Почему небо голубое, а закат красный

Небо голубое потому, что молекулы воздуха рассеивают солнечный свет: часть лучей меняет направление и приходит к нам со всего небосвода. Короткие видимые волны рассеиваются сильнее длинных, а получившуюся смесь наше зрение воспринимает как голубую. На закате путь света через воздух удлиняется. Из прямого солнечного пучка рассеивается больше синего и фиолетового света, поэтому до наблюдателя доходит относительно больше оранжевого и красного. Один механизм помогает понять и дневной цвет неба, и вечернюю окраску Солнца.

Как бесцветный воздух создаёт голубое небо

Солнечный свет содержит широкий диапазон длин волн. В видимой части спектра коротким волнам соответствуют фиолетовые и синие оттенки, длинным — оранжевые и красные. Обычно эта смесь кажется нам белой. Призма позволяет разделить её на цветные полосы: она по-разному преломляет свет с разными длинами волн. Воздух действует иначе — молекулы рассеивают часть проходящего излучения.

Представьте солнечный луч, проходящий над вами. Если бы он продолжал движение строго по прямой, вы не увидели бы его сбоку. Но свет взаимодействует с молекулами азота и кислорода, и часть его уходит в другие стороны. Что-то попадает в ваши глаза. Поэтому светлым выглядит не только солнечный диск: свет приходит и от участков неба вокруг него.

Молекулы воздуха намного меньше длины волны видимого света. В этих условиях подходит рэлеевское рассеяние, названное в честь физика лорда Рэлея. Его характерная особенность — сильная зависимость от длины волны: при прочих равных интенсивность рассеяния пропорциональна 1/λ⁴. В этом выражении λ означает длину волны. Чем она короче, тем сильнее рассеяние.

Например, для волн 450 и 650 нанометров отношение по этой формуле равно (650/450)⁴, то есть примерно 4,35. Это сравнение способности рассеивать выбранные волны при одинаковых остальных условиях. Оно не означает, что в любом небе синих фотонов ровно в 4,35 раза больше красных: исходный спектр, пройденный путь и направление взгляда тоже влияют на результат.

Но фиолетовые волны ещё короче синих. Почему небо не фиолетовое? Потому что цвет нельзя определить только по тому, какая волна рассеивается сильнее. В солнечном свете разные длины волн представлены неодинаково. Кроме того, три типа колбочек в наших глазах по-разному реагируют на разные участки спектра, а мозг получает их совместный сигнал. Смесь рассеянного света даёт ощущение голубого, хотя содержит и фиолетовые, и зелёные, и красные составляющие. Человек видит фиолетовый; объяснение «глаз его совсем не замечает» неверно.

Почему низкое Солнце краснеет

У горизонта солнечный луч проходит сквозь атмосферу по длинному наклонному пути. Это не значит, что вечером над нами становится больше воздуха: меняется геометрия. На более длинном пути из прямого пучка сильнее рассеиваются короткие волны. В оставшемся свете возрастает доля длинноволновой части, и солнечный диск кажется желтоватым, оранжевым или красным. Само Солнце за день не меняет температуру так, чтобы этим объяснялся закат.

Здесь важно различать два направления. Дневной небосвод мы видим благодаря свету, пришедшему после рассеяния. В направлении солнечного диска до нас доходит свет, который сохранил прямой путь. Синий свет не превращается в красный: меняется состав дошедшей смеси. При рэлеевском рассеянии частота света сохраняется.

Облака могут подсвечиваться уже покрасневшим солнечным светом. Поэтому золотистые или розовые вершины облаков соседствуют с голубыми участками неба и тёмными тенями. После того как Солнце скрылось для наблюдателя на земле, высокие облака ещё некоторое время могут оставаться освещёнными. Красный закат вовсе не означает, что весь небосвод должен равномерно стать красным.

Разницу между прошедшим и рассеянным светом показывает настольная модель физика Кристофера Бэрда. На его фотографии вода с небольшим количеством молока выглядит тёплой, если смотреть через неё в сторону лампы, и заметно холоднее при боковом освещении. Состав жидкости тот же, различается путь света. Это наглядная аналогия: частицы молока значительно крупнее молекул воздуха, поэтому модель не воспроизводит все свойства атмосферы.

Почему облака белые, а горизонт бледнее

Облако состоит из капель жидкой воды, кристаллов льда или их смеси. Это не скопление видимого водяного пара: сам водяной пар — газ. Капли и кристаллы облака обычно намного крупнее молекул и видимых световых волн. Они рассеивают разные участки видимого спектра гораздо менее избирательно, чем молекулы воздуха. При белом освещении до нас доходит широкая смесь цветов, и облако выглядит белым.

Серое основание облака не требует серой воды. В толстом облаке свет многократно меняет направление. Значительная часть выходит через верх и боковые стороны, а вниз приходит меньше света. Свою роль играет и тень соседних облаков. Поэтому одна и та же облачная масса может иметь яркие края и тёмный низ. Из одной фотографии нельзя определить ни количество воды, ни вероятность дождя.

У горизонта взгляд проходит через более протяжённый слой нижней атмосферы, чем при взгляде вверх. Вклад рассеяния на молекулах и аэрозолях, а также повторного рассеяния меняется. К голубому добавляется больше света других участков спектра, и цвет часто становится бледным, иногда почти молочным. Поэтому ясное небо не обязано быть одинаково синим от горизонта до зенита.

Аэрозоли — это взвешенные в воздухе твёрдые частицы и капельки. Они бывают природного происхождения, например морская соль и пыль, и возникают при деятельности человека. Их влияние зависит от размера, состава, количества и расположения. Одни условия усиливают отдельные оттенки заката, другие дают тусклую дымку или скрывают его. Правило «чем грязнее воздух, тем красивее закат» не работает, а насыщенная фотография не служит измерителем загрязнения.

Почему в космосе темно даже рядом с Солнцем

Свет может пересекать пространство, не делая каждый его участок ярким для наблюдателя. Чтобы увидеть свет, он должен попасть в глаза или объектив. В плотной нижней атмосфере молекулы перенаправляют к нам солнечные лучи со множества направлений. При очень малом количестве рассеивающего вещества такого яркого голубого фона нет. Поэтому на снимках с Луны освещённая поверхность соседствует с тёмным небом.

Отсутствие звёзд в конкретном космическом кадре не доказывает их отсутствия в небе. Если экспозиция рассчитана на яркую поверхность или освещённый аппарат, слабые звёзды могут не проявиться. На снимке с другими настройками они видны. Сравнивать фотографии имеет смысл вместе с условиями съёмки.

Земная ночь тоже не абсолютно чёрная. Кроме света звёзд и Луны, есть слабое собственное свечение верхней атмосферы — airglow. Здесь атомы и молекулы испускают свет в результате процессов возбуждения и химических реакций; это иной механизм, чем обычное дневное рассеяние. На чувствительной камере свечение может выглядеть гораздо заметнее, чем для глаза.

Почему закат на Марсе бывает голубым

Земное объяснение нельзя переносить на другую планету только по слову «атмосфера». Воздух Марса разрежен, а заметный вклад в цвет неба вносит взвешенная пыль. Она рассеивает свет иначе, чем отдельные молекулы. Размер частиц, их оптические свойства и направление наблюдения определяют, какие оттенки мы увидим.

Вблизи заходящего Солнца на Марсе может появляться голубоватая область. В описании снимка Curiosity NASA объясняет её тем, что голубая составляющая рассеянного пылью света сохраняется ближе к направлению на Солнце, а жёлтая и красная распределяются шире. Это область около светила, а не доказательство того, что всё марсианское небо синее. На разных снимках эффект выражен неодинаково.

Для этого материала выбран снимок заката в кратере Гейл 15 апреля 2015 года. В его официальном описании указано, что цвет откалиброван, а баланс белого скорректирован для удаления артефактов камеры. Это отличается от изображений, специально обработанных так, чтобы марсианские породы выглядели при земном освещении, или собранных с участием невидимого инфракрасного диапазона.

Когда необычный цвет неба показывают в соцсетях, полезно найти исходную публикацию, дату и описание обработки. У кадра может быть верная научная подпись, которая исчезла при перепосте. Один оттенок без контекста не доказывает ни подделку, ни атмосферную аномалию.