— задумался я. Быть может, вы читаете меня на Марсе или в Сиэтле, и небеса над вами вовсе не голубые, но у нас в Юте днём небо голубое, а на закате красно-оранжево-синее. И по всей физической логике оно должно пусть на короткое время, переходя по спектру от голубого к красному, становиться зелёным, чтобы я мог говорить брату: «Вот уж и небо позеленело, пора ужинать»:
Поиск ответа на этот «детский» вопрос перетряхнул все мои взгляды на оптику. Оказалось, что цвет неба никак не объяснить, если рисовать солнечные лучи как прямые или волнистые линии, которые при столкновении с препятствием или 1) пропускаются с преломлением, или 2) поглощаются, или 3) отражаются по принципу «угол падения равен углу отражения». Нужно ещё, чтобы лучи 4) рассеивались. Без рассеяния не понять не только цвет неба, но и то, почему мы, отражаясь в зеркале, не отражаемся в белом листе бумаги. И я осознал, что хоть мне ясно бытовое значение слова «рассеяние», но со своим PhD по химии я не могу объяснить, что происходит на молекулярном уровне: почему и когда лучи света решают разлететься во все стороны.
Спросите ChatGPT, почему небо голубое, и он ответит вам: «Белый свет от Солнца состоит из всех цветов спектра, но когда он проходит через атмосферу, световые волны рассеиваются молекулами воздуха. Это явление называется
рассеянием Релея. Коротковолновые цвета, такие как синий и фиолетовый, рассеиваются сильнее, чем длинноволновые (например, красный и оранжевый)». Тут никак не обойтись без знаменитого
комикса xkcd:
Когда привычное явление «объясняют» ничего не говорящим мне физическим термином, у меня тоже возникает только больше вопросов. Если хотеть отделаться от назойливого почемучки наукообразным ответом, то почему бы не сослаться на формулу Гэндальфа–Буняковского: Ц = Г / Б
2? «Гэ» в числителе, поэтому цвет неба голубой. Я не термин хочу, мне понимание нужно. Каков механизм этого рассеяния с улицы Бассейной? Какая величина обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны? Сам Релей? Он же Рэлей. Он же Рэйли. В общем, Rayleigh.
Слова про рэлеевское рассеяние обычно сопровождаются диаграммами такого типа. Стоит мужичок, или собачка, или кошечка, или гигантский глаз, и им в темя светит Солнце с большой буквы «эс»:
Если смотреть напрямую на Солнце (чего лучше не делать), оно покажется нам белым (а не жёлтым, даже не спорьте). Но если посмотреть в сторону от Солнца, то мы уже видим, как синяя часть солнечных лучей, которые никак не могли попасть нам в глаз напрямую, рассеиваются на кислородиках и азотиках атмосферы во все стороны, в том числе в нашу, создавая небесно-голубой цвет. А на Луне или на Тау Кита нет атмосферы, солнечным лучам не на чем рассеяться, вот тамошнее небо и видится чёрным, несмотря на то, что астронавты работают при дневном свете:
Далее следует диаграмма того, что происходит на закате, когда Солнце светит не в темя, а прямо в глаз. Солнечные лучи проходят больший путь сквозь атмосферу. Синяя составляющая успевает полностью рассеяться, а то, что остаётся, придаёт закатному небу огненную окраску. На рассвете происходит то же самое, но большинство популяризаторов и их читателей на рассвете ещё дрыхнут, поэтому в книжках обсуждается цвет закатного неба:
Так, геометрия явления мне понятна, но не физика. Самоуверенные заявления, что ответить, почему небо голубое, достаточно просто, вызывают у меня недоумение. Представьте себе: шли по пруду две волны, синяя и красная. А тут из воды торчит камень. Синяя волна накатилась на камень и разошлась вторичными волнами во все стороны, а красная побежала дальше. Не видал я такого. Все аналогии всего лишь аналогии.
А как объясняют цвет неба в школе? Да никак не объясняют. И правильно делают. А то скачал я книгу небезызвестного Я. И. Перельмана «Знаете ли Вы физику?», издание третье, переработанное и дополненное, Москва «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1992 год (1-е изд.— 1934 г.). И там как раз есть вопрос под номером 186-м: «Цвет неба. Почему небо днём голубое, а при закате Солнца — красное?»
Я уже потирал руки, что сейчас-то мне всё-всё доступно объяснят: Внимание, ответ на вопрос 186:
Разве это правильное и полное объяснение? Такое впечатление, что Перельман слышал звон, что волны «обтекают» препятствия, которые меньше длины волны и заключил, что длинноволновые красные (620–760 нм) лучи «обтекают» молекулы воздуха и прочие пылинки, а коротковолновые синие (450–480 нм) «обтечь» не могут и «отбрасываются» прямо нам в глаз. К началу 20 века уже было известно, что размер молекул кислорода или азота около 0,3 нм, то есть на три порядка меньше, чем длина видимых волн, и размер молекул сам по себе не может дифференцировать красные и синие волны. А рассеяние на сферических частицах, размер которых сопоставим с длиной волны, описывается теорией Густава Ми, и зависимость от длины волны там сложная. Облака, состоящие из капелек размером 1—100 мкм, выглядят белыми именно из-за рассеяния Ми (Mie scattering):
Вы возразите: «А что ты хотел увидеть книжке для детей? Уравнения Максвелла? Задача популяризатора – прославлять науку, а не пугать формулами. Перельман не только создаёт у читателей видимость понимания, но и снабжает их занимательными фактами на тот случай, если они пропустили вечерний прогноз погоды»:
Да я тоже не хочу никого грузить, а для себя разбираюсь. Для детей хватило бы и мифа, что небо голубое, потому мы живём под Твердью Небесной, которая состоит из множества светодиодов, как Сфера в Лас-Вегасе, и каждый день и ночь балует нас бесплатным метеорологическим шоу. В такое ныне мало, кто поверит, но думают же многие до сих пор, что небо синее, потому что молекулы кислорода синие. Википедия не соврёт, что жидкий кислород голубого цвета:
.jpg)
Но если бы мы жили под толщей голубого кислорода, само Солнце было синее, как если бы мы смотрели на него сквозь синее витражное стекло:
В конденсированном состоянии кислород голубой, потому что красные лучи поглощаются при переходе из основного триплетного в возбуждённое синглетное состояние (максимум поглощения при 630 нм). Но такой переход требует встречи двух молекул кислорода и фотона, иначе он запрещён по спину. А в газообразном состоянии атмосферы необходимая близость двух молекул кислорода столь маловероятна по сравнению с жидкой фазой, что даже толстый слой газообразного кислорода останется бесцветным. Другое дело озон, который поглощает не только ультрафиолетовые, но и жёлто-оранжевые лучи (максимумы поглощения при 575 и 603 нм). Будь озоновый слой Земли толще, он мог бы создавать эффект «синего витражного стекла»:
Но одно только поглощение не могло бы объяснить, почему мы видим небо голубым со всех сторон, даже там, где за ним нет прямого источника света, и почему на закате голубое небо вдруг становится красным.
Делать нечего, заглянул я в книги под названием “Classical Electrodynamics” и в восьмой том Ландау–Лифшица «Электродинамика сплошных сред». А там интегралы заборами стоят, частые производные, комплексные экспоненты и прочая нечисть. Ух, страшно! Как открыл, так и закрыл. У дедушки Перельмана было всё уютно и понятно: одни обтекают, другие отбрасываются. И я пошёл просить брата-программиста-математика помочь разобраться мне с цветом неба.
Мой брат с задумчивостью древнегреческого философа ответствовал: «Чтобы понять цвет неба, надо вначале понять, что такое цвет». Следующий вопрос, по-видимому, будет: «Что такое небо?» Пошёл я разбираться со цветом, который есть «субъективное психофизиологическое ощущение, которое для света с одной и той же спектральной характеристикой может быть разным у разных людей». Поэтому если вам небо кажется зелёным, то бессмысленно пытаться вас переубедить. Такая у вас субъективная психофизиологическая реакция:
Глаз и мозг прекрасно умеют подстраиваться под ожидания и искажать реальность. Известные оптические иллюзии основаны на нашем «догадывании» цветов. Клетки «А» и «В» одного и того же цвета, но мой мозг считает, что «А» намного темнее:
Если в графическом редакторе «пипеткой» выбрать оба цвета, кажется невероятным, что они оказываются одинакового тёмно-серого оттенка. Соединяешь их полосой этого цвета, и приходится признать, что глаз был рад обмануться, лишь бы достроить привычную чёрно-белую клетчатую доску:
Так что вопрос о природе цвета не такой уж праздный. В ответ я спросил брата: «А сколько в радуге цветов?» Он, не задумываясь, ответил, что 256. Аристотель считал, что три: красный, зелёный и синий. Ньютон, что семь, так как ему важно было, чтобы цвета в спектре соответствовали музыкальным нотам, для чего он разделил синюю полосу на blue и indigo, и мнемонической запоминалкой цветов в радуге на английском является бессмысленное Roy G. Biv. Сайты радостно сообщают, что в радуге «миллионы цветов». Но психологи считают, что шаг различия двух спектральных оттенков для человеческого глаза составляет 1 нм в сине-жёлтом диапазоне и около 10 нм в крайнем фиолетовом и красном:
Получается, что если от 450 нм до 650 нм — 200 цветов, и ещё сколько-то по краям, то мой брат ближе всех к правильному ответу. Представляю, какую поэму об охотнике и фазане пришлось бы заучивать, если бы Ньютон решил подогнать радугу под сакральное число 256:
Ещё пишут, что различие между синим и зелёным цветом возникло в языках довольно поздно, и например, во вьетнамском и цвет неба, и цвет листьев обозначается одним и тем же словом “xahn”, и надо уточнять, имеется в виду “xanh da trời” (цвет неба) или “xanh lá cây” (цвет листьев). Так что у вьетнамцев в каком-то смысле небо вполне себе зелёное. Но если подняться высоко в горы, небо становится такого тёмного цвета, что назвать его голубым уже не повернётся язык. Вот фото с вершины Эвереста:
Так что такое небо? Где оно кончается? Если «в космосе» небо чёрное, а на Земле голубое, то где та высота, где небо перестаёт быть хоть немного синим? На 50 км уже точно не синее, но я там не бывал, своими глазами не видел. Но даже если посмотреть с самолёта, летящего на высоте 10 км, вверх, небо покажется почти иссиня-чёрным:
Поэтому синева неба очевидно порождается атмосферой. Осталось разобраться, как именно. Но мой брат, получив ответы на вопросы «Что есть цвет?» и «Что есть небо?», заявил, что эта тема ему неинтересна, вот если бы меня волновало деление на ноль, он готов его обсуждать. К счастью, в процессе поисков я узнал о существовании отдельной книги на 300 страниц, посвящённой занимавшему меня вопросу:
Götz Hoeppe, “Why the Sky Is Blue: Discovering the Color of Life”, 2007 год, перевод с немецкого. Скачать её нигде не удалось, поэтому я решил купить на Амазоне подержанный бумажный образец за $3.09 + $3.99 shipping + $0.21 tax. Через неделю «синяя книга», как я буду её называть, пришла ко мне. Буду считать, что библиотека в южном Чикаго выбросила устаревшие непопулярные книги, и добрый человек их подобрал и распродаёт в интернете:
«Синяя книга» с самого начала заявила, что вопросы «Почему?» в физике можно задавать бесконечно: на любое объяснение можно задать очередное «А
это почему?», пока не получишь ложкой в лоб: «По кочану». Поэтому книга будет отвечать на вопрос: «Какой механизм физики считают ответственным за цвет неба?» И ответ, который удовлетворил бы Леонардо да Винчи («Белый воздух на фоне существующей за ним тьмы кажется синим»), не удовлетворил бы Эйнштейна, который на вопрос о цвете неба ответил следующей формулой:
Так и какой же механизм современные физики считают ответственным за цвет неба? Рэлеевское рассеяние (Rayleigh scattering), конечно. Пришлось всё же вместе с «синей книгой» разбираться, кто такие эти рэлеи и почему они рассеиваются. Английский физик Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей (1842–1919) получил титул не за научную работу, а по наследству от отца, но вместо того, чтобы мирно лордствовать Джон Стретт предпочёл профессорствовать в Кембриджском университете и химичить в фамильном поместье Тирлинг в графстве Эссекс:
В 1869 году другой английский физик Джон Тиндаль наблюдал голубоватое рассеяние на коллоидных частицах в воздухе и в жидкостях. Сине-зелёная составляющая света настолько эффективно рассеивалась, что пропущенный свет стал оранжевого, «закатного» цвета:
В минерале опале или особом стекле подобное явление называется опалесценцией:
Эффект этот подметил ещё Пушкин в «Евгении Онегине»: «Открыты ставни; трубный дым // Столбом восходит голубым…» Но Пушкин не связал его с цветообразованием неба, а Тиндаль такую связь заподозрил. К 19 веку цвет неба пытались объяснить ньютоновской рефракцией: белый солнечный свет попадает на капельки или пузыри воды в верхних слоях атмосферы и раскладывается в гигантскую радугу. Мы на Земле днём видим её синюю часть, а на закате – красную. Почему при этом мы не видим переходного зелёного неба и почему цвет неба не зависит от влажности воздуха, учёные толком объяснить не могли, как и то, почему небесный свет оказывается частно поляризован. Если сфотографировать небо через поляризационный фильтр, то под разными углами оно будет то светлее, то темнее:
В 1871 году Джон Уильям Стретт, тогда ещё не Лорд Рэлей, методом анализа размерностей и подгонометрией под экспериментальный спектр неба, вывел формулу рассеяния для сферических частиц с показателем преломления
n и радиусом
r, который много меньше длины
λ волны падающего на них света (2πr ≪ λ):
Полное сечение рассеяния обратно пропорционально четвёртой степени длины волны. Чем свет краснее, тем он длинноволновее, тем большая величина стоит в знаменателе, тем меньше сечение, тем меньше его рассеяние. И, наоборот, чем свет синее и коротковолновее, тем больше он рассеивается. Размерность сечения — м
2, то есть площадь. Я для себя решил, что мы мысленно заменяем рассеивающую частицу на пластинку-заглушку. Чем её площадь
σ больше, тем больше света рассеется. Общая интенсивность рассеянного света тоже будет обратно пропорциональна
λ4 или прямо пропорциональна четвёртой степени частоты
ν4, так как частота колебаний
ν, длина волны
λ и скорость распространения этой волны (скорость света
c = 300 миллионов метров в секунду) связаны формулой: ν = c / λ.
Математика сходилась с экспериментом, но у Джона Стретта не было понимания, что это за маленькие частицы, которые рассеивают свет. Он подозревал капельки жидкости или крупинки морской соли. Кому как не англичанам 19 века знать, что в воздухе летает разная грязь. А световые волны он продолжал рассматривать как механические колебания ещё не открытого мирового эфира. Только в 1881 году лорд Рэлей переделал свою теорию под электромагнетизм Максвелла. А к 1899 году допёр до того, что для объяснения цвета неба достаточно рассеяния на молекулах газов, входящих в состав воздуха. Лорд Рэлей настолько глубоко закопался в теме, что в итоге получил в 1904 году Нобелевскую премию по физике «за исследования плотности наиболее распространённых газов и за открытие аргона в ходе этих исследований». К тому моменту уже был открыт электрон, и физики оказались готовы ответить на вопрос о цвете неба по-взрослому:
Свет – это электромагнитная волна. Когда на пути своего распространения она встречает заряженную частицу, то начинает с ней взаимодействовать. А в любой молекуле, неважно азот это, кислород, или другое вещество, есть отрицательно заряженные электроны и положительно заряженное атомное ядро. Когда электроны попадают во внешнее электромагнитное поле, они смещаются. Отрицательный и положительный заряды в молекуле оказываются разнесены в пространстве, возникает электрический диполь. Но так как внешнее поле — это электромагнитная волна, которая сама постоянно меняется с частотой
ν, то и диполь начинает осциллировать с той же частотой
ν. А движущиеся электрические заряды в свою очередь излучают во все стороны вторичные электромагнитные волны, частота которых
ν, амплитуда пропорциональна
ν2, а интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, то есть
ν4, что и даёт глубинное обоснование закона Рэлея. Это так называемое упругое рассеяние, когда энергия не поглощается на изменение внутренней структуры рассеивающей частицы.
Как только свет рассеялся на одной частице, вторичные волны начинают взаимодействовать с первичной волной (свет от Солнца) и с другими вторичными волнами, которые появились из-за рассеяния на соседних частицах. И встречая эти самые соседние частицы, рассеянный свет может рассеяться ещё раз, порождая множественные рассеяния. У меня точно не хватит математических навыков, чтобы самосогласовать всё это множество волн и вывести результирующую. Но умные люди в начале 20 века это сделали, и поначалу показалось, что никакого рассеяния по механизму Рэлея быть не может. Плотность молекул в воздухе настолько высокая, что в объёме
λ3 находятся порядка 5*10
6 молекул. Это приводит к тому что для каждой вторичной волны, испущенной в результате рассеяния, на расстоянии кратном половине длины волны
λ/2 найдётся другая молекула, которая тоже породила волну с той же частотой и амплитудой, но фазы этих волн окажутся смещёнными настолько, что они деструктивно интерферируют. С зеркальной поверхностью происходит нечто похожее: электромагнитная волна подлетает к веществу, вызывает в нём осцилляцию диполей, но вторичные волны так складываются, что луч отражается, а внутрь волна не пропускается. И не пускает её деструктивная интерференция, а не какой-нибудь квантовый бабайка.
Выход нашли польский физик Мариан Смолуховский и немецко-швейцарско-австрийский физик Альберт Эйнштейн. Всё дело в тепловых флуктуациях плотности, которые неизбежны в газе, если он только не находится при абсолютном нуле температур. В «синей книге» этот момент объясняется так: пусть в среднем в каждом объёме газа N молекул, но за счёт того, что они туда-сюда хаотически летают, маловероятно, чтобы в случайно выбранном объёме было ровно-ровно N молекул. По распределению Пуассона с вероятностью 66% отыщется (N ± √N) молекул. Пусть один объём рассеял свет с амплитудой NA. Через
λ/2 он встретит (N + √N)A волн с противоположной фазой, но после деструктивной интерференции останется амплитуда √N * A, которая после возведения в квадрат даст интенсивность NA
2. Рэлей думал, что рассеяние пропорционально концентрации молекул N, а оно на самом деле пропорционально квадрату средней тепловой флуктуации концентрации, который для идеального газа совпадает с N:
И тут у меня случился очередной затык. Я до сих пор не понимаю, почему флуктуации тоже в свою очередь не усредняются. Ну, встретил свет от N молекул вначале свет от (N + √N) молекул, осталось √N, а потом он встретит другой объём газа, где случайно окажется уже (N – √N) молекул. Почему бы им в итоге всем не проинтерферировать в ноль, как если бы молекулы располагались в узлах регулярной кристаллической решётки? У меня нет ответа, поэтому я вернусь к формулам, которые я ещё понимаю. Если свет рассеивается пропорционально 1/
λ4, то синий свет будет рассеиваться примерно в (650 / 450)
4 ≈ 4 раза больше красного, а фиолетовый в (650 / 400)
4 ≈ 7 раз больше. И картинка рассеяния будет выглядеть примерно так:
Почему тогда небо не фиолетовое? Видел я объяснения, что якобы в солнечном спектре фиолетового слишком мало: озоновый слой съедает его вместе с ультрафиолетом (УФ). Или что человеческий глаз якобы нечувствителен к фиолетовому. Вот были бы мы пчёлами, которые не видят красного, но видят в УФ, то небо казалось бы нам фиолетовым. В школе учат, что зрение обеспечивается двумя типами клеток: палочками, которые не различают цвета, только яркость света, и колбочками, которые у человека представлены тремя типами фоточувствительных пигментов: условно синими, зелёными и красными. И вот в фиолетовой области их чувствительность резко идёт вниз (чёрная линия — это чувствительность палочек):
Но, во-первых, в радуге фиолетовый есть, и мы прекрасно его видим. Во-вторых, если проблема только с чувствительностью глаза, почему на фотографиях тогда небо не фиолетовое? С одной стороны виновата цветокоррекция. Мы можем настроить фотоаппараты так, чтобы они снимали, как мы видим, а можем вообще снимать в недоступном человеческому глазу ИК- и УФ-диапазонах. Говорят, что когда аппарат «Викинг» впервые прислал фото с Марса, небо на нём было красным, но это была ошибка цветокоррекции. Когда её перенастроили по американскому флагу, оказалось, что марсианское небо цвета ирисок (butterscotch):
Атмосфера Марса тонкая, рассеяние Рэлея слабое, но из-за низкой гравитации с пустынной поверхности летят частицы оксида железа(II). Поглощение и рассеяние Ми на них даёт желтоватый цвет дневного неба на Марсе. Марсианские закаты при этом голубые:
Возвращаясь на поверхность Земли, мы должны признать, что в солнечном спектре есть фиолетовые лучи даже после поглощения атмосферой:
Их заметно меньше, чем синих или зелёных, но в том-то и дело, что мы видим всю смесь разом. Такой набор световых лучей, если они попадут нам в глаз, мы эволюционно приучились воспринимать как белый цвет:
Чтобы понять, как этот белый солнечный свет рассеивается по закону четвёртой степени Рэлея, надо этот спектр умножить на картинку с убывающей гиперболой 1/
λ4. На выходе имеем спектр голубого неба:
Небесный свет кажется нам монохроматическим с длиной волны 475 нм, но это смесь всех тех же видимых цветов только в другой пропорции. Красные, жёлтые и зелёные лучи тоже рассеиваются молекулами воздуха, но в меньшей степени, чем голубые, синие и тем более фиолетовые. Новая смесь лучей воспринимается нашим мозгом как голубая. Не было бы в солнечном спектре фиолетового или не было бы у наших глаз чувствительности к фиолетовому, эта смесь, очень вероятно, казалась бы нам зелёной. И жили бы мы под зелёным небом. Вот ещё одно сравнение спектра прямого солнечного света (красные и жёлтые линии — в зависимости от погодных условий) и спектра неба (синие линии; увеличены в 20 раз для лучшего сравнения, так как рассеянный свет намного менее интенсивный, чем прямой):
Такой свет неба, пока долетит до нашего глаза, может ещё не раз рассеяться. И в свою очередь обедниться фиолетово-голубыми лучами, всё более возвращаясь назад к смеси, воспринимаемой нами как белая. Я только при подготовке этого поста обратил внимание, что небо не равномерно голубое, а градиентно окрашенное: на горизонте оно заметно бледнее, чем в зените:
На фото вы можете видеть ещё один хорошо известный эффект — «посинение» далёких гор, который Леонардо да Винчи активно использовал на своих картинах для создания эффекта глубины. По жизни горы не синие. Синий цвет, наоборот, хуже всего виден издалека, так как рассеивается атмосферой, и потому сигнальные огни делают не синими, а красными. Мы видим рассеянный свет от солнечных лучей, которые бьют в землю между нами и горами? Я читал объяснение, что на самом деле горы кажутся нам не синими, а серыми. Всё дело снова в чувствительности глаз: издалека прилетает так мало отражённых от гор фотонов, что глаз переключается в режим ночного видения, когда колбочки отключаются и работают только палочки. Но часто голубизна гор столь очевидна и заметна с такого близкого расстояния, что рэлеевское рассеяние не может быть причиной:
Если бы оно было столько эффективно, Земля из космоса казалась бы однородно голубым шаром, как планета Нептун (за цвет которой отвечает поглощение красных лучей толщей метана). А раз мы видим на фото из космоса сушу и океаны, то далеко не все фотоны рассеиваются: значительная часть долетает до поверхности и избирательно отражается:
А вот сквозь облака, которые рассеивают по закону Ми, мы действительно не видим. И голубая дымка над Blue Ridge Mountains в восточных штатах не суперэффективное рэлеевское рассеяние, а рассеяние Ми в аэрозоле летящей от лесов органики.
Но всё же: если синие лучи в атмосфере преимущественно рассеиваются, то куда деваются красные, если их не видно ни с Земли, ни из космоса? Как вы понимаете, это вопрос с подвохом, потому что мы прекрасно видим эти нерассеянные красные лучи на закате. В Юте, когда я пишу это предложение около 4:40 дня. Свет, который потерял значительную часть фиолетовых, синих и зелёных лучей и меньшую часть жёлтых и красных лучей на рассеяние, чтобы у нас было голубое небо, летит дальше. Пока не долетает на восток до Нью-Йорка в виде заката и на запад в Бангкок в виде рассвета:
Есть такое цветовое пространство, предложенное Международной комиссией по освещению. Когда я увидел его в первый раз, ничего не понял. Но оно отвечает на вопрос из начала поста: почему цвет неба, переходя от голубого к красному, никогда не становится зелёным:
Я мыслил в рамках монохроматического спектра, который представлен здесь внешней дугой. По нему действительно невозможно перейти от голубого 475 к оранжево-красному 590, не вляпавшись по пути на 550 в зелёный. Но цвет неба никогда не одна спектральная линия, а смесь. Белого цвета тоже нет в спектре: он представлен пятном смеси всех цветов по центру. И внутри этого пространства возможен переход от голубого к красному, минуя зелёный. Хотя при желании, смотря на закат или на рассвет, можно выделить размытую зелёную полосу посередине:
А вот почему большая часть неба и после заката остаётся синей — интересный вопрос. Краснота на закате объясняется тем, что солнечные лучи проходят сквозь атмосферу оптический путь в 30–40 раз больший, чем в полдень. Синие лучи рассеялись сильно, красные несильно, и вот результат. Отчего же небо после заката синее? В английском эта пора так и называется “blue hour”.
Разумное объяснение предложили только в 1953 году. Виноват озон. На закате и после заката путь солнечных лучей через озоновый слой стратосферы увеличивается в десятки раз, и озон поглощает не 2% оранжевых фотонов, а все 40%. Погодите, разве тогда не складывается идеальная ситуация для зелёного неба? Днём оно не зелёное из-за доминирования синего, на закате — из-за доминирования красного. Но если мы убрали синие лучи рэлеевским рассеянием, а красные адсорбцией озона, то после заката мы имеем право на зелёное небо. К сожалению, озон поглощает не только красный, но и весь оставшийся после рассеяния зелёный (510–550 нм). Вот спектр поглощения озона:
И остаётся только недорассеянный и не поглощённый озоном синий. Автора «синий книги» спросили, а не будет ли тогда небо в Антарктиде под озоновой дырой зелёным. Он написал, что это хороший вопрос, но разрешить его можно будет только, если ему оплатят экспедицию на Южный полюс. Зелёное небо у нас и так прочно ассоциируется с полярными областями из-за северного (и южного) сияния:
Но его механизм заключается в том, что магнитные бури на Солнце приносят поток энергичных заряженных частиц, которые переводят молекулы кислорода и азота в диссоциированное и возбуждённое состояние. Кстати, похожее возбуждение кислорода возможно и под действием ультрафиолета дневного излучения. И каждую ночь рекомбинация N + O = NO + hν сопровождается зеленоватым свечением (airglow — собственное свечение атмосферы), но оно слишком бледное, чтобы мы видели его невооружённым глазом, который в темноте переключается на чёрно-белое зрение. Зато вооружённым глазом видна красота:
Но ты же поставил на заглавную картинку поста зелёное небо? Это кто-то баловался в графическом редакторе? Нет, утверждают, что это реальные цвета, которые наблюдались одним июльским вечером в Южной Дакоте. Такое небо является предвозвестником бури под названием деречо. Всем известно торнадо, которое с испанского переводится как «закрученный», так вот бывает ещё и деречо — прямой фронт ураганных ветров. Точный механизм позеленения неба неизвестен, но похоже, что роль играет рассеяние Ми на частицах воды и пыли на фоне закате. Наконец-то, складываются условия, когда из цвета неба убрали красный с синим и зелёный правит бал. Но жители Дакоты знают, что если небо позеленело, надо не любоваться, а бежать в укрытие:
***
Мой рассказ получился не столько о цвете неба, сколько о блуждании человеческой мысли в эпоху Википедии. На раз-два
гуглился ответ о цвете неба, которого с лихвой хватит человеку без высшего физического образования. Я мог на нём остановиться, но засело во мне желание идти в тумане рассеяния куда глаза глядят:
Не все вопросы оказались мне по зубам, но основной туман рассеялся, и остались лишь несколько неразрешённых облачек посреди отныне понятного голубого неба:
.jpg)
