Голубое небо, улыбающееся мне / Ничего, кроме синего неба, я не вижу
Если вы когда-нибудь задумывались, почему, подобно Ирвингу Берлину, вы не видите «ничего, кроме голубого неба», вы в хорошей компании.
Наверняка мы все поднимали глаза и задавались вопросом: "Почему небо голубое?" в тот или иной момент нашей жизни. Потребовались многие столетия и множество умных людей, включая Аристотеля, Исаака Ньютона, Томаса Янга, Джеймса Клерка Максвелла и Германа фон Гельмгольца, чтобы найти ответ, отчасти потому, что решение включает в себя так много компонентов: цвета солнечного света, угол, под которым солнечный свет проходит через атмосферу, размер частиц и атмосферных молекул в воздухе, а также то, как наши глаза воспринимают цвет.
Световая энергия, излучаемая в атмосфере Земли
Давайте на мгновение исключим из уравнения, почему небо кажется голубым, и начнем с цвета. С точки зрения физики цвет относится к длинам волн видимого света, исходящего от объекта и попадающего на сенсор, например, на человеческий глаз. Эти длины волн могут отражаться илирассеиваться от внешнего источника или исходить от самого объекта.
Цвет объекта меняется в зависимости от цветов, содержащихся в видимом источнике света; например, красная краска в синем свете выглядит черной.
Исаак Ньютон продемонстрировал с помощью призмы, что белый свет солнца содержит все цвета спектра видимого света, поэтому в солнечном свете возможны все цвета.
В школе большинство из нас узнали, что банан кажется желтым, потому что он отражает желтый свет и поглощает все остальные длины волн. Это не точно. Банан рассеивает столько же оранжевого и красного света, сколько и желтого, и в той или иной степени рассеивает все цвета видимого диапазона. Настоящая причина, по которой он выглядит желтым, связана с тем, как наши глаза воспринимают свет. Однако, прежде чем мы углубимся в это, давайте посмотрим, какого на самом деле цвета небо.
Голубое небо: Предел размера
Как и бананы, атомы, молекулы и частицы в атмосфере поглощают и рассеивают свет. Если бы это было не так или если бы у Земли не было атмосферы, мы бы воспринимали солнце как очень яркую звезду среди других звезд на небе вечной ночи. Однако не все длины волн в спектре видимого света рассеиваются одинаково.
Более короткие, более энергичные длины волн, ближе к фиолетовому концу спектра, рассеиваются лучше, чем те, которые ближе к более длинному, менее энергичному, красному концу спектра. Эта тенденция частично связана с их более высокой энергией, которая позволяет им больше играть в пинг-понг, а частично с геометрией частиц, с которыми они взаимодействуют в атмосфере.
В 1871 году лорд Рэлей вывел формулу, описывающую подмножество этих взаимодействий, в которых атмосферные частицы намного меньше, чем длина волны падающего на них излучения. Модель рассеяния Рэлея показала, что в таких системах интенсивность рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени его длины волны.
Другими словами, более короткие волны, такие как синий и фиолетовый, рассеивают намного больше, чем длинные, когда частицы, такие как молекулы кислорода и азота, относительно малы. В этих условиях рассеянный свет также имеет тенденцию равномерно рассеиваться во всех направлениях, поэтому небо кажется таким насыщенным цветом.
Если бы мы были настолько глупы, чтобы смотреть прямо на солнце, мы бы видели все длины волн, потому что свет достигал бы наших глаз напрямую. Вот почему солнце и область вокруг него выглядят белыми. Когда мы смотрим в сторону от солнца, на ясное небо, мы видим свет в основном с более короткими рассеянными длинами волн, такими как фиолетовый, индиго и синий.
Так почему же небо кажется не фиолетовым, а голубым? У глаз есть. Ваши глаза воспринимают цвет с помощью структур, называемыхколбочками. Ваша сетчатка усеяна примерно 5 миллионами колбочек в каждой, состоящих из трех типов, которые специализируются на различении цветов.
Хотя каждый вид колбочек наиболее чувствителен к определенным пиковым длинам волн, диапазоны типов колбочек перекрываются. В результате разные спектры и спектральные комбинации могут быть обнаружены как один и тот же цвет.
В отличие от нашего слуха, который может распознавать отдельные инструменты в оркестре, наши глаза и мозг интерпретируют определенные комбинации длин волн как один дискретный цвет. Наше зрительное восприятие интерпретирует сине-фиолетовый свет неба как смесь синего и белого света, поэтому небо светло-голубое.
Сансет Стрип
Цвет неба может меняться в зависимости от пыли, загрязнения и водяного пара, которые по-разному влияют на поглощение и рассеяние солнечного света. Например, марсианское небо кажется ирисковым оттенком из-за постоянной дымки пыли в его атмосфере. Красноватый оттенок закатов на Земле в основном связан с тем, что солнечный свет проходит через большую часть атмосферы, чтобы достичь наших глаз. К тому времени, когда приходит свет, он лишается более коротких длин волн, которые рассеиваются, оставляя только длинноволновое прямое освещение более красных тонов солнечного света.