Почему небо голубое, а закат красный

Над одним и тем же берегом днём раскрывается голубой купол, а вечером появляется оранжевая полоса. Вода, деревья и горы ещё почти не изменились, но весь пейзаж уже выглядит иначе. Причина находится не в самом небосводе: цвет создаёт свет, который приходит к наблюдателю через воздух. Чтобы понять эту перемену, полезно проследить два маршрута солнечного луча — прямо от Солнца и после рассеяния в атмосфере.

1Из чего складывается солнечный свет

Белый дневной свет не соответствует одной-единственной длине волны. В нём смешаны разные участки видимого спектра, от фиолетового до красного. Когда они действуют на зрение вместе, мы обычно воспринимаем их как белый свет. Разделение этой смеси хорошо заметно в радуге: капли воды направляют разные цвета немного по-разному. Подробности этого процесса объясняет статья Как появляется радуга и почему в ней разные цвета.

Цветам соответствуют разные длины световых волн. У синего и фиолетового света они короче, у оранжевого и красного — длиннее. Границы привычных названий условны: между «синим» и «голубым» нет разрыва, который можно было бы обнаружить в луче. Спектр меняется непрерывно, а слова делят его на удобные для разговора области.^[1]

Атмосфера не просто пропускает этот свет, как совершенно прозрачное окно. Часть излучения поглощается, часть меняет направление. Поэтому цвет далёкого предмета, освещение комнаты и окраска самого неба зависят от того, какой путь прошёл свет. Голубизна воздуха особенно заметна, когда перед глазами не близкий объект, а огромная освещённая толща атмосферы.

2Как невидимый воздух делает небо голубым

Молекулы воздуха гораздо меньше длины волны видимого света. При взаимодействии с ними возникает рассеяние, описываемое законом Рэлея: короткие волны рассеиваются значительно сильнее длинных. В рамках этого приближения интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Именно поэтому различие между красным и синим оказывается большим, хотя оба цвета свободно проходят через воздух.^[2]

Рассеять свет — значит отправить его в другое направление. Когда человек смотрит на участок неба вдали от Солнца, в его глаза попадают лучи, отклонившиеся от первоначального маршрута. Среди них сравнительно велика доля коротковолнового света, и участок выглядит голубым. Воздух при этом не получает синюю окраску, как вода с растворённой краской: меняется состав излучения, приходящего с выбранного направления.

Рассеяние одновременно объясняет, почему днём светло даже там, куда не падают прямые солнечные лучи. Открытый тенистый двор освещён небом, стенами и другими поверхностями. У света голубого неба есть собственный вклад в эту общую картину; рядом с тёплой солнечной полосой тень иногда кажется прохладнее по цвету. Это различие освещения существует до того, как его запишет фотокамера.

3Почему небо не кажется фиолетовым

Из закона рассеяния возникает естественный вопрос: если более короткие волны отклоняются сильнее, почему над головой не фиолетовый купол? Ответ нельзя свести только к одному свойству воздуха. Важны спектр солнечного излучения, его прохождение через атмосферу и чувствительность человеческого зрения.

Глаз не является прибором, одинаково чувствительным к каждой длине волны. Цветовое восприятие складывается из ответов нескольких типов колбочек сетчатки, а затем обрабатывается нервной системой. К самому коротковолновому краю видимого спектра зрительная чувствительность ниже. Смешанный свет неба поэтому воспринимается как голубой или синий, хотя фиолетовая составляющая в нём тоже присутствует.^[3]

Название цвета описывает итог восприятия, а не полный набор пришедших волн. Точно так же белая поверхность отражает множество длин волн, не превращаясь в разноцветную мозаику. Эта разница между спектром и ощущением помогает понять, почему фотография заката может отличаться от впечатления на месте: камера измеряет свет своими сенсорами и преобразует сигнал по заданным правилам.

4Что происходит перед закатом

Когда Солнце стоит высоко, его лучи приходят к поверхности через сравнительно короткий слой атмосферы. У горизонта маршрут становится гораздо длиннее. По дороге из прямого пучка интенсивнее рассеивается коротковолновая составляющая, поэтому оставшийся свет приобретает жёлтые, оранжевые и красные оттенки. Для такого заката не обязательно наличие необычной пыли: молекулярное рассеяние работает и в чистом воздухе.^[4]

Важно различать свет самого солнечного диска и свет окружающего неба. Один приходит преимущественно по прямому пути, другой складывается из рассеяния, иногда неоднократного, и отражения облаками. Поэтому закат не представляет собой простую одноцветную полосу. Возле горизонта может быть оранжевое свечение, выше — розовые облака, а ещё выше сохраняется голубой участок.

Меняется и освещение земных поверхностей. Белая стена получает тёплый оттенок, рябь на воде отражает вытянутую светлую дорожку, а горный склон может стать розоватым. Эти цвета не требуют изменения материала стены или камня. Они возникают из сочетания падающего света, свойств поверхности и направления взгляда. Отражение заката в озере — отдельная часть картины, а не причина красного неба.

5Облака, дымка и пыль

Капли и кристаллы в облаках гораздо крупнее молекул воздуха. Для них простое рэлеевское объяснение уже недостаточно. Они рассеивают широкий диапазон видимого света, поэтому освещённое облако часто выглядит белым. Внутри плотного облака свет многократно меняет направление, и до нижней стороны доходит меньше освещения: отсюда привычный серый цвет.^[5]

Аэрозольные частицы также меняют вид неба. Дымка может делать его белёсым, уменьшать контраст далёких гор и расширять светлую область вокруг Солнца. Иногда аэрозоли усиливают отдельные оттенки сумерек, но правило «чем больше пыли, тем красивее закат» неверно. Результат зависит от размеров частиц, их состава, количества и распределения по высоте. Очень плотная взвесь способна просто ослабить и приглушить свет.

Условия над берегом, равниной и большим городом различаются, поэтому одинаковое положение Солнца не гарантирует одинаковую палитру. Снимки из статьи Озеро Байкал: где находится и чем знаменито можно рассматривать как пример пейзажей, где цвет воды, воздушная перспектива и отражения работают вместе. Однако прозрачность озёрной воды сама по себе не делает небо голубым.

6Почему за атмосферой темно

В космосе между небесными телами слишком мало вещества, чтобы создать такой же яркий рассеянный фон, как земной воздух. Поэтому освещённый объект может быть очень ярким, а пространство рядом с ним — тёмным. Солнечный свет там есть, но без рассеяния он не приходит к глазу со всех направлений. Это важное различие между наличием света и видимостью окружающего пространства.^[6]

При взгляде с орбиты сама Земля, её облака и атмосферный край остаются светлыми. Чёрный фон не означает, что исчезло Солнце или наступила ночь на планете. Он показывает, насколько значим тонкий воздушный слой для земной картины дня. Голубой небосвод оказывается повседневным свидетельством взаимодействия света с веществом, а вечерняя смена оттенков — следствием изменения геометрии этого взаимодействия.

7См. также

• Как работает цифровая камера
• Планеты Солнечной системы по порядку