Обычно в Интернете на вопрос «почему небо синее?» отвечают «из-за рэлеевского рассеяния». Это правильный, но не особо полезный ответ. Знание терминологии сильно отличается от понимания явления. Но если понимание заключается не в знании терминов... то в чём? Я отвечаю на это так: в существовании модели, позволяющей нам создавать прогнозы. Если мы надёжным образом можем прогнозировать что-то, то, вероятно, понимаем это. В этой статье я исследую, почему небо синее; но мы настолько углубимся в эту тему, что после прочтения вы сможете прогнозировать, какой цвет неба будет на других планетах.
Давайте для начала зададимся вопросом: какого цвета ДОЛЖНО быть небо?
Или, если сделать ещё один шаг назад: какого-то цвета должен быть какой-то объект?
Ответ таков: цвет неотъемлемо связан[1] с длиной волн фотонов, поступающих от этого объекта и попадающих нам в глаза.
Когда солнечный свет попадает в атмосферу Земли, большинство цветов фотонов проходит без помех. Но синие фотоны склонны сильно рикошетить.
Из-за этого они распространяются по всей атмосфере. Они распространяются так далеко и широко и настолько многочисленны, что можно посмотреть в любую часть неба в безоблачный день, и синие фотоны мгновенно попадут из этой точки прямо вам в глаза.
Поэтому небо и синее.
Чем синий цвет такой особенный?
Всё это верно, но у нас возникают новые вопросы. Почему синий? Почему не красный?
Если вкратце, то потому, что частоты синего и фиолетового ближе всего к «резонансной частоте» электронных облаков молекул азота и кислорода.
В этом предложении много непонятного, поэтому ниже я объясню его подробнее. Но для начала демо:
Это демо упрощено. В реальности сквозь атмосферу проходят 99,999% фотонов, (не рассеиваясь и не поглощаясь), даже на резонансной частоте. Смотреть на такое было бы слишком скучно!
Когда фотон проходит через маленькую молекулу (например, N2 или O2, составляющие 99% атмосферы), электронное облако вокруг молекул начинает «трястись». Эта тряска происходит на той же частоте, что и у самого фотона. Поэтому фиолетовые фотоны приводят к более быстрой тряске, чем красные.
Как бы то ни было, из-за причин, связанных с внутренней структурой молекулы, у электронного облака каждой молекулы есть резонансные частоты. Когда электронные облака вибрируют всё ближе и ближе к этим резонансным частотам, вибрации становятся всё больше и больше.
(Это можно сравнить с тем, как родитель раскачивает ребёнка на качели с «подходящей» частотой, чтобы он поднимался всё выше и выше.)
Чем сильнее колебания электронного облака, тем выше вероятность того, что проходящий фотон (а) отразится в новом направлении, а не (б) пройдёт напрямую.
Для N2 и O2 самая низкая резонансная частота находится в ультрафиолетовом диапазоне. Поэтому когда видимые цвета увеличивают свою частоту, приближаясь к ультрафиолету, мы наблюдаем всё больше и больше отклонений, или «рассеяния»[2].
На самом деле, вероятность рассеяния фиолетового цвета в десять раз больше, чем красного.
Так почему же небо не фиолетовое? Отличный вопрос, мы вернёмся к нему чуть ниже.
Пока я хочу указать на два аспекта, (а) их можно увидеть в демо выше, (б) они пригодятся нам ниже.
Во-первых, когда свет сильно приближается (и точно совпадает) с резонансной частотой электронного облака молекулы, он поглощается гораздо больше, чем рассеивается! Фотон просто исчезает в электронном облаке (а электронное облако переходит на один энергетический уровень выше). Это не нужно для понимания цвета неба Земли… но и на других планетах тоже есть небо.
Во-вторых: вы заметили, что даже красный цвет немного рассеивается? Да, действительно, синий рассеивается в десять раз больше. Но небо на самом деле имеет все цвета, просто в основном оно синее/фиолетовое. Именно поэтому небо светло-синее. Если белый цвет — это все видимые цвета света, смешанные в равном объёме, то светло-синий — это все видимые цвета, смешанные вместе, но с преобладанием синего.
Как бы выглядело небо, если бы оно было только синим? Посмотрите сами. [В оригинале статьи эта и другие демонстрации интерактивны.]
Закончу я этот раздел тем, что эта динамика (резкое увеличение рассеяния с увеличением частоты света) сохраняется далеко не только с N2 и O2. На самом деле, любая маленькая молекула газа (углекислого газа, водорода, гелия и так далее) в основном будет рассеивать синий цвет, создавая днём синее небо.
Почему небо не фиолетовое?
Как мы увидели выше, фиолетовый свет рассеивается больше синего. Так почему же небо не фиолетовое? Наши глаза просто хуже видят фиолетовый. Это самая высокая частота света, которую мы можем видеть, находящаяся прямо на границе нашего восприятия.
Но! Если бы мы могли видеть фиолетовый так же хорошо, как и синий, небо бы выглядело фиолетовым.
Можно задаться и ещё одним вопросом: если бы мы могли видеть ультрафиолет (это частота, расположенная сразу выше фиолетового), то было ли бы небо ультрафиолетовым?
На самом деле, не совсем. Если бы мы могли видеть ультрафиолет, то небо имело бы фиолетовый цвет с ультрафиолетовым оттенком, но оно не было бы сильно ультрафиолетовым. Во-первых, потому что Солнце испускает меньше ультрафиолетового излучения, чем видимого света. Во-вторых, часть ультрафиолета поглощается озоновым слоем, поэтому не достигает поверхности Земли.
Оба этих явления можно увидеть на графике спектра солнечного излучения:
Почему закат красный?
Очевидно, что следующий вопрос будет таким: почему небо красное на восходе и закате?
Причина этого в том, что когда мы смотрим на солнечный свет под низким углом, ему нужно проделать путь через гораздо бóльшую толщу атмосферы, и это удлинение путешествия повышает вероятность рассеяния всего синего цвета и даже большой доли зелёного!
Проще говоря, синие фотоны (и в меньшей степени зелёные) или (а) улетели в космос, или (б) столкнулись с Землёй где-то ещё, не достигнув наших глаз.
Когда Солнце находится на горизонте (то есть на рассвете или закате), испускаемые им фотоны, чтобы достичь наших глаз, проходят в сорок раз большее расстояние в атмосфере по сравнению с полднем. Поэтому из-за десятикратно большего рассеяния синего он уже пропадает к моменту, когда свет попадает нам в глаза. Даже зелёный существенно ослабляется. Красный цвет, который почти не рассеивается, просто проходит весь путь.
Почему облака белые?
Ответ на этот вопрос — вторая из трёх «предметных областей», которые вам нужно понять, чтобы иметь работающую модель цвета атмосферы. Физика здесь отличается от описанного выше рассеяния в маленьких молекулах.
Облака состоят из огромного числа крошечных капелек воды[3]. Эти капли так малы (примерно 0,02 миллиметра в диаметре), что висят в воздухе. Но по сравнению с маленькими молекулами газа наподобие N2 и O2 эти молекулы огромны. В одной капле воды может быть 100 триллионов молекул H2O!
Поэтому здесь не фотоны заставляют колебаться триллионы электронов. Это больше похоже на то, как свет попадает в крошечную призму или стеклянную бусину.
Капля воды столь же сложна. Часть попадающих на каплю фотонов отражается от поверхности. Часть попадает внутрь, отражается внутри один, два и так далее раза, после чего снова выходит. Малая часть фотонов поглощается. Как и в случае с призмой, разные длины света отражаются под разными углами. Тонкости этого процесса не так важны, главное понять общий принцип.
Поэтому белый (или немного желтоватый) свет, поступающий со стороны Солнца, выходит во множестве случайных направлений. Представьте все цвета, разлетающиеся в разных направлениях, и умножьте это на квадриллион капель. Суммарно мы просто увидим каждую частоту фотона, поступающую из всех частей облака.
И из-за этого облако белое!
Этот принцип распространяется и на всё то, что больше света: изморось, капли дождя, град — всё это имеет беловатый оттенок.
Но здесь возникает вопрос: как насчёт объектов, имеющих размеры между крошечными молекулами (N2, O2) и относительно огромными призмоподобными каплями? Как действуют они?
Хорошим примером может быть пыль в небе Марса.
Почему небо на Марсе красное?
Ответ на этот вопрос — третья из трёх «предметных областей», которые вам нужно понять. Физика здесь отличается и от рассеяния в маленьких молекулах, и от динамики больших капель-призм.
Небо Марса красное, потому что в нём множество крошечных насыщенных железом частиц пыли, поглощающих синий и оставляющих рассеиваться только красный свет.
Да, понимаю, этот ответ звучит, как отмазка. «Ну, допустим, пыль. Только почему она поглощает синий?», — спросите вы.
На самом деле, ответ довольно прост, и его можно обобщить. Правило таково: когда в атмосфере есть твёрдые частицы (очень маленькие, примерно размером с длину волны видимого света), они обычно придают воздуху тёплые цвета — красный, оранжевый, жёлтый.
Если вы живёте в местности, где бывают лесные пожары, то, вероятно, видели этот эффект здесь, на Земле!
Чтобы понять причину этого, нам нужно вернуться немного назад и поговорить о химии.
По сравнению с крошечными молекулами газа, твёрдые частицы обычно поглощают гораздо более широкий спектр частот света.
Например, мы говорили о том, что у N2 и O2 есть конкретные резонансные частоты, на которых они жадно поглощают фотоны ультрафиолета. Если немного сместиться от этих частот, то уровень поглощения резко падает.
Но даже крошечная наночастица пыли состоит из множества разных молекул, каждая из которых имеет слегка отличающуюся конфигурацию и отталкивает свет немного по-другому, чем её соседи. Поэтому молекулы, из которых состоит пыль, имеют разные предпочтения в поглощаемых частотах.
Так как «пик» поглощения молекул обычно приходится на фиолетовый или ультрафиолетовый свет (как в случае малых молекул газа), синие/фиолетовые цвета добираются до поверхности гораздо в меньшем количестве, чем оранжевые/красные.
Разумеется, возникает логичный вопрос: почему синий и фиолетовый так сильно поглощаются этими частицами пыли?
Это единственные фотоны, имеющие достаточную энергию для того, чтобы электроны молекул пыли могли скакнуть в новое энергетическое состояние.
(Напоминание: энергия фотона пропорциональна его частоте. Чем выше частота, тем выше энергия, как в случае фиолетового света, и чем меньше частота, тем меньше энергии, как в случае красного.)
Специфика зависит от конкретных молекул, но в общем случае уровень энергии, необходимый для поднятия энергетического состояния электрона в молекулах частиц пыли или смога, соответствует фиолетовым или ультрафиолетовым фотонам.
На самом деле, это справедливо для твёрдых веществ в целом, а не только для атмосферной пыли или взвесей. Наверно, вы слышали, что пурпурный был «цветом королей», а в древности пурпурный краситель был на вес золота. Чтобы покрасить что-нибудь в пурпурный, нужно найти материал, электроны которого возбуждаются низкоэнергетичными красными фотонами, но не взаимодействуют с высокоэнергичными фиолетовыми фотонами.
Именно поэтому небо Марса красное, и поэтому красные и коричневые оттенки больше распространены в природе (по крайней мере, в твёрдых веществах), чем пурпурные и синие.
Почему закат на Марсе синий?
Это менее известный факт, чем о красном дневном небе Марса, но на самом деле марсианский закат синий!
В предыдущем разделе мы говорили о поглощении марсианской пылью фиолетового/синего света. Но пыль также рассеивает свет, что может совершенно никак не быть связано с тем, как она его поглощает (напомню, что поскольку фотоны могут проходить (и обычно проходят) прямо через молекулу, рассеяния и поглощение способны иметь собственные интересные характеристики, зависящие от частоты. Они не просто суммарно равны 100%)
Крошечные атмосферные частицы наподобие пыли и смога — это рассеиватели с равной вероятностью. Абсолютная вероятность рассеяния ими фотона не меняется существенно от длины волны фотона. Однако фотоны с разными частотами могут с большей или меньшей вероятностью рассеиваться в разных направлениях.
В рамках нашей статьи достаточно знать, что марсианская пыль, как и многие атмосферные частицы схожего размера, обычно рассеивают синий свет ближе к направлению, в котором он уже двигался. Красный свет с большей вероятностью отразится под бóльшим углом.
Когда молекулы отражают фотоны только на небольшой угол, это называется прямым рассеянием. Такое рассеяние сильнее всего проявляется для крупных частиц, например, для взвесей пыли или смога. Оно настолько сильное, что на Марсе даже в полдень красный свет заполняет всё небо неравномерно — небо рядом с солнцем заметно темнее!
Но из-за склонности синего к переднему рассеянию на марсианской пыли закат на Марсе имеет синее гало.
Создаём модель
В начале этой статьи я сказал, что способность прогнозирования — хороший показатель степени понимания явления. Давайте займёмся этим. Создадим модель для прогнозирования цвета неба на новых планетах/лунах или в разных ситуациях на нашей планете.
Вот три основные эмпирические правила, о которых мы говорили.
Маленькие молекулы газа = синяя/зелёная атмосфера
Атмосферные газы обычно гораздо меньше длин волн видимого света. В таких случаях они обычно преимущественно рассеивают синий/фиолетовый/ультрафиолетовый свет. Поэтому газовые атмосферы обычно синие или сине-зелёные.
Удобно, что всё это справедливо для Земли, Урана и Нептуна[4].
Пыль или взвеси = красные/оранжевые/жёлтые атмосферы
Когда видимый свет падает на частицы, размер которых примерно сравним с его собственной длиной волны, ситуация усложняется, и результаты могут варьироваться.
Обычно эти частицы представляют собой:
Пыль: твёрдые частицы, поднимаемые вверх механически (ветром, вулканами, метеоритами).
Мгла: твёрдые частицы, образованные химическими реакциями в атмосфере.
Из-за пыли и мглы атмосферы обычно имеют тёплые цвета, например, красный, оранжевый, жёлтый.
Все три достаточно пыльных/мглистых атмосфер в нашей Солнечной системе соответствуют этому правилу!
Небо Марса красное из-за пыли, насыщенной оксидом железа.
Небо Титана оранжевое из-за мглы, состоящей из толинов (органических молекул).
Небо Венеры жёлтое из-за мглы серосодержащих веществ.
Облака = белые/серые атмосферы
Когда видимый свет падает на облака капель (или ледяных кристаллов), которые гораздо больше длины волны света, капли ведут себя, как огромное скопление летающих призм, рассеивая цвета во всех направлениях.
Поэтому облака обычно выглядят белыми, серыми или имеют ненасыщенные оттенки.
(При условии, что на облако падает белый свет солнца. Если облако находится под толстым слоем мглы или не получает всех длин волн, то оно и не может отражать все длины волн).
Соединим все наши знания воедино
Самая крупная и сложная атмосфера в нашей Солнечной системе у Юпитера. Но мы уже знаем достаточно, чтобы начать выдвигать гипотезы о ней!
ВИКТОРИНА: что вы можете сказать об атмосфере Юпитера, глядя на эту фотографию? Ниже есть ответы, так что сначала сделайте своё предположение.
Вот сравнение того, как наши догадки на основе простой модели соотносятся с научным консенсусом.
Цвет | Наша гипотеза | Научный консенсус |
|---|---|---|
Красный | Мгла (пыль невозможна из-за жидкого ядра) | Мгла неизвестного состава |
Белый | Облака, вероятно, ледяные из-за низких температур | Облака аммиачного льда |
Тёмный сине-серый | Маленькие молекулы атмосферы. Но потенциально химически необычная мгла, если что-то достаточно сильно поглощает видимый спектр. | Водород и гелий, то есть маленькие газовые молекулы, рассеивающие синий/фиолетовый[5] |
Неплохо мы справились, правда? Достаточно нескольких базовых принципов, чтобы во многом объяснить цвет неба!
Закончу я статью тем, что свяжу усвоенное нами с физическим явлением рассеяния.
Рассеяние в целом
У учёных есть официальные названия для трёх типов рассеяния, о которых мы говорили. Было бы упущением с моей стороны хотя бы не упомянуть их:
Рэлеевское рассеяние: когда длина волны света гораздо больше, чем частица (например, видимый свет и крошечные молекулы газа).
Рассеяние Ми: когда длина волны света имеет тот же порядок величины, что и частица (например, видимый свет и пыль/мгла).
Геометрическое рассеяние: когда длина волны света гораздо меньше, чем частица (например, видимый свет и капли/кристаллы льда).
И да, это кажется странным, но способ рассеяния частицей света определяется не абсолютным её размером, а относительным к длине света.
Свойство | Рэлеевское рассеяние | Рассеяние Ми | Геометрическое рассеяние |
|---|---|---|---|
Относительный размер частицы | В ~10-10000 раз меньше длины волны | Примерно ~0,1-10 от размера длины волны | >10 раз от размера длины волны |
Пример частицы (для видимого света) | Молекулы газа | Пыль, мгла | Капли, кристаллы льда |
Получающийся цвет (в видимом спектре) | Синий, фиолетовый | Обычно тёплые оттенки, но зависит от ситуации | Оттенки белого, нейтральные |
Зависимость от длин волн | Отдаёт предпочтение коротким длинам волн | Неравномерное или отсутствует | Несущественное |
Направленность рассеяния | Почти симметричное | Сильное прямое рассеяние, особенно с увеличением относительного размера частиц | Все направления |
Роль поглощения | Зависит от длин волн, но для видимого спектра несущественна | Чаще всего важная, но зависит от ситуации | Несущественная |
Из таблицы можно сделать вывод, что если взять частицу и освещать её светом со всё большей длиной волны, то тип её рассеяния будет меняться. И это правда!
Полная картина выглядит примерно так:
Из этого следует несколько любопытных выводов. Допустим, мы находимся в густом дыму, непроницаемом для человеческого глаза. Почему бы тогда не смотреть в нём в инфракрасном диапазоне? Если использовать достаточно большую длину волны, то частицы дыма окажутся в рэлеевском диапазоне, где, разумеется, короткие длины волн рассеиваются гораздо сильнее, чем длинные. Поэтому если выбрать подходящую длину волны в инфракрасном спектре... то мрак окажется прозрачным.
Именно так и поступают пожарные!
Частицы дыма для видимого света находятся в диапазоне рассеяния Ми. Густой дым может поглотить достаточно света для того, чтобы стать непрозрачным. Но в инфракрасном спектре он находится в диапазоне рэлеевского рассеяния. Здесь чем больше длины волн, тем меньше рассеяние. А чем меньше рассеяния, тем больше прозрачности.
Но я отошёл от темы. Простите, не смог сдержаться. Давайте на этом закончим. Как видите, всё изученное нами в этой статье — крошечная капелька в огромном облаке знаний.
Но, по крайней мере, теперь вы знаете, почему небо синее.
Дополнительные ресурсы
Симулятор заката НАСА. Знаете, кто очень хочет узнать, какого цвета небо на других планетах? НАСА. Агентство разработало невероятно мощное приложение для моделирования атмосфер и излучения, и его можно использовать для создания красивых картинок лучших закатов в нашей Солнечной системе.
Синие луны и марсианские закаты. Механика синих закатов Марса до сих пор вызывает вопросы. Авторы этой статьи создали убедительную модель на основании допущений, которые я использовал выше.
Ну, на самом-то деле…
Эти примечания читать необязательно, в них я буду приводить более подробные технические детали.
В данном случае цвет, который мы видим, определяется длинами волн света, попадающего в наш глаз, потому что (1) вы можете видеть чистую частоту, но практически всегда (2) вы видите множество частот, которое мозг интерпретирует, как один цвет.
Например, ощущение бирюзового может быть вызвано (а) фотонами с длиной волны 500 нм, испускаемыми из этой точки, (б) сочетанием фотонов с длинами волн 470 нм и 540 нм, или (в) (что наиболее реалистично) фотонами с большим количеством длин волн, большинство которых приходится примерно на 500 нм.
В тексте статьи я опускаю эти подробности и различия.
«Рассеяние» — это научный термин, обозначающий процесс отражения молекулами фотонов. Говорят и «синий свет рассеивается больше» (объектом здесь является свет) и «молекулы атмосферы рассеивают больше синего света» (объектом здесь является молекула).
Маленькое облако может состоять из квадриллиона капель.
Возможно, вы помните Нептун более тёмным и насыщенно-синим. Однако новый анализ Патрика Ирвина показал, что истинный цвет планеты, вероятно, ближе к показанному здесь. Стоит также отметить, что синий цвет Нептуна и Урана становится гораздо насыщеннее из-за поглощающего красный свет метана в их атмосферах.
Зонд космического аппарата «Галилео» был сброшен в одно из этих пятен. Самой удивительной находкой стало то, насколько сухой оказалась атмосфера Юпитера. Но если учесть, что он был сброшен в точке, где нет облаков, это вполне логично. Вместо кристаллов льда он обнаружил водород и гелий.
