какое небо на самом деле
Почему небо имеет голубой цвет?
Приветствуем самых любознательных на страницах нашего сайта! Сегодня мы затронем вопрос, который нередко волнует пытливые умы (особенно детские), однако не каждый находит возможность разобраться, почему же всё-таки небо голубое, ведь воздух-то на самом деле прозрачный. Постараемся коротко на него ответить.
Что скажет Википедия?
Если мы чего-то не знаем, то можно всегда отыскать ответ именно в Википедии. Так давайте же заглянем туда и посмотрим, что нам поведает сей ресурс.
Собственно говоря, вот ссылка на нужный материал.
Хорошо сказано в Википедии! Правда, как-то не очень понятно. Единственное, что как бы можно разобрать, так это тот факт, что солнечные лучи долетают до нашей атмосферы, с ними что-то происходит, и мы видим голубое небо. Нет, так не пойдет, давайте попробуем разобраться подробнее и более понятным языком, почему небо голубое.
На самом деле всему причиной такое понятие, как «рассеивание света»!
Рассеивание света
Итак, Солнце излучает лучи, которые имеют белый цвет. Белый, как известно, включает в себя все цвета видимого нам спектра. Свидетельство тому – радуга. Она возникает по той причине, что солнечный свет, попадая в капельки воды, преломляется и распадается на разные цвета. Голубое небо мы тоже наблюдаем по чем-то похожей причине.
Возможно вас заинтересует:
Дело в том, что в воздухе множество молекул газа, которые и рассеивают солнечный свет. Частицы света разлетаются в разные стороны, поэтому голубой цвет неба виден и землянам, и космонавтам с МКС в виде голубого ореола. Но почему же именно голубой, ведь в спектре как минимум семь цветов, как говорится: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан!».
Интересный факт! В день человек вдыхает около 20 кг воздуха. Этот объём мы получаем, делая 22 000 вдохов день.
Почему небо именно голубого цвета?
У каждого цвета имеется своя длина волны. На следующем рисунке можно посмотреть, как этот показатель разнится.
Фиолетовый рассеиваются слишком сильно, а цвета с зелёного по красный наоборот рассеиваются не очень интенсивно. Вот и получается, голубые и синие частицы — это золотая середина. Фиолетовый, несмотря на то, что он рассеивается лучше голубого, мы не замечаем из-за нашего восприятия: при одинаковой яркости голубой воспринимается нашим глазом гораздо лучше, чем его собрат.
Вот неплохой видос на эту тему, который и нам помог разобраться в данном вопросе:
Подытожим
Конечно, предоставленная информация довольно утрирована и следовало бы заострить внимание на многих научных фактах и понятиях, но зато так более или менее понятно, почему небо голубое.
КАКОГО ЦВЕТА НА САМОМ ДЕЛЕ НЕБО И ПОЧЕМУ МЫ КОГДА-ТО НЕ ВИДЕЛИ СИНИЙ ЦВЕТ
До сравнительно недавнего времени в истории человечества «синего» цвета не существовало. В древних языках не было слова для обозначения синего цвета – ни в греческом, ни в китайском, ни в японском, ни в иврите. Есть доказательства, что, не имея слова для описания этого цвета, люди его вовсе не видели.
В 1858 году учёный по имени Уильям Гладстон (William Gladstone), заметил, что странное описание цветов, которое использовали древние поэты, и упоминания о красках, были весьма непривычны. Гладстон решил подсчитать количество упоминаний каждого цвета в книге. Оказалось, что чёрный встречается почти 200 раз; белый – около 100; другие цвета гораздо реже. Красный – менее 15 раз, а желтый и зелёный – менее 10. Гладстон обратился к другим древнегреческим текстам и обнаружил то же самое – нигде не упоминался синий. Слова такого даже не существовало.
Он изучил исландские саги, Коран, древние китайские истории и древнееврейскую версию Библии. Об индуистских ведических гимнах Гейгер писал: «В этих трудах более десяти тысяч строк изобилуют описаниями небес. Едва ли найдётся объект, описанный чаще. Солнце, пылающие рассветы, день и ночь, облака и молнии, воздух и эфир – всё это раскрывается перед нами снова и снова… но есть нечто, о чём никто бы никогда не узнал из этих древних песен. О том, что небо голубое».
Синего цвета не было, то есть его не отличали от зелёных или тёмных оттенков.
Гейгер отследил, когда в мировых языках начал появляться «синий» и выявил любопытную картину.
В каждом языке в первую очередь появились слова для обозначения чёрного и белого или тёмного и светлого. Следующее слово, возникшее для характеристики цвета в каждом изучаемом языке по всему миру, – красный, цвет крови и вина.
Далее появился жёлтый, затем зелёный (в нескольких языках жёлтый и зелёный меняются местами). Последним из этих цветов в каждом языке появился синий.
Единственный древний народ, употреблявший слово для описания синего, это египтяне. И как следствие, это единственная культура, которая производила синий краситель.
Если задуматься, синего в природе не так уж и много – почти нет животных этого цвета, голубые глаза встречаются редко, а голубые цветы в основном выведены людьми. Конечно, есть небо, но синее ли оно на самом деле? Как мы убедились из работ Гейгера, даже в текстах, которые изобилуют описаниями неба, оно необязательно «синее».
Получается, люди не видели синий цвет, пока у них не появилось слово для его описания?
Можем ли мы видеть нечто, для описания чего у нас нет слов?
Чтобы ответить на этот вопрос исследователь Жюль Давидофф (Jules Davidoff) отправился в Намибию. Там он провёл эксперимент в племени химба, которое говорит на языке, не имеющем определения для синего цвета и не различающем синий от зелёного.
Член намибийского племени, участвующий в научно-исследовательском проекте.
Когда людям племени показали круг с 11 зелёными квадратами и одним синим, они не смогли выбрать, который из них отличался от остальных. А те, кто разглядели разницу, затратили на это некоторое время и сделали несколько ошибок, прежде чем указали на синий квадрат.
Зато в языке химба есть больше слов для обозначения оттенков зелёного цвета, чем, например, в английском.
Взглянув на круг с зелёными квадратами, один из которых немного иного оттенка, они сразу замечают различие. А вы сможете?
Какой квадрат отличается?
Большинство из нас с трудом справляются с этой задачей.
Вот он, исключительный квадрат:
Давидофф пришёл к выводу, что, не имея слов для определения цвета, при отсутствии способа его распознавания, нам гораздо сложнее заметить его уникальность. Даже если наши глаза физически его воспринимают, у нас цвет каким-то образом блокируется.
Получается, что прежде чем синий цвет стал общераспространённым, возможно, люди его видели, но, похоже, они об этом не знали.
Быть может, существуют еще какие-то цвета, о которых мы не знаем до сих пор?
http://you-jou
Вам понравилась история? Надеемся вам так же будет полезна и реклама наших партнеров:
Почему небо голубое?
Наверно, каждый хотя бы раз в жизни сталкивался с этим простым вопросом: почему чистое, безоблачное небо голубое или синее? Очевидно, из-за воздуха, которым мы дышим, из-за атмосферы Земли! Вероятно, воздух у нас «синего цвета» или что-то вроде этого. Он только кажется прозрачным, а на больших расстояниях самолеты, горы, корабли как бы находятся в голубоватой дымке… Такие рассуждения не снимают главный вопрос: почему небо голубое? Не раскрашен же воздух синей краской!
Так как воздух рассеивает синий цвет, небо кажется голубым, а само Солнце — желтым. Больше того, на закате, когда солнечный свет проходит через бо́льшую толщу атмосферы, мы видим красное Солнце и зарю, окрашенную в желто-красные цвета. Все это возможно только потому, что синий свет рассеивается атмосферой по пути к нам.
Но откуда вообще взялся синий свет? Начнем с того, что белый свет от Солнца — это смесь всех цветов радуги, от фиолетового до красного. Стоп, скажете вы, свет Солнца белый? Да, свет, идущий от Солнца, практический белый. Второй момент: мы сейчас говорим о свете, а не о цвете. Если смешать краски разных цветов, то мы, конечно, получим нечто почти черное.
Цвет света — это не цвет какого-либо предмета. Если смешать красный, желтый, оранжевый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый свет примерно в равном количестве, мы получим белый свет. Первым продемонстрировал это Исаак Ньютон, использовав призму для разделения разных цветов и формирования спектра.
Ученые выяснили, что разноцветный свет это всего лишь свет разных длин волн. Видимая часть спектра варьируется от красного света с длиной волны около 720 нм до фиолетового с длиной волны около 380 нм, между которыми расположены оранжевый, желтый, зеленый, голубой и синий цвета. Три различных типа цветовых рецепторов в сетчатке человеческого глаза наиболее сильно реагируют на красные, зеленые и синие длины волн, в сумме давая нам все разнообразие красок.
Да, так что там говорит физика о том, почему небо голубое?
Эффект Тиндаля
Первые шаги к правильному объяснению цвета неба сделал Джон Тиндаль в 1859 году. Он обнаружил любопытный эффект: если пропустить свет через прозрачную жидкость, в которой взвешены мелкие частички, то голубой свет будет рассеиваться этими частичками сильнее, чем красный свет.
Это можно легко продемонстрировать. Возьмите стакан с водой и размешайте в нем несколько капель молока, немного муки или мыла, так чтобы вода в стакане стала мутной. Затем пропустите через стакан свет фонарика. Вы увидите, что свет внутри стакана стал голубоватым. Вернее, голубоватым стал тот свет, который попал вам в глаза из стакана, то есть был отклонен и рассеян в растворе!
Но самое интересное, что свет на выходе из стакана, потеряв часть своей синей составляющей, будет уже не белым, а желтоватым! Если взять достаточно широкую емкость, то свет, многократно рассеявшись в дороге, окончательно потеряет синюю составляющую и выйдет из емкости уже не желтым, а красным.
Эффект Тиндаля касается рассеяния света в мутных жидкостях. Частички в такой жидкости должны иметь особую структуру поверхности — бороздки, решетки, поры, углы, размер которых сопоставим с длиной световой волны.
Благодаря эффекту Тиндаля существуют красивые голубые рачки сапфириниды. Эти крохотные, будто светящиеся изнутри, животные иногда становятся совершенно невидимыми для наблюдателя (рассеяние света уходит в ультрафиолетовую область)…
Эффект Тиндаля несет ответственность и за голубые глаза у людей!
Да-да, голубые глаза создает вовсе не голубой пигмент — его там попросту нет — но меланин, который рассеивает свет соответствующим образом!
Несколько лет спустя эффект Тиндаля был подробно изучен лордом Рэлеем. С тех пор рассеяние света на очень маленьких частицах стало называться рэлеевским рассеянием. Рэлей показал, что количество рассеянного света обратно пропорционально четвертой степени длины волны для достаточно мелких частиц. Отсюда следует, что синий свет на таких частицах рассеивается больше, чем красный, примерно в 10 раз: (700 нм/400 нм) 4 = 10
Пыль или молекулы?
Все это прекрасно, но наше небо заполнено воздухом, а не жидкостью, и в небе не плавают кусочки мыла или молока… Что за частицы рассеивают свет в воздухе? Тиндаль и Рэлей полагали, что голубой цвет неба должен быть из-за мелких частиц пыли и капель водяного пара, которые взвешены в атмосфере в точности как частички молока взвешены в воде.
Это ошибочное мнение, хотя и сегодня некоторые люди говорят, что цвет неба определяется паром и пылью. Если бы это было так, то цвет неба менялся бы гораздо сильнее в зависимости от влажности или тумана, чем он меняется на самом деле. Поэтому ученые предположили (правильно!), что для объяснения рассеяния достаточно молекул кислорода и азота. Это сам воздух, вернее, его молекулы рассеивают свет!
Голубое небо и облака на нем. Воздух рассеивает свет в соответствии с рэлеевским рассеянием, а более крупные частички облаков в соответствии с рассеянием Ми. Фото: Andrei Azanfirei/Flickr.com
Вопрос окончательно решил Альберт Эйнштейн в 1911 году, который рассчитал детальную формулу для рассеяния света в зависимости от молекул и дальнейшие эксперименты блестяще подтвердили его вычисления. Говорят, Эйнштейн даже смог использовать свои расчеты в качестве дополнительной проверки числа Авогадро!
Почему небо голубое, а не фиолетовое?
Кстати, если синий свет рассеивается в 10 раз больше, чем красный, то еще более короткие фиолетовые волны должны рассеиваться больше, чем синие! Возникает вопрос: почему небо не выглядит фиолетовым?
Во-первых, спектр излучения света от солнца не является одинаковым на всех длинах волн — максимум энергии в спектре Солнца приходится на зеленый свет. Во-вторых, коротковолновый фиолетовый свет активно поглощается в верхних слоях атмосферы (как и ультрафиолет!), поэтому в до поверхности Земли доходит меньше фиолетового, чем синего.
Наконец, третья причина — наши глаза менее чувствительны к фиолетовому свету, чем к синему.
Кривые чувствительности для трех типов колбочек в человеческом глазу.
У нас есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек, в сетчатке глаз. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они наиболее сильно реагируют на свет именно на этих длинах волн. Но на самом деле, они способны улавливать и свет других длин волн, перекрывая весь спектр.
Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света, но также — менее сильно — на оранжевые и желтые длины волн. Зеленые колбочки реагируют на жёлтые и более сильно рассеянные зелёные и зелено-синие волны. Наконец, синие колбочки стимулируются цветами синих длин волн, которые очень сильно рассеиваются. Если бы в спектре не было синего и фиолетового, небо казалось бы голубым с легким зеленоватым оттенком. Но наиболее сильно рассеивающиеся волны синего и фиолетового цветов слегка стимулируют и красные колбочки, поэтому эти цвета кажутся синими с добавленным красным оттенком. Общий эффект заключается в том, что когда мы смотрим на небо, красные и зеленые колбочки стимулируются примерно одинаково, а синие стимулируются сильнее. Эта комбинация в итоге и образует голубое или синее небо.
Прекрасные закаты
Что может быть красивее тихих закатов на берегу моря или в степи? Когда воздух чистый и прозрачный, закат будет желтого цвета, точно как луч фонарика, пересекший стакан с раствором мыла: часть синего света рассеется и общий цвет Солнца сместится к красному концу спектра.
Закаты Солнца могут быть чрезвычайно разнообразными по цветовой гамме в зависимости от состояния атмосферы. Фото: Alex Derr
Другое дело, если воздух загрязнен мелкими частицами — гарью, пылью, смогом. В этом случае закат будет оранжевым и даже красным. Закаты над морем также могут быть оранжевыми из-за частиц соли, взвешенных в воздухе, которые могут создавать эффект Тиндаля. Небо вокруг солнца видно покрасневшим, а также свет, идущий прямо от солнца. Это связано с тем, что весь свет рассеивается относительно хорошо под небольшими углами, но тогда синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды и более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.
Облака, голубая Луна и голубая дымка
Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длин волн света. Такие частицы будут одинаково рассеивать все длины волн (рассеяния Ми).
Но иногда в воздухе могут быть частицы гораздо меньших размеров. Некоторые горные районы славятся своей голубой дымкой. Аэрозоли терпенов из растительности вступают в реакцию с озоном в атмосфере, образуя мелкие частицы диаметром около 200 нм, которые отлично рассеивают синий свет.
Голубая дымка над заливом Котор в Черногории. Фото: Rocher/Flickr.com
Лесной пожар или извержение вулкана могут иногда заполнять атмосферу мелкими частицами диаметром 500–800 нм, что является подходящим размером для рассеивания красного света. Это дает противоположность обычному эффекту Тиндаля и может привести к тому, что Луна приобретет синий оттенок, так как красный свет от Луны рассеян этими частицами. Настоящая голубая Луна — очень редкое явление!
Почему небо Марса красное?
Вот мы добрались и до Марса, небо на котором, судя по снимкам марсоходов и автоматических спускаемых аппаратов, то рыжее, то песочно-желтое, то серовато-голубое… Какое оно на самом деле?
Согласно физике, марсианское небо должно быть голубым. Оно и есть голубое, но только когда атмосфера на Красной планете спокойна. Однако на Марсе, как известно, часто дуют ветра. Несмотря на то что атмосфера планеты крайне разрежена, ветра способны поднимать миллионы тонн песка и пыли устраивать настоящие песчаные бури. Некоторые бури способны скрыть почти всю поверхность Марса!
После таких бурь в воздухе еще долго остаются взвешенными частички богатой железом пыли. Цвет этой пыли красный (это ржавчина), соответственно и небо на Марсе окрашивается в желтовато-оранжевый цвет.
Отражательные туманности
Наконец, заглянем далеко в космос, туда, где сейчас рождаются звезды.
Комплекс туманностей ро Змееносца. Фото: Jim Misti/Steve Mazlin/Robert Gendler
Вот целый комплекс из космических газопылевых облаков, расположенный на границе созвездий Змееносца и Скорпиона. Обратите внимание: часть облаков ярко светится красноватым свечением, другая часть, наоборот, поглощает свет и напоминает черные провалы. Наконец, третья часть имеет голубоватый цвет.
Все три типа облаков состоят в основном из водорода с небольшой примесью пыли и молекул. Почему же они выглядят по-разному? Все дело в их температуре. Нагретые светом погруженных в них звезд, облака начинают сами светиться. Красное свечение — излучение водорода. Очень холодные облака, наоборот, поглощают свет и потому непрозрачны для нас. Наконец, холодные, но расположенные недалеко от ярких звезд облака выглядят голубоватыми. Они отражают свет звезд, рассеивая его так же, как и атмосфера Земли!
О цвете неба
В связи с известными событиями, а именно, началом работы ровера Curiosity на красной планете, вновь обострились конспирологические настроения в интернетах, равно как и среди обитателей хабра.
Где-то здесь же упоминалось о некой, согласно словам комментаторов, «желтоватой» статье, с объяснением, что небо на любой планете не может быть постоянно красноватым. Конкретно той статьи не видел, так что если она на хабре — то заранее пардон за потенциальную возможность дублирования.
А теперь — ближе к делу. Просто вкратце расскажу о явлении рассеяния электромагнитных волн. Обойдусь по возможности без формул.
Рассеяние Рэлея
В 1871 году Джон Уильям Стретт, более известный как лорд Рэлей (хотя именно в этом году таковым он ещё не был), предложил описание рассеяния на основе классической электродинамической теории, которое впоследствии прекрасно объяснило голубой цвет неба днём и красный — на закате.
Сам процесс происходит тогда, когда электромагнитная волна распространяется в среде, заполненной какими-либо мелкими частицами. В случае в моделью Рэлея, она работает, если размер этих частиц много меньше длины волны. Применительно к видимому свету, таковыми оказываются размеры молекул газов, составляющих атмосферу планеты, что и определяет наблюдаемые характеристики явления.
Итак, длина волны много больше размера частицы. По этой причине можно принять, что частица пребывает в однородном поле, меняющемся во времени с частотой колебаний волны, и в результате этого частица, как и любой материальный объект, помещённый в поле, приобретает электрический P и магнитный M момент. То бишь, становится диполем, создающим собственное электрическое и магнитное поле. При этом величина моментов, естественно, зависит от времени — они осциллируют с той же частотой, что и волна.
А осциллирующий диполь заведомо является излучателем (на этом принципе работает заметная часть антенн передатчиков), и переизлучает падающую на него энергию — именно таков механизм рассеяния в модели Рэлея. Амплитуда рассеянной волны на больших (много больших длины волны) расстояниях пропорциональна квадрату частоты:
Также она определяется и направлением n, в котором происходит переизлучение, и расстоянием до диполя R, однако в настоящий момент нас это не интересует.
Интенсивность же равна квадрату амплитуды, и потому пропорциональна уже четвёртой степени частоты (формула для интенсивности излучения в бесконечно малый телесный угол):
Таким образом, рассеяние резко усиливается по мере роста частоты волны (сдвиге в фиолетовую область спектра). Голубой же и синий цвет неба (а не фиолетовый) обусловлен уже эффектами усиления поглощения на высокой частоте. На небольших частотах поглощение пропорционально кубу частоты, а на больших — пятой степени, и становится преобладающим процессом (между делом, именно благодаря этому планета с атмосферой эффективно защищена от внешнего рентгеновского и гамма-излучения не слишком высоких энергий).
И рассеяние, и поглощение электромагнитных волн в атмосфере резко усиливается по мере уменьшения длины волны. Таким образом, цвет неба при прочих равных условиях полностью определяется соотношением этих двух факторов, и ничем иным.
На Земле атмосфера достаточно плотная, и потому поглощение в ней достаточно сильное. Потому днём, когда солнце высоко, его лучи проходят сравнительно короткий путь в атмосфере, так что коротковолновая часть спектра оказывается не сильно поглощена. Поскольку она рассеивается сильнее, то она и является преобладающей — небо становится голубым. А на восходе и закате свет от солнца идёт по сути параллельно локальному участку поверхности планеты, и путь его оказывается в разы длиннее — в результате за счёт поглощения отфильтровываются не только синие и голубые оттенки, но и зелёные с жёлтыми.
Кроме того, свет на заре входит в атмосферу под очень острым углом, что определяет некоторую роль преломления и дисперсии (происходит разложение в спектр) — красная часть спектра преломляется слабее и проходит больший путь вдоль поверхности.
При сравнительно малой плотности атмосферы, как на Марсе, следует ожидать, в первую очередь, заметного снижения интенсивности процесса рассеяния. Однако небо от этого становится только темнее, но не краснеет.
Рассеяние Ми
Модель Рэлея, как и следовало ожидать, может быть получена из общей теории в приближении малых размеров рассеивающих частиц. Рассеяние электромагнитной волны на сферах (в оригинальной работе, 1908 г.) произвольного размера описывается в теории Ми (однако часто её упоминают только в контексте ситуации больших частиц).
Итак, в случае, если частицы много больше длины волны, срабатывает обратное рэлеевскому приближение теории Ми. Причина возникновения рассеяния та же самая — переизлучение энергии падающей волны колеблющимися диполями. Подробное его описание сделать весьма сложно, поскольку для этого требуется полностью решить систему уравнений Максвелла для волны в пространстве, заполненном такими рассеивающими объектам. Потому часто при рассказе о данной теории ограничиваются лишь перечислением её особенностей в сравнении с рэлеевской задачей. Воспользуемся проторенной дорожкой и укажем наиболее характерные моменты:
Итак, вторая особенность оказывается самой существенной. Она объясняет белый и серый цвет облаков, тумана, пыли, изменение цвета неба от зенита к горизонту.
Исходя из этого, небо на Марсе должно быть серо-голубым. Голубым благодаря рассеянию Рэлея, и серым благодаря постоянно висящей в атмосфере пыли. Последнее обеспечивается низкой гравитацией и сухостью породы в совокупности с сильными ветрами.
А оранжевый и красный оттенок неба может наблюдаться только во время бурь. Как, впрочем, и на Земле происходит (на картинке из википедии — песчаная буря в Сиднее).
Во время пылевых бурь достаточно мелкие частички пыли в большой концентрации, особенно если они подняты на несколько километров над поверхностью, резко усиливают поглощение коротковолновой части спектра, и преобладающим становится как раз красный оттенок. Аналогичное явление может наблюдаться при мощных извержениях вулканов. Наглядным историческим примером служат описанные во время извержения Кракатау (1883 г.) необычайно интенсивные оттенки зорь.
upd 1: При взгляде на формулу, описывающую поглощение, не к тому символу отнёс куб. На самом деле, интенсивность поглощения пропорциональна на малой частоте — первой степени, на больших — третьей (а не третьей и пятой). Существенную роль может диэлектрическая проницаемость играть, т.к. она сама по себе также есть функция частоты.
ответить
upd 2: Как всегда и бывает, с численными оценками долго думать не нужно было. Достаточно сопоставить атмосферные давления, и увидеть, что на Марсе интенсивность рэлеевского рассеяния будет на 2-3 порядка ниже, чем на Земле. Что исключает видимый голубоватый цвет неба. Разве что его можно в спектрах выявить, например — по суточному изменению. Но уже незачем, похоже. В итоге, цвет практически полностью определяется висящей в атмосфере пылью. А здесь, благодаря рассеянию на крупных частицах, получаем равномерный эффект для любой длины волны, что равнозначно пасмурному серому цвету. С поправками на особенности отражения и поглощения самих частичек.