Цвет неба физика. Почему небо голубого цвета? Кто раскрашивает небо

Существует миллионы вопросов, на которые будучи в детьми, мы не получаем ответа, а повзрослев просто стесняемся спросить. Одним из таких вопросов без ответа: «почему небо голубое». И все бы ничего, и без этих знаний можно прожить, но когда ребенок начинает задавать такие каверзные вопросы своим родителям — им часто становится стыдно, и они начинают менять тему. Далее ребенок вырастает не зная ответа, у него появляются свои дети и все снова повторяется. Давайте же разорвем этот «порочный круг» и разберемся в причинах почему небо синее. Рассмотрим вопрос со всех возможных точек зрения.

Явление голубого неба с точки зрения физики

Давайте сразу разберемся, небо голубое потому что атмосфера земли рассеивает свет солнца. Все исследования, проводимые последние 200-300 лет, сводятся именно к этому. Рассмотрим несколько аксиом, которые влияют на явление голубого неба:

Белый свет солнца — это сочетание различных цветовых потоков. Белый цвет «отдельно» не существует. Как всем известно есть только 7 цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), остальные цвета получаются только при их сочетании. Белый цвет получается при сочетании всех семи цветов. Стоит учесть, что имеются ввиду именно цвета, которые мы можем различить глазом.
Атмосфера — не пустота, она состоит из многих газов: азот (78%), кислород (21%), углекислый газ, вода в различных ее состояниях (пар, кристаллы льда). Также вокруг нас витает много пыли, элементов различных металлов. Все они искажают белый свет солнца.
Воздух, который нас окружает и которым мы дышим, на самом деле непрозрачный. Во всяком случае, в больших объемах. Мы же не в вакууме живем все-таки.

От этих трех фактов и будем отталкиваться далее.

История

Еще в 19-ом веке ученый по имени Джон Тиндалл провел исследования, которые доказали, что мы видим небо синим из-за частиц в атмосфере. У себя в лаборатории он искусственно создал туман с частицами пыли и направил на него яркий белый луч — цвет тумана поменялся на голубоватый. Спустя 30 лет, в 1899 году ученый-физик Рэлей опроверг исследования своего предшественника и опубликовал доказательства того, что небо голубое именно благодаря молекулам воздуха , а не пыли в нем. Называется данное явление «диффузным излучением неба » подробно об этом можно прочесть в «Википедии» .

Небо выглядит голубым по той причине, что воздух рассеивает свет с короткой длиной волны сильнее длинноволнового излучения света. Так как излучение синего цвета имеет более короткую длину волны, в конце видимого спектра, он больше рассеивается в атмосфере, чем красный. (Источник: Википедия)

Что такое свет? Свет — это поток фотонов, некоторые мы можем уловить глазом, а некоторые нет. Так, например, стандартный спектр цветов мы видим, а ультрафиолетовый, который также излучает солнце — нет. Какой цвет в итоге мы увидим зависит от «длины волны» этого потока. От этой длины волны и зависит какой цвет получится.

Так вот. Мы определили, что солнце посылает нам кванты с длиной волны, которая соответствует белому цвету, но как он проходя через атмосферу превращается в голубой цвет? Рассмотрим на примере радуги. Радуга — является прямым примером преломления света и разделения его на спектр. Создать свою радугу можно с помощью стеклянной призмы в домашних условиях. Разложение цвета на спектр называется дисперсией .

Так вот, наше небо выполняет функцию призмы. Большая часть белого света, проходя через молекулы газа в атмосфере, меняют длину своей волны. В итоге «выходя» из молекул фотоны имеют уже другой цвет. Этот цвет может быть как фиолетовый, красный, так и голубой и синий.

Почему мы видим именно голубой цвет, а не красный

Какой цвет мы в итоге увидим при прохождении света от солнца к земле зависит от того какие фотоны преобладают. Так например, при проходе света через атмосферу, количество квантов синего цвета в 8 раз больше чем красного, а фиолетового в 16 раз! Это связано с той самой различной длинной волны, так фиолетовый и синий сильно рассеиваются, а красный и желтый рассеиваются значительно хуже. Исходя из этой теории небо должно быть фиолетового цвета, но это не так. Это происходит из-за того, что фиолетовый гораздо хуже воспринимается глазом человека в отличии от синего. Вот поэтому небо голубого цвета .

Видео о том почему небо голубое:

Почему небо голубое днем, а закат красный

Все, опять-таки, связано с дисперсией цвета. Угол падения солнечного белого света становится меньше, и свет проходит большее количество молекул воздуха, увеличивается длина волны света. Такого количества достаточно для рассеивания до красного цвета.

Ответ на вопрос почему небо синее для детей

Если вопрос про голубое небо вам задал ребенок, вы конечно же не будете рассказывать ему про дисперсию, спектры и фотоны. Достаточно привести цитату из детской книги «100 детских «Почему» Яценко Татьяны:

Обычно мы рисуем солнечные лучи жёлтыми. А на самом деле свет солнца - белый и состоит из семи цветов. Это цвета радуги: красный , оранжевый , жёлтый , зелёный , голубой , синий , фиолетовый . Воздух пропускает не все цвета, только голубой, синий и фиолетовый. Они и раскрашивают небо.

Этого будет достаточно. У нас на сайте вы также можете скачать презентацию на тему: «Почему небо голубое» по ссылке: Она может пригодится на занятиях в школе.

Если коротко, то …»Солнечный свет, взаимодействуя с молекулами воздуха, рассеивается на разные цвета. Из всех цветов лучше всего к рассеиванию предрасположен именно голубой цвет. Получается, что он фактически захватывает воздушное пространство».

А теперь давайте подробнее

Только дети могут задавать настолько простые вопросы, на которые совершенно взрослый человек не знает, как ответить. Наиболее распространенный вопрос терзающий детские головы: «Почему небо синее?» Однако правильный ответ даже для себя знает не каждый родитель. Найти его поможет наука физика и ученые, пытающиеся ответить на него на протяжении не одной сотни лет.

Ошибочные объяснения

Люди на протяжении многих столетий искали ответ на этот вопрос. Люди древности считали, что такой цвет является любимым для Зевса и Юпитера. В свое время объяснения цвета неба волновали таких великих умов как Леонардо да Винчи и Ньютон. Леонардо да Винчи считал, что соединяясь между собой, тьма и свет образуют более светлый оттенок – синий. Ньютон связывал голубой цвет со скоплением в небе большого количества водяных капель. Однако, только в ХIX веке получилось прийти к правильному заключению.

Спектр

Чтобы ребенок понял правильное объяснение при помощи науки физики, первоначально ему нужно понять, что луч света представляет собой летящие на большой скорости частицы – отрезки электромагнитной волны. В потоке света длинные и короткие лучи движутся вместе, а человеческим глазом воспринимаются совместно как белый свет. Проникая в атмосфере через мельчайшие капли воды и пыли, они рассеиваются на все цвета спектра (радуги).

Джон Вильям Релей

Еще в 1871 году британский физик лорд Релей заметил зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны. Рассеяние света Солнца на неоднородностях атмосферы объясняет, почему небо голубое. Согласно закону Релея голубые солнечные лучи рассеиваются на много интенсивнее, чем оранжевые и красные, так как имеют меньшую длину волны.

Воздух возле поверхности Земли и высоко в небе состоит из молекул, из-за чего солнечный свет рассеивается еще высоко в воздушной атмосфере. Он доходит до наблюдателя со всех сторон, даже из самых отдаленных. Спектр рассеянного воздуха света заметно отличается от прямого солнечного света. Энергия первого передвинута на желто-зеленую часть, а второго – на синюю.

Чем интенсивнее рассеивание прямого солнечного света, тем более холодным будет казаться цвет. Наиболее сильное рассеивание, т.е. самая коротка волна — у фиолетового цвета, длинноволновое рассеивание – у красного. Поэтому во время заката Солнца отдаленные от него территории неба кажутся голубыми, а самые близкие – розовые или алые.

Рассветы и закаты

Во время заката и рассвета человек чаще всего видит розовые и оранжевые оттенки на небе. Это объясняется тем, что свет от Солнца проходит очень низко к поверхности земли. Из-за этого, путь который нужно совершить свету во время заката и рассвета намного длиннее, чем днем. По причине того, что лучи проходят наибольший путь через атмосферу, основная часть синего света рассеивается, поэтому свет солнца и близлежащих облаков кажутся человеку красноватыми или с розовым оттенком.

Известно, что небо голубого цвета – это причина взаимодействия озонового слоя и солнечного света. Но что конкретно происходит с точки зрения физики и почему небо голубое? Теорий на этот счёт существовало несколько. Все они, в конечном итоге, подтверждают, что основная причина – это атмосфера. Но также объясняется и механизм взаимодействия.

Главный факт касается солнечного света. Известно, что солнечный свет имеет белый цвет. Белый цвет – это сумма всех спектров . Он может быть разложен на радугу (или спектры) при прохождении через дисперсионную среду.

Исходя из этого факта, учеными было предложено несколько теорий.

Первая теория объясняла голубой цвет тем самым рассеянием на частицах в атмосфере. Предполагалось, что большое количество механической пыли, частичек пыльцы растений, водяного пара и других мелких включений работают как дисперсионная среда. В результате до нас доходит только спектр голубоватого цвета. Но как тогда объяснить, что цвет неба не меняется зимой или на севере, где таких частичек меньше или их природа отлична? Теория была довольно быстро отвергнута.

Следующая теория предполагала, что световой поток белого цвета проходит через атмосферу, которая состоит из частиц. При прохождении через их поле светового луча частицы возбуждаются. Активированные частицы начинают испускать дополнительные лучи. Это и окрашивает солнечный цвет в голубоватый цвет. Белый свет помимо механического рассеивания и его дисперсии активирует и частицы атмосферы. Явление напоминает люминесценцию. На данный момент это объяснение является .

Последняя теория наиболее простая и она является достаточной для объяснения основной причины явления. Смысл ее очень похож на предыдущие теории. Воздух способен рассеивать свет по спектрам. Именно это является основной причиной голубого свечения. Свет с короткой длиной волны рассеивается интенсивнее, чем с короткой. Т.е. фиолетовый цвет рассеивается сильнее, чем красный. Этот факт объясняет изменение цвета неба на закате. Достаточно изменить угол солнца. Это и происходит при вращении земли, и цвет небосвода меняется на оранжево-розовый на закате. Чем выше солнце над горизонтом, тем более голубой свет мы будем видеть. Причина всему – та самая дисперсия или явление разложения света по спектрам.

Кроме всего этого, нужно понимать, что нельзя исключать все обозначенные выше факторы. Ведь каждый из них дает некоторый вклад в общую картину. Например, несколько лет назад в Москве в результате обильного цветения растений весной образовалось плотное облако пыльцы. Оно окрасило небо в зеленый цвет. Это довольно редкое явление, однако оно показывает, что отвергнутая теория про микрочастицы в воздухе также имеет место быть. Правда, теория эта не является исчерпывающей.

Вы когда-нибудь задумывались, а почему небо голубое?

Ответ кроется в природе солнечного света и тем, как он взаимодействует с атмосферой Земли.

Солнечный свет кажется белым с желтоватым оттенком, но самом деле он состоит из всех цветов радуги. Когда свет проходит через нашу атмосферу, он рассеивается во всех направлениях газами и частицами в воздухе. Синий свет рассеивается больше, чем другие цвета, потому что он имеет меньшею длину волны. Вот почему мы видим небо голубым большую часть времени.

Свет — это одна из форм электромагнитного излучения, т.е он является волной.

Диаграмма выше показывает волну света. Синие линии показывают напряженность электрического поля. Длина волны — это расстояние между последовательными пиками, обозначенными на диаграмме буквой A, или последовательными впадинами, обозначенными на диаграмме буквой B. Длины волн настолько малы, что их обычно измеряют в нанометрах (нм). 1 нм равен одной миллиардной части метра. Человеческий глаз чувствителен к свету с длинами волн в диапазоне от 380 нм до 750 нм, и мы видим разные длины волн света как разные цвета.

Глаза видят длины волн следующим образом:

От 380 до 430 нм как фиолетовый
От 430 до 450 нм как темно-синий
От 450 нм до 500 нм как голубой цвет
От 500 до 570 нм как зеленый цвет
От 570 до 600 нм как желтый
От 600 нм до 630 нм как оранжевый
Красный от 630 до 750 нм

Большинство источников света, в том числе и Солнце, производят световые волны со смесью разных длин волн. Если количество света на разных длинах волн (или цветах) присутствует в примерно равных пропорциях, то глаз видит смесь цветов как белый.

Рассеяние света

В конце девятнадцатого века британский физик лорд Рэлей (1842-1919) объяснил феномен, который сейчас называется рэлеевским рассеянием.

Рэлею удалось показать, что когда луч света, проходит через воздух, небольшое количество света рассеивается во всех направлениях, из-за взаимодействия с отдельными молекулами в атмосфере. Это показано на диаграмме ниже.

Кроме того, он смог показать, что доля энергии в рассеянном пучке света зависит от двух вещей:

Во-первых, от количества молекул воздуха, с которыми сталкивается пучок света. Чем больше молекул воздуха или большее количество атмосферы встречается с лучом света, тем больше рассеивание.
Во-вторых, чем короче длина волны света, тем больше рассеивание. Поэтому, если мы возьмем луч света, такой как у Солнца, который содержит несколько цветов, тогда более короткие волны (фиолетовый и синий свет) рассеиваются больше, чем более длинные волны, такие как оранжевый и красный. Это показано на графике ниже.

Голубое небо, которое мы видим, — это синий свет от Солнца, который излучается молекулами воздуха во всех направлениях посредством рассеяния Рэлея. Еще одна вещь, которую показывает диаграмма, это то, что фиолетовый свет имеет более короткую длину волны, чем синий, и он рассеивается еще больше. Тем не менее небо на Земле не фиолетовое. Это потому, что сила солнечного света не одинакова на всех длинах волн, он содержит относительно мало фиолетового по сравнению с синим.

Еще одним эффектом рассеяния является то, что цвет Солнца для наблюдателя на Земле кажется скорее желто-оранжевым, чем белым. Хотя баланс цветов таков, что солнечный свет становится белым, когда покидает поверхность Солнца, но когда он сталкивается с атмосферой, атмосфера рассеивает свет коротких волн (фиолетового, синего и зеленого) больше, чем длинных волн (желтый, оранжевый и красный), и в результате сочетание цветов выглядит скорее желтым, чем белым. Интересно, что когда космонавты смотрят на Солнце из космоса, оно кажется им белым.

Во время восхода и заката, когда Солнце находится под небольшим углом в небе, чуть выше горизонта, солнечные лучи должны пройти через сотни километров атмосферы, прежде чем вы их увидите. Поскольку солнечные лучи проходят через гораздо больше количество молекул в атмосфере, степень рассеяния также намного больше.

Как показано в таблице ниже, практически все более короткие и средние длины волн света (синий, зеленый и желтый цвета) удаляются из солнечных лучей, оставляя только более длинные волны (оранжевый и красный). Это объясняет, почему Солнце кажется красным на восходе и закате.

Небо на Луне

У Луны нет атмосферы. Поэтому рэлеевского рассеяния солнечного света не происходит, и небо кажется абсолютно черным. Солнце кажется более белым по цвету, потому что короткие волны не удалены из его света, как на Земле.

Одним интересным эффектом отсутствия атмосферы является то, что астронавтам Аполлона, которые ходили по Луне, было очень трудно судить, как далеко находились объекты. На Земле атмосфера заставляет отдаленные объекты выглядеть слегка туманными, но на Луне это не так.

Небо на марсе

У Марса очень тонкая атмосфера. Давление воздуха на Марсе составляет всего 0,7% от давления на Земле. Слишком мало атмосферы для рэлеевского рассеяния. До того, как первые космические зонды приземлились на Марсе в 1976 году, многие космические ученые ожидали, что небо на Марсе будет черным. На самом деле небо на Марсе красновато-коричневого цвета. Это происходит из-за мелких частиц красновато-коричневой пыли оксида железа, находящихся в марсианской атмосфере.

Почему небо голубое – очень трудно найти ответ на такой простой вопрос. Многие ученые ломали себе голову в поисках ответа. Наилучшее решение проблемы предложил около 100 лет назад английский физик лорд Джон Рэлей.

Но начнем сначала. Солнце излучает ослепительно чистый белый свет. Значит и цвет неба должен быть таким же, но оно все таки голубое. Что же происходит с белым светом в земной атмосфере?

Немного о цвете

Белый свет – это смесь цветных лучей. С помощью призмы мы можем сделать радугу. Призма раскладывает белый луч на цветные полосы: красную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю и фиолетовую. Соединяясь вместе, эти лучи вновь образуют белый свет. Можно предположить, что солнечный свет сначала расщепляется на цветные составляющие. Потом что-то происходит, и поверхности Земли достигают только голубые лучи.

Материалы по теме:

Природа - что такое природа, природа мира, фото и видео

Гипотезы выдвигаемые в разное время

Есть несколько возможных объяснений. Воздух, окружающий Землю,- это смесь газов: азота, кислорода, аргона и других. В атмосфере присутствуют еще водяной пар и кристаллики льда. В воздухе взвешены пыль и другие мелкие частицы. В верхних слоях атмосферы находится слой озона. Может быть причина в этом?

Некоторые ученые считали, что молекулы озона и воды поглощают лучи красного цвета и пропускают голубые. Но оказалось, что в атмосфере просто не хватит озона и воды, чтобы окрасить небо в голубой цвет.

В 1869 году англичанин Джон Тиндалл предположил, что пыль и другие частицы рассеивают свет. Синий свет рассеивается в наименьшей степени и проходит слои таких частиц, достигая поверхности Земли. В своей лаборатории он создал модель смога и осветил ее ярким белым лучом. Смог окрасился в глубокий синий цвет.

Тиндалл решил, что если бы воздух был абсолютно чист, то ничто бы не рассеивало свет, и мы могли бы любоваться ярким белым небом. Лорд Рэлей тоже поддерживал эту идею, но недолго. В 1899 году он опубликовал свое объяснение: именно воздух, а не пыль или дым, окрашивает небо в голубой цвет.

Материалы по теме:

Живая и неживая природа - что это, определение, описание и фото

Связь цвета и длины волны – объяснение почему небо голубое

Часть солнечных лучей проходит между молекулами газа, не сталкиваясь с ними, и без изменений достигает поверхности Земли. Другая, большая часть, поглощается газовыми молекулами. При поглощении фотонов молекулы возбуждаются, то есть заряжаются энергией, а затем испускают ее в виде опять-таки фотонов. Эти вторичные фотоны имеют разную длину волны и могут быть любого цвета - от красного до фиолетового.

Разлетаются они во всех направлениях: и к Земле, и к Солнцу, и в стороны. Лорд Рэлей предположил, что цвет испускаемого луча зависит от преобладания в луче квантов того или иного цвета. При столкновении молекулы газа с фотонами солнечных лучей на один вторичный квант красного цвета приходится восемь квантов синего .

Каков результат? Интенсивный голубой свет буквально льется на нас со всех сторон из миллиардов молекул газов атмосферы. К этому свету примешаны фотоны других цветов, поэтому он не имеет чисто синего тона.

Материалы по теме:

Почему Китай называют «Поднебесной»?

Особенности цветового спектра

Перед тем, как достигнуть поверхности земли, где его могут созерцать люди, солнечный свет должен пройти через всю воздушную оболочку планеты. Свет имеет широкий спектр, в котором все же выделяются основные цвета, оттенки радуги. Из этого спектра красный цвет имеет наиболее длинную световую волну, в то время как фиолетовый – самую короткую. При закате солнечный диск стремительно краснеет и устремляется все ближе к линии горизонта.

При этом свету приходится преодолевать все большую толщу воздуха, и часть волн при этом теряется. Сначала исчезает фиолетовый, затем синий, голубой. Наиболее длинные волны красного цвета продолжают проникать до поверхности Земли до последнего, и потому солнечный диск и ореол вокруг него до последних моментов имеют красноватые оттенки.

Почему днем небо голубое ?

Длинные световые волны могут проникать вглубь атмосферы по той причине, что они почти не поглощаются, не рассеиваются аэрозолями и взвесями, которые постоянно циркулируют в атмосфере планеты. Когда светило находится ближе к зениту, складывается иная ситуация, которая обеспечивает небу голубизну. Синий цвет имеет более короткие волны, чем красный, и он сильнее поглощается. Но его способности к рассеиванию выше в 4 раза по сравнению с красным.