Много песен и стихов написано о красоте лазурного небосвода, но правда заключается в том, что он бесцветен. Поэты и романтики, с восторгом наблюдавшие небесный купол, имели дело лишь с оптической иллюзией. Для того чтобы понять, почему небо голубое, следует обратиться к физике света и анатомии человеческого глаза.
Спектр солнечного света
В XVII веке Исаак Ньютон исследовал появление радуги при пропускании солнечного света через призму. В то время считалось, что сама призма содержит радугу, а луч только выталкивает её. Ньютон разрушил это убеждение, направив полученную радугу на ещё одну призму и восстановив таким образом луч белого цвета. Следующий шаг был сделан Томасом Юнгом. На основе своих исследований звука он предположил, что свет — это волна, и доказал это своим коллегам с помощью наглядных опытов.
С точки зрения современной физики, излучение — поток частиц, обладающих волновой природой. Все различные существующие его виды во Вселенной, расположенные в порядке возрастания их длины волны, называют электромагнитным спектром. Участок рядом с центром этого спектра учёные классифицируют как видимый свет. Он, в свою очередь, дополнительно разбит на секции следующим образом:
- красный: 700—630 нм;
- оранжевый: 630—590 нм;
- жёлтый: 590—560 нм;
- зелёный: 560—490 нм;
- синий: 490—450 нм;
- фиолетовый: 450—400 нм.
Идеальный белый свет содержит равное количество излучения во всё видимом спектре. Большинство людей считает, что солнце — источник света, близкого к идеально белому. В действительности лучи от светила, попав в атмосферу, не обладают одинаковым распределением цветов.
Поскольку Солнце можно рассматривать как шар раскалённого газа, его излучение имеет тепловое распределение цветов. Природа теплового распределения зависит от температуры светящегося объекта. Этот показатель для поверхности Солнца составляет около 6 тыс. градусов Кельвина, что даёт распределение с пиками в инфракрасном диапазоне. То есть солнечный свет представляет собой смесь цветов с доминированием красно-оранжевых оттенков и преобладанием синих над фиолетовыми. Это некоторым образом помогает объяснить, почему небо не фиолетовое, но этого недостаточно для понимания причины его видимого цвета.
Атмосферные искажения
Свет движется всегда по прямой линии до тех пор, пока его что-либо не отражает (как зеркало), не преломляет (как призма) или не рассеивает. Атмосфера представляет собой смесь газов. Если пренебречь теми из них, концентрация которых незначительна, то можно сказать, что воздух состоит из следующих компонентов (в объёмных процентах):
- азот — 78;
- кислород — 21;
- водяной пар — до 2,5.
Кроме того, в атмосфере находятся во взвешенном состоянии частицы пыли и микроскопические капли конденсата водяного пара. Оптические свойства атмосферных газов оказывают непосредственное влияние на то, в каком виде солнечное излучение попадёт на поверхность Земли.
Опыты Тиндаля
Первым человеком, научным образом объяснившим синеву неба, был ирландский исследователь Джон Тиндаль. Он сделал это в 1860-е годы в Королевском институте Лондона, где служил в качестве профессора физики в течение 34 лет. Для своих исследований он построил стеклянную трубку, моделирующую атмосферу, с источником белого света на одном конце. Во время опытов учёный обнаружил, что при введении дыма в сосуд луч света становится голубоватым, если смотреть в стенку трубки, и красноватым, если смотреть с конца, противоположного источнику света.
Эти наблюдения привели Тиндаля к предположению, что частицы пыли и паров в атмосфере рассеивают синий свет. Оптический эффект, названный в честь первооткрывателя, проявляет себя благодаря тому, что синий рассеивается больше из-за более короткой длины волны, в то время как красный обладает большей проникающей способностью в коллоидных растворах и воздухе, насыщенном мелкодисперсными взвесями. Примеры этого явления можно наблюдать в таких случаях:
- Луч фонарика в стакане молока. Наилучшим образом эффект демонстрирует себя в молоке, разбавленном небольшим количеством воды.
- Смещение спектра дыма выхлопных газов из мотоциклов.
- Голубой цвет глаз как результат рассеяния через полупрозрачный слой над радужной оболочкой.
- Видимые благодаря рассеянию лучи от фар в тумане.
- Дым холодных оттенков от лесных пожаров.
Несмотря на исчерпывающую убедительность опытов ирландского гения, эффект Тиндаля не единственная причина, благодаря которой можно наблюдать синеву небесного свода, но само рассеяние света лежит в основе явления.
Рэлеевское рассеяние
Английский физик Стретт Рэлей был первым, кто проиллюстрировал необязательность присутствия в воздухе взвешенных частиц для возникновения явления рассеяния света. В 1871 году он опубликовал статью, описывающую феномен изменений показателя преломления в чистейших веществах. В ней рассматривалась способность отдельных молекул оказывать такое же рассеивающее действие на свет, как и микроскопических частицы пыли.
Молекулы газов способны вызывать два типа рассеивания. В одном случае отражённое молекулами излучение обладает энергией, отличной от падающего света. Эта разница зависит, как правило, от химической структуры рассеивающего вещества. Второй тип взаимодействия предполагает упругий процесс рассеивания, в этом случае фотон отскакивает от молекулы с той же энергией, с которой вошёл в контакт. Бо́льшая часть рассеяния в природе приходится на рэлеевское, которое входит в число наиболее часто наблюдаемых оптических явлений.
Когда солнечный свет проходит сквозь атмосферу, некоторая его часть многократно отражается от молекул газов. Излучение из красной области видимого спектра обладает самой большой длиной волны и менее подвержено взаимодействию из-за сравнительно малых размеров молекул азота и кислорода. У более коротких волн в холодной части спектра шансов на рассеяние в несколько раз больше. Поэтому видимый цвет неба — это тот самый рассеянный свет холодной части оптического спектра.
Описанное явление было бы исчерпывающим объяснением синевы неба, если бы не то обстоятельство, что фиолетовый цвет — самое коротковолновое видимое излучение, и, согласно модели рассеяния Рэлея, можно видеть небо фиолетовым.
Почему не фиолетовое
Действительно, если короткие волны рассеиваются наиболее сильно, то возникает вопрос, почему небосвод не окрашен в цвет самой коротковолновой части видимого света. Одна из причин — тепловое распределение спектра излучения Солнца со смещением в красную зону. Но этой неравномерности недостаточно для наблюдаемого эффекта.
Есть ещё одна причина, которая кроется в устройстве человеческого глаза. Сетчатка глазного дна содержит три типа цветовых рецепторов (колбочек). Они реагируют на следующие участки спектра как на наиболее сильное освещение:
- красный;
- зелёный;
- синий.
Колбочки стимулируются в различных пропорциях, в зависимости от проецируемой на сетчатку картинки, а зрительная система из трёх видов сигналов моделирует всю палитру цветов.
Небо вызывает реакцию красных рецепторов на небольшое количество рассеянного красного света, а также меньший ответ на оранжевый и жёлтый участок спектра. Зелёные колбочки реагируют на жёлтый и более сильно рассеянные зелёный и зелёно-голубой. Синие рецепторы стимулируются цветами вблизи самой холодной части спектра. Если бы не избыток рассеянного фиолетового от небесного свода, небо виделось бы человеческому глазу синим с лёгким зеленоватым оттенком.
Но на индиго и фиолетовый из атмосферы реагируют не только синие, но и красные колбочки, пусть и незначительно. Суммарным эффектом от описанного поведения рецепторов является то, что красные и зелёные колбочки светом неба стимулируются приблизительно одинаково, в то время как синие стимулируются сильнее. Такое сочетание работы элементов сетчатки даёт эффект бледно-голубого цвета.
Очевидно, что человеческое зрение устроено природой без калибровки на идеально белое небо. Скорее всего, такая способность определять естественные цвета была эволюционно важным преимуществом для выживания.
Закаты и туманы и другие планеты
В прозрачном воздухе в ясную погоду закат будет видеться жёлтым, поскольку свет от солнца, падая под большим углом, проходит более значительное расстояние до наблюдателя, чем из положения в зените, и часть синего излучения успевает поглотиться атмосферой. Чем больше воздух загрязнён мелкими частицами искусственного или природного содержания, тем краснее будет закат. Заход солнца над морем имеет оранжевый оттенок из-за частиц соли в воздухе, которые вызывают эффект Тиндаля.
Облака и дымка воспринимаются глазом как белые потому, что они состоят из частиц большего размера, чем длины всех волн оптического спектра, и рассеивают в равной степени всё видимое излучение. Но иногда в воздухе могут присутствовать частицы гораздо меньших размеров и в большом объёме.
Например, некоторые горные районы славятся голубой дымкой. Этот эффект обусловлен аэрозолями терпенов от растительности, реагирующими с озоном в атмосфере с образованием частиц около 200 нм в диаметре, которые и рассеивают синий свет. Извержения вулканов иногда наполняют атмосферу частицами размером 500—800 нм, эффективно рассеивающими тёплую часть спектра, что даёт противоположный эффект.
Другие небесные тела не имеют такой атмосферы, как у Земли, поэтому их небо выглядит иначе. Газовая оболочка Марса значительно тоньше. Низкая плотность молекул в ней означает, что рэлеевское рассеяние, вызывающее синеву небосвода, не имеет большого значения на Марсе. Из-за большого количества пыли, постоянно взвешенной в атмосфере, марсианское небо окрашено в тёплую гамму цветов. Это происходит потому, что более крупные частицы пыли поглощают коротковолновой синий свет и рассеивают остальные.
Небо Луны вообще не имеет цвета. Её атмосфера настолько тонка и разрежена, что молекулы газов почти не сталкиваются друг с другом. Оптические искажения, вызываемые газовой оболочкой земного спутника, невозможно обнаружить даже чувствительными приборами. Поскольку солнечный свет не рассеивается, независимо от дня и ночи небо Луны всегда видится чёрным.
Цвет неба в различных культурах
Не все согласны с тем, что небо голубое. В 1858 году Уильям Гладстон, более известный как четырежды премьер-министр Великобритании, опубликовал трактат о Гомере. В своём труде он с удивлением отметил, что греческий поэт ни разу не использовал слово синий. Гомер описывал море как винно-тёмное и употреблял подобные странные оттенки вместо названий холодных цветов. Изучив другие древнегреческие тексты, Гладстон обнаружил ту же закономерность — в них не было ничего, что описывалось бы как синее или голубое.
Филолог Гейгер продолжил его исследования и выяснил, что подобная закономерность прослеживается и в других культурах. Он изучил исландские саги, Коран, древнекитайские рассказы и ранние тексты Библии. Солнце и игра цвета краснеющих закатов описывались в этих источниках неоднократно, но нигде не упоминалось, что небо голубого цвета. Единственной древней цивилизацией, создавшей слово для коротковолновой части видимого спектра, были египтяне. И это было закономерно, так как они массово производили синий краситель.
Количество цветовых терминов варьируется очень широко и в современных языках. Характерно для всех языковых групп без исключения присутствие слов для обозначения тёплых оттенков, притом что немало даже из современных языков не имеют определений для спектра между зелёным и фиолетовым. Говорящие на русском различают синий и голубой, а для англичан это один цвет. Цвет неба на японском одинаков с цветом травы и яблок. Намибийское племя химба описывает небосвод словом, которое переводится как «тёмный» и включает в своё значение оттенки красного, зелёного и фиолетового.
Перечисленные феномены имеют отношение не только к педантичности в вопросах перевода. Они свидетельствуют о том, что язык имеет огромное влияние на то, как люди интерпретируют мир. Это может показаться невероятным, но наличие отдельного слова для обозначения цвета усиливает его восприятие в сравнении с другими оттенками. Поэтому не будет безосновательным мнение, что для англоговорящих небо синее, для русскоязычных голубое, а у древних греков оно было просто яркое.