Чому небо блакитне?
Щодня ми дивимося вгору й бачимо блакитне небо — але чому блакитне, а не червоне чи зелене? Відповідь пов'язана з фізикою світла, крихітними молекулами в атмосфері та явищем, яке називають релеївським розсіюванням.
Що таке світло?
Сонячне світло виглядає білим, але насправді є сумішшю всіх кольорів веселки — червоного, оранжевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього й фіолетового. Кожен колір відповідає іншій довжині хвилі світла.
Червоне світло має велику довжину хвилі (близько 700 нм), тоді як блакитне й фіолетове світло мають набагато коротші довжини хвиль (близько 400–450 нм). Саме ця різниця в довжині хвилі є ключем до блакитного неба.
Що таке атмосфера?
Землю оточує тонкий шар газу, який називають атмосферою. Більшість її (78%) — це азот (N₂), а близько 21% — кисень (O₂). Ці молекули неймовірно малі — набагато менші за довжину хвилі видимого світла.
Коли сонячне світло входить в атмосферу, воно стикається з цими крихітними молекулами. Молекули на коротку мить поглинають світло, а потім перевипромінюють його у випадковому напрямку. Це називають розсіюванням.
Релеївське розсіювання
Не всі кольори розсіюються однаково. Британський фізик лорд Релей (Джон Вільям Стретт) показав у 1871 році, що величина розсіювання сильно залежить від довжини хвилі світла. Коротші довжини хвиль розсіюються набагато більше за довші.
Математичне співвідношення таке: інтенсивність розсіювання пропорційна 1 / λ⁴, де λ (лямбда) — це довжина хвилі.
Оскільки блакитне світло розсіюється в усіх напрямках по всьому небу, коли ти дивишся будь-куди на небо (убік від Сонця), ти бачиш блакитне світло, розсіяне в напрямку твоїх очей. Ось чому небо блакитне!
Фіолетове світло насправді розсіюється навіть більше за блакитне, то чому ж небо не фіолетове? Дві причини: Сонце від початку випромінює менше фіолетового світла, а наші очі менш чутливі до фіолетового, ніж до блакитного.
Чому заходи сонця червоні?
На сході й заході сонця сонячне світло проходить крізь набагато товщий шар атмосфери, щоб дістатися твоїх очей. Після всього цього додаткового розсіювання майже все блакитне світло розсіялося в інших напрямках. Лишається світло з довшими хвилями: червоне, оранжеве й рожеве.
Та сама фізика, що робить полуденне небо блакитним, також змушує заходи сонця сяяти теплими кольорами — це просто залежить від того, крізь скільки атмосфери пройшло світло.
Проста математика
Формула розсіювання Релея для інтенсивності I світла, розсіяного однією молекулою, така:
I ∝ (1 + cos²θ) / λ⁴
Тут θ — це кут між напрямком вхідного й вихідного світла, а λ — довжина хвилі. λ⁴ у знаменнику є ключем: зменшення довжини хвилі вдвічі збільшує розсіювання в 2⁴ = 16 разів!
Загальна кількість блакитного світла, розсіяного по небу, — це результат мільярдів і мільярдів таких окремих актів розсіювання щосекунди.
Спробуй сам
Релеївське розсіювання можна побачити вдома за допомогою склянки води й кількох крапель молока. Додай лише 2–3 краплі молока до склянки води; коли ти посвітиш ліхтариком збоку, вода виглядатиме блакитною. Коли ти дивишся крізь склянку на ліхтарик (наче дивишся на сонце, що сідає), він виглядає оранжевим або червоним.
- Крихітні краплинки жиру в молоці відіграють роль молекул атмосфери.
- Короткі хвилі (блакитні) розсіюються вбік — склянка виглядає блакитною.
- Довгі хвилі (червоні/оранжеві) проходять прямо наскрізь — достоту як на заході сонця.