взрослых.

Фраза с вопросом относительно оттенка поднебесья многих родителей ставит в довольно неловкое положение. Детям интересно то, почему поднебесье именно светло-синее, не желтое, не красное, ведь космос черный? Но если мы, взрослые, затрудняемся ответить, то это значит, что мы сами толком не знаем ответа на этот вопрос, и нам никогда не приходило в голову задаваться им. И многие, не зная правильного ответа, переводят тему.

Свет, который состоит из 7 оттенков спектра, проходит, как правило, через атмосферу. Происходит столкновение солнечных фотонов с множеством молекул газа, содержавшихся в воздухе. Это приводит к такому явлению, как рассеивание. Самым интересным является момент, касающийся количества частиц, которые занимаются излучением короткой волны синего оттенка. Их становится больше в 8 раз. Выходит, что на пути к Земле оттенок солнечных лучей сменяется с белого на светло-синий. Как же объяснить все это ребенку? Но ребенок еще очень мал, что говорить с ним о фотонах солнечных лучей, которые сталкиваются с молекулами газа.

Короткий ответ в беседе для детей

Воздух, который нас окружает, имеет в своем составе крошечные и постоянно движущиеся частички — газы, пылинки, соринки, пары воды. Они так малы, что рассмотреть можно только под микроскопом, а солнечный свет — это гармония семи оттенков. Лучу, который проходит сквозь воздух, приходится сталкиваться с мелкими частичками. И это приводит к тому, что оттенки в нем разъединяются. А так как в цветовом спектре больше светло-синего цвета, то его мы только и видим. А можно просто ответить коротко, что солнечные лучи окрашивают воздух в светло-синий оттенок.

Шутливый (оригинальный) ответ

Все думают, что воздух прозрачен, но он светло-синего оттенка. До солнышка нам очень и очень далеко. Смотря на верх, нам удается рассмотреть лишь толстый воздушный слой. Он так чист, что кажется светло-синим. Также возможно и шутливо ответить, что оно светло-синее, потому что в игре, кто быстрее, всегда побеждает светло-синий оттенок.

Цвет неба в хорошую погоду

В то время как предсказать цвет моря непросто, цвет неба в хорошую погоду легко объясняется физическими принципами, выявленными английским физиком лордом (1842–1919). В отсутствие облаков цвет неба определяется результатом взаимодействия солнечного излучения с компонентами атмосферы Земли, а именно с неоднородностями (флуктуациями) плотности молекул азота и кислорода.

Как эти молекулы ведут себя, попав в поле солнечного излучения? Рассмотрим монохроматический свет, обладающий заданной длиной волны λ. Он представляет собой колеблющиеся в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения света, с частотой υ магнитное и электрическое поля. Под действием колеблющегося электрического поля электроны в молекулах также колеблются с частотой υ. В результате и сама молекула становится маленьким излучателем, испуская свет той же частоты, что и падающая волна. Это похоже на то, как излучает электромагнитные радиоволны теле- или радиоантенна. В случае молекул и солнечного света длина его волны оказывается много большей размера молекул, и такое рассеяние называется . Расчеты показывают, что интенсивность рассеянного света оказывается пропорциональной четвертой степени частоты υ4 (или 1 / λ4). Это утверждение называется законом Рэлея — Джинса.

Как все это связано с цветом неба? Согласно закону Рэлея, рассеяние электромагнитных волн оказывается значительно интенсивнее для высоких частот по сравнению с низкими. Это означает, что молекулы атмосферы сильнее рассеивают синий цвет, чем красный, зеленый или желтый.

Вот почему небо синее! Следуя этому рассуждению, можно было бы предположить, что небо должно быть фиолетовым, так как фиолетовое излучение обладает более высокой частотой, чем синее. В действительности в спектре солнечного излучения доля фиолетового меньше, чем синего. Кроме того, и максимальная чувствительность человеческого глаза находится в области зеленого (555 нм). В результате фиолетовая часть спектра солнечного излучения оказывается подавленной в восприятии человеческого глаза, и небо видится синим.

Пыль или молекулы?

Все это прекрасно, но наше небо заполнено воздухом, а не жидкостью, и в небе не плавают кусочки мыла или молока… Что за частицы рассеивают свет в воздухе? Тиндаль и Рэлей полагали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара, которые взвешены в атмосфере в точности как частички молока взвешены в воде.

Это ошибочное мнение, хотя и сегодня некоторые люди говорят, что цвет неба определяется паром и пылью. Если бы это было так, то цвет неба менялся бы гораздо сильнее в зависимости от влажности или тумана, чем он меняется на самом деле. Поэтому ученые предположили (правильно!), что для объяснения рассеяния достаточно молекул кислорода и азота. Это сам воздух, вернее, его молекулы рассеивают свет!

Голубое небо и облака на нем. Воздух рассеивает свет в соответствии с рэлеевским рассеянием, а более крупные частички облаков в соответствии с рассеянием Ми. Фото: Andrei Azanfirei/Flickr.com

Вопрос окончательно решил Альберт Эйнштейн в 1911 году, который рассчитал детальную формулу для рассеяния света в зависимости от молекул и дальнейшие эксперименты блестяще подтвердили его вычисления. Говорят, Эйнштейн даже смог использовать свои расчеты в качестве дополнительной проверки числа Авогадро!