В статье разберемся, почему днем небо кажется голубым, а на закате окрашивается в оранжевые и красные тона. Узнаем, как объяснить этот эффект детям, какие увлекательные эксперименты можно провести вместе с ними, а также взглянем на цвета небосводов других планет. Поможет нам Глеб Боровский, автор одноименного YouTube-канала, преподаватель МФТИ и учитель физики.
Что влияет на цвет неба
Чтобы понять, от чего зависит оттенок небосвода, нужно разобраться в природе света и его связи с электромагнитными волнами. Цвет определяется взаимодействием солнечного света с атмосферой. Солнечный луч представляет собой поток частиц — фотонов и электромагнитную волну.
Как бы странно ни было, но гамма-излучение при ядерном взрыве, микроволны СВЧ-печи, рентгеновское излучение и видимый свет — это волны одной природы, различающиеся длиной, частотой и энергией. Эти различия определяют, как волны ведут себя при взаимодействии с веществом. Например, длинные радиоволны проходят через атмосферу практически беспрепятственно, тогда как коротковолновый видимый свет рассеивается.
На цвет неба влияют несколько факторов. Разберем их последовательно.
1. Длина и частота волны
«Если вы приедете на море, остановите время и измерите рулеткой расстояние между двумя гребнями морских волн, то найдете их длину. У электромагнитных волн тоже есть длина, которая, по сути, равна расстоянию между двумя соседними пиками. А теперь возьмите секундомер и посчитайте, сколько волн приходит на берег за секунду. Это и будет частота — количество волн за единицу времени. Например, когда говорят, что частота составляет 10 Гц, это значит, что за секунду приходит 10 волн. И, как мы уже поняли, световые волны похожи на морские, поэтому для них тоже вводится частота», — разъясняет Глеб Боровский.
Видимый свет раскладывается на спектр цветов, поскольку включает в себя волны разной длины. Красный цвет имеет длину волны около 700 нанометров, а синий и фиолетовый — меньшую (около 400-450 нанометров). Они более подвержены рассеянию при прохождении через атмосферу.
2. Состав атмосферы
Чтобы небо окрасилось в краски, нужна рассеивающая среда. В вакууме свет распространяется по прямой, но воздушная оболочка Земли является препятствием. Свет сталкивается с молекулами азота, кислорода и водяного пара, которые по-разному взаимодействуют с ним. Если в воздухе много пыли или облаков, рассеяние происходит интенсивнее.
3. Плотность атмосферы
Чем плотнее слой воздушной оболочки, тем сильнее свет поглощается и рассеивается.
Почему мы днем видим небо голубым, а не другого цвета
Человеческий глаз воспринимает небольшую часть электромагнитного спектра — видимый свет, который раскладывается на разные цвета в зависимости от длины волны. Когда свет достигает атмосферного слоя, возможны несколько типов взаимодействия с веществом: поглощение, отражение, преломление и рассеяние. Нас интересует последнее. Когда мы задаемся вопросом, почему небо голубое, речь идет о рэлеевском рассеянии. Это основной механизм, объясняющий цвет неба.
«Если проводить очень упрощенную аналогию, то рассеяние — это как бег через толпу. Представьте, что 100 человек бегут в одном направлении, но на пути встречают других людей. Они врезаются, меняют скорость, отклоняются в сторону, падают. В итоге упорядоченное движение превращается в хаотичное. Так же и с лучами света: изначально они движутся в одном направлении, но при встрече с молекулами воздуха изменяют вектор скорости из-за рассеяния», — комментирует Глеб Боровский.
Согласно исследованию физика Джона Уильяма Стретта, известного как лорд Рэлей, короткие волны рассеиваются намного сильнее, чем длинные. Логично предположить, что раз фиолетовый рассеивается сильнее, небо должно казаться именно таким. Однако человеческий глаз менее чувствителен к этому спектру. Часть его излучения поглощается озоновым слоем. Поэтому небо воспринимается голубым.
Предметы приобретают определенный цвет в зависимости от того, как их молекулы поглощают, отражают или рассеивают различные длины волн. Например, лист растения выглядит зеленым, потому что его пигменты — такие, как хлорофилл — поглощают красные и синие волны, а зеленые отражают.
«По этой причине запрещающие знаки часто делают красными. Это касается светофоров, дорожных и других предупреждающих обозначений. Длинные волны красного света проходят с меньшим рассеянием, поэтому даже в тумане или на большом расстоянии сигнал остается хорошо различимым», — объясняет эксперт.
Почему небо меняет цвет при закате и восходе
Когда Солнце находится в зените, свет преодолевает относительно небольшой участок атмосферы. Однако во время восхода и заката угол наклона солнечных лучей изменяется, и они проходят более долгий путь до Земли. В результате этого путешествия синий свет рассеивается почти без остатка, тогда как длинные красные и оранжевые волны проникают сквозь атмосферу, окрашивая небо в теплые оттенки. Если в воздухе присутствует много пыли, дыма или водяного пара, эффект усиливается, поскольку частицы дополнительно поглощают и рассеивают синий цвет.
Как объяснить детям простыми словами, почему небо голубое
Попробуем воспользоваться аналогией. Солнечный свет — это волшебный луч, в котором спрятались все цвета радуги. Когда луч летит по небу от Солнца к нам, он встречает крошечные невидимые частицы воздуха. Красные, желтые и оранжевые цвета спокойно продолжают свой путь, а вот синие — непослушные. Они прыгают и разбегаются во все стороны, заполняя все вокруг. Поэтому, когда мы смотрим вверх, небо кажется голубым.
Как наглядно показать детям физику рассеяния света: эксперименты
Делимся двумя опытами, которые легко повторить дома.
Смешение цветов на бумаге — диск Ньютона
Этот эксперимент — отличный способ показать ребенку, как смешиваются цвета, и почему белый состоит из всех цветов радуги.
Вам понадобится:
Белый картон или плотная бумага.
Циркуль.
Линейка.
Карандаши, фломастеры или краски (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый).
Ножницы.
Клей или скотч.
Круглый предмет (тарелка, стакан) для обведения круга.
Шпажка, зубочистка или карандаш (основа для волчка).
Нарисуйте на картоне круг диаметром 9-10 сантиметров. Затем аккуратно вырежьте его ножницами. Разделите на семь равных секторов, как пиццу. Раскрасьте каждый сектор в цвета радуги по порядку. Сделайте небольшое отверстие в центре круга. Вставьте шпажку, зубочистку или карандаш. Это будет ось для вращения диска. При необходимости закрепите ее клеем или скотчем. Запустите волчок, раскрутив пальцами. Когда диск станет вращаться быстро, отдельные цвета сольются и начнут приближаться к белому.
Опыт с молоком и фонариком — эффект Тиндаля
Этот эксперимент поможет ребенку понять, как свет рассеивается в жидкости.
Вам понадобится:
Прозрачный стакан с водой.
Фонарик.
Молоко.
Ложка.
Налейте воду в стакан, затем посветите фонариком через него. Обратите внимание, что свет проходит сквозь воду без изменений. Теперь добавьте две капли молока и размешайте ложкой. Вода станет слегка мутной.
Снова направьте фонарик через стакан. Если смотреть сбоку, свет будет казаться голубоватым. А если смотреть прямо в луч, он приобретет желтоватый или оранжевый оттенок. Это происходит из-за рассеяния света: мелкие частички молока сильнее рассеивают синий свет, а желтый и оранжевый проходят дальше. Такой же процесс происходит в атмосфере Земли.
Небо на других планетах: как оно выглядит за пределами Земли
Цвет неба зависит от состава атмосферы. «В космосе преобладает пустота. Чтобы воспринимать цвет, в том числе цвет неба, необходим объект, рассеивающий или отражающий солнечный свет. Если у планеты нет атмосферы или она слишком разрежена, небо будет черным, как на Меркурии или Луне», — рассказывает Глеб Боровский.
Например, атмосфера на Марсе состоит в основном из углекислого газа, она насыщена мелкими частицами пыли. Они рассеивают свет иначе, чем на Земле. Фотографии, сделанные марсоходами NASA, показывают, что днем марсианское небо оранжево-красное, а на закате — сине-серое.
Венера окутана плотными облаками серной кислоты, которые рассеивают солнечный свет, придавая небу желто-оранжевый оттенок с зеленоватым отливом. На Юпитере, вероятно, голубое небо, а на Сатурне — желтое. На Уране — голубовато-зеленое, на Нептуне — насыщенного синего цвета.
Мнение эксперта
Глеб Боровский рассказал, что принципы взаимодействия электромагнитных волн с веществом активно применяются в астрономии и физике.
«Спектроскопия позволяет астрономам определять состав атмосфер планет, выявляя наличие воды, метана или кислорода. Анализ излучения звезд помогает изучать их эволюцию, а исследование космического микроволнового фонового излучения позволило уточнить возраст Вселенной. Эффект Доплера используется для измерения скорости движения галактик, а рентгеновские и радиотелескопы помогают исследовать природу темной материи и процессы, происходящие в активных ядрах галактик», — объяснил эксперт.
Интересные факты о небе
В этом разделе собрали еще несколько интересных сведений о небосводе.
| Факт | Объяснение |
| Голубое небо — иллюзия | В действительности воздух бесцветный. Цвет неба — это результат взаимодействия света и частиц в атмосфере |
| Зеленое небо | Небо может приобрести зеленоватый оттенок, если надвигается буря перед закатом. Это снова связано с рассеянием света |
| Черное пространство космоса | В космосе пространство выглядит черным, поскольку нет частиц, которые бы отражали или рассеивали свет |
