Почему небо голубое? ответ с точки зрения физики и для детей

Что происходит при восходе Солнца?

Цвет неба и восход

При восходе солнечные лучи проходят через тот же процесс, но в обратном порядке. То есть, сначала через толщу атмосферы под сильным углом пробиваются первые лучи, до поверхности доходит только красный спектр. Поэтому восход изначально брезжит красным цветом. Затем, по мере восхода и изменения угла, начинают проходить и волны других цветов – небо окрашивается оранжевым, и далее оно становится привычно голубым. Наблюдается полдневная глубокая синева неба, и затем, к вечеру, оно начинает вновь переходить к багрянцу. С одной стороны неба, удаленной от солнца, наблюдается сине-черный оттенок, но чем ближе к заходящему светилу, тем больше красных оттенков можно видеть близ горизонта, пока Солнце не исчезает окончательно.

Такие цветовые явления наблюдаются повсеместно. Солнце обретает красный цвет, как и близкие к нему участки неба, как у экватора, так и на полюсах. Это явление можно видеть по всей планете. Иногда закаты или рассветы имеют более насыщенные красные тона, это связано с состоянием атмосферы, наличием в ней аэрозолей или взвесей. В других случаях цвет оказывается не таким выраженным, более умеренным. Существуют народные приметы, позволяющие определять погоду на следующий день по оттенкам заката – люди научились анализировать цвета и предугадывать состояние атмосферы по ним с большей или меньшей точностью.

Таким образом, красный цвет заката связан с тем, что под большим углом через толщу атмосферы прорываются только красные цвета солнечного спектра, имеющие самую длинную волну. Красный цвет восходов связан с тем же фактором. В остальное время дня небо голубое, так как этот оттенок способен заглушить прочий спектр, имея наибольшую способность к рассеиванию.

Объяснение для взрослых

Чтобы понять голубизну неба, необходимо вспомнить школьный курс физики. Цвета отличаются способностью к рассеянию (из-за длины волны) в газовой оболочке, окружающей Землю. Так, красный цвет обладает низкой способностью, поэтому его и применяют, например, в качестве наружного бортового освещения самолётов.

Таким образом, те цвета, которые обладают повышенной способностью к рассеянию в воздухе, активно применяют для маскировки каких-либо объектов от воздушных и наземных противников. Обычно это синие и фиолетовые части спектра.

Рассмотрим рассеяние на примере заката. Поскольку красный цвет отличается невысокой рассеивающей способностью, уход солнца сопровождается багрянцем, алыми всполохами и прочими оттенками красного. С чем это связано? Рассмотрим по порядку.

1. Солнечный свет состоит из 7 частей спектра. Вспомните, когда вы глядите прямо на светило, расположенное в зените, оно вам кажется практически белым. Происходит это потому, что белый – это и есть совокупность остальных спектральных цветов.
2. Когда небесное светило приближается к горизонту, солнечные лучи проходят более толстый атмосферный слой. Уход солнца становится багрянистым, поскольку «утолщённая» атмосфера рассеивает и поглощает все оттенки и цвета, кроме, соответственно, красного.
3. Таким образом, небесное светило становится всё более красным, чем толще атмосферный слой и чем ближе к горизонту происходит уход солнца. А если «край неба» запылённый и наполненный невидимыми каплями воды, закат станет багровым, а, значит, назавтра можно ожидать ненастье и ветер.

Рассуждаем дальше. Голубое и синее «отделение» спектра находится между зелёными и фиолетовыми цветами. Все эти оттенки отличаются высокой рассеивающей способностью. А максимальное рассеяние определённого оттенка в конкретной среде и окрашивает её в этот цвет.

Теперь нужно объяснить следующий факт: если фиолетовый оттенок лучше рассеивается в воздухе, почему небо голубое, а, к примеру, не фиолетовое. Объясняется этот феномен тем, что органы зрения человека при равной яркости «предпочитают» именно голубые оттенки, а не фиалковый либо зелёный.

Конечно, пояснение необходимо прочитать несколько раз, чтобы понять самому и постараться объяснить не ребёнку, а именно взрослому человеку. Для детей ответ, конечно, должен быть более простым.

Белый свет солнца превращается в голубой

Насколько многим известно, белый цвет получается из нескольких базовых, которые могут изменяться: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового – то есть цветов радуги. Так, до Земли белый солнечный свет доходит в измененном, рассеянном, виде из-за длины волны света, а астронавты, в свою очередь, видят белоснежное дневное светило на фоне черного неба.

А теперь перейдем к вопросу на ответ почему небо голубое. Вспомним красный свет светофора, странно, что он не синий или зеленый? Дело в том, что он почти не рассеивается, и через слой воздуха мы видим его точно таким же, оранжевый немного искажается, желтый уже больше, и так далее до фиолетового – он изменяется больше всего.

Теперь стоит представить, что во время заката Солнце приближается к Земле ближе, поэтому небо в этот момент видится нам красным, но чем выше светило поднимается на небо в течение дня, тем больше рассеивается свет и становится уже не белым, а желтым. Но если мы посмотрим в сторону от Солнца на небо, то увидим лишь голубые или рассеянные фиолетовые лучи, так как все остальные цвета из того перечня просто пройдут мимо нас. Иными словами, частицы воздуха влияют сильнее всего на голубой, синий и фиолетовый цвета лучей, по этой причине небо и окрашивается в голубой цвет.

Почему небо красное. Почему днем небо синего или голубого цвета?

Белый свет – а именно его излучает Солнце – состоят из семи частей цветового спектра: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Известная еще со школы считалочка – «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан» – как раз и определяет цвета этого спектра по начальным буквам каждого из слов. Каждому цвету соответствует своя длина световой волны: самая большая у красного и самая короткая у фиолетового цвета.

Привычное для нас небо (атмосфера) состоит из твердых микрочастиц, мельчайших капель воды и молекул газа. На протяжении долгого времени существовало несколько ошибочных предположений, пытающихся объяснить, почему небо голубое:

• атмосфера, состоящая из мельчайших частиц воды и молекул различных газов, хорошо пропускает лучи синего спектра и не дает коснуться Земли лучам красного спектра;
• мелкие твердые частицы – к примеру, пыль – взвешенные в воздухе, рассеивают синие и фиолетовые волны меньше всего, и из-за этого им удаётся достигать поверхности Земли в отличие от других цветов спектра.

Эти гипотезы поддерживали многие известные ученые, однако исследования английского физика Джона Рэлея показали, что не твердые частицы являются основной причиной рассеивания света. Именно молекулы газов, находящихся в атмосфере, разделяют свет на цветовые составляющие. Белый солнечный луч, столкнувшись в небе с газовой частицей, разлетается (рассеивается) в разные стороны.

При столкновении с молекулой газа, каждый из семи цветовых компонентов белого света рассеивается. При этом свет с более длинными волнами (красная составляющая спектра, в которую также входит оранжевый и желтый) рассеивается хуже, чем свет с короткими волнами (синяя составляющая спектра). Из-за этого после рассеивания, в воздухе остается в восемь раз больше цветов синего спектра, чем красного.

Хотя и самая короткая длина волны у фиолетового цвета, небо всё равно кажется голубым из-за смешения фиолетовых и зелёных волн. Кроме этого, нашими глазами лучше воспринимается голубой цвет, чем фиолетовый, при одинаковой яркости обоих. Именно эти факты и определяют цветовую гамму неба: атмосфера буквально наполнена лучами сине-голубого цвета.

С точки зрения физики

Если рассматривать детально этот вопрос про небо, подключая физику, то можно отметить, что оно обладает именно таким цветом по той простой причине, что атмосфера земли, как правило, способна рассеивать свет солнца.

Причем это объясняется не, просто так, ведь многочисленные исследования, которые собственно и проводятся активно последние 200-300 лет, ведут к тому, что в действительности все именно так.

Более того, есть информация, которая раскрывает секрет, почему небо обладает голубым цветом:

Прежде всего, стоит отчетливо понимать, что нет «отдельно» белого цвета, несмотря на то, что многие так считают, и белый цвет солнца – представляет собой некое сочетание тех или иных цветовых потоков. Те семь цветов радуги, о которых известно всем, в момент сочетания и приводят к созданию белого цвета.

Немаловажную роль в этом вопросе, конечно же, играет и атмосфера, о чем следует понимать, она не является пустотой, состоит исключительно из газов, помните об этом.

Кроме того, вокруг нас в действительности много пыли, это и элементы металлов, о чем следует не забывать, они способны искажать белый цвет солнца, не забывайте об этом.

Небо – это атмосфера

Стоит заметить, что видим мы не совсем небо, а голубую атмосферу, именно ее и окрашивают солнечные лучи в этот цвет.

Что называется атмосферой? Если избегать научных понятий и сложного языка, то можно сказать, что она окружает нашу планету и представляется в виде смеси газов и других частиц, которые содержатся в воздухе. По большей части она состоит из азота и из кислорода, причем доля последнего лишь 21%. Некоторые “добавки” в нее могут попадать и из океанов, например, соль, но ее концентрация слишком мала, чтобы мы ее чувствовали. Также состав атмосферы может меняться в зависимости от погоды, к примеру, когда сильный ветер и ливни, количество воды в ней увеличивается, а когда засуха – уменьшается.

Помимо соли в атмосфере встречается пыль, сажа и даже пепел, которые ежегодно тоннами выбрасывают из себя вулканы со всего мира! Стоит только представить, сколько плохого в воздух могут выпустить заводы и фабрики, но это еще небольшая проблема, так как атмосфера может восстановиться, правда, за несколько сотен лет. Еще влияют на состав воздуха и техногенные катастрофы, а они, к сожалению, сейчас происходят чуть ли не каждый день.

Таким образом, атмосфера состоит из:

• азот (78%);
• кислород (21%);
• газообразный аргон (1%);
• вода;
• пыль;
• сажа;
• пепел;
• пыльца;
• соль и т.д.

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:

1. 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.
   
2. 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.
3. 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» .

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.

Почему небо Голубое, а трава зеленая. Почему трава зелёная, а небо голубое? Непростые ответы на детские вопросы

Известно, что самыми сложными нередко оказываются очень простые, практически детские, вопросы. На самом деле, взрослые льстят себе, считая, что подобные вопросы задают маленькие дети, потому что они мало знают. Просто дети не находятся в плену стереотипов, к тому же они любознательны, чего, увы, часто не скажешь о взрослых. Но спросите у взрослого, почему трава зелёная, а небо голубое, и, с высокой долей вероятности, точного ответа вы не получите.

Сначала о траве

Здесь всё относительно просто. Известно, что растения на Земле поглощают солнечную энергию, расщепляя её, «строя», таким образом, свои ткани. Другими словами, солнечный свет — это топливо, которое позволяет растениям жить.

Но если есть топливо, должна быть и печка, в которой оно сжигается. Такой печкой является особое вещество — хлорофилл. Именно в его клетках происходит усваивание солнечной энергии.

Крохотные, невидимые зёрнышки хлорофилла покрывают собой каждый лист, каждую зелёную иголочку. Их молекулы — настоящие фабрики, работу которых можно упрощённо описать следующими операциями:

1. Поглощение солнечного света.
2. Разложение его на составляющие.
3. Использование полученной энергии для расщепления углекислого газа.
4. Выработка сахаров, крахмалов и белков.
5. Отражение зелёного спектра солнечного цвета.

Таким образом, хлорофилловые зёрна, получив солнечные лучи и использовав их для своих целей, отражают обратно только ту часть спектра, которая воспринимается нашим глазом как зелёный цвет. И мы говорим: трава зелёная!

История голубого неба

С окрашиванием неба в голубой цвет всё немного сложнее. Вернее, ещё в середине XIX века учёным казалось, что здесь тоже нет загадок. Ведь уже тогда было известно, что наша атмосфера состоит из нескольких газов, преимущественно углекислого, азота и кислорода.

Знали физики уже и то, что солнечный свет, хотя и кажется белым, имеет в своём составе 7 цветов, известных всем и поныне, как цвета радуги. Белый цвет можно без проблем разложить на эти цвета, или, говоря языком науки, получить полный спектр.

Поэтому сразу выдвинули теорию, которая гласила: молекулы газов, составляющих атмосферу Земли, способны раскладывать белый солнечный свет на спектр и задерживать в себе большую его часть, пропуская к наблюдателю на поверхности планеты только сине-голубые лучи. Таким образом, человек на Земле видел бы небо голубоватым.

Все остались были довольны эти объяснением, пока английский учёный Д. Рэлей в самый последний год XIX века не провёл ряд опытов, в которых уверенно доказал: молекул воздуха и частиц пыли для подобного разложения недостаточно! Научный мир изумился…

Но, к счастью, тот же Рэлей вскоре нашёл и новое объяснение. Оказывается, фотоны света, встречаясь с молекулами воздуха, активируют их, и уже активированные молекулы, в свою очередь, испускают новые фотоны, но уже не белые, а синие и голубые. Вот почему мы видим наше небо голубоватым. И, кстати, даже если смотреть на планету из Космоса, она тоже выглядит голубым шариком: ведь «голубые» фотоны вылетают из атмосферы и вверх, и вниз.

Вот такой, совсем непростой ответ мы получили на обычный детский вопрос. Кстати, если отвечать на него маленьким детям, достаточно будет сказать, что голубым солнечный свет становится из-за того, что он фильтруется атмосферой Земли, как грязная вода очищается, проходя сквозь плотную бумажную салфетку.

А нам, взрослым, услышав от ребёнка, почему трава зелёная, а небо голубое, не стоит сразу смотреть на малыша «сверху вниз». Для начала подумаем: а знаем ли мы сами правильные ответы на такие незамысловатые вопросы? И, кстати, можем приготовиться к следующему возможному вопросу: «А почему же тогда небо на закате оранжевое?».

Кто раскрашивает небо?

Как же ответить ребёнку, который увлечённо глядит на родителя и ожидает понятного и вполне чёткого ответа. Уход родителя от вопроса может обидеть малыша или разуверить его во «всемогуществе» мамы или папы. Каковы могут быть варианты объяснений?

Объяснение для ребенка 2-3 лет

Малышу этого возраста сложно будет понять информацию о спектрах, длине волн и других премудростях физики. Расскажите ребенку о том, что на нашей Земле есть много различных водоемов: реки, моря, озера. Обязательно покажите ему их на рисунках.

Когда на улице тепло и солнечно, то вода отражается на небесах, как будто в зеркальце. Водичка в реке и озере голубая, поэтому и небо тоже голубое. Можно взять любой предмет голубого цвета и продемонстрировать как он отражается в зеркале.

Объяснение для ребенка 3-4 лет

Ребенку этого возраста объяснить все более реально. Можно рассказать ему о том, что белый цвет не очень простой. Он включает в себя сразу 7 других оттенков: оранжевый, зеленый, голубой, фиолетовый, синий, желтый и красный.

Продемонстрируйте изображение радуги. Все лучи «добираются» к земле через плотный слой воздуха, как через решето. Каждый солнечный луч по пути разбрызгивается и разделяется на отдельные части.

Объяснение для ребенка 4-5 лет

Воздух кажется нам прозрачным. Но он такой только вблизи. Но его настоящий цвет – голубой.

Предложите ребенку посмотреть на небо. Объясните малышу, что воздух очень плотный, поэтому и кажется издали нам голубым. Чтобы наглядно продемонстрировать ему этот эффект, возьмите отрезок полиэтиленового пакета.

Объяснение для ребенка 5-6 лет

Воздух – это смесь разный частичек (пара, пыли, газа). Они очень маленькие, поэтому увидеть их непросто. Сделать это можно только с помощью микроскопа.

Лучи солнца состоят из 7 оттенков. Пробираясь через поток воздуха, они сталкиваются с маленькими частицами, поэтому и распадаются. Но голубой цвет – самый стойкий, поэтому небосвод и кажется нам именно таким.

А вот еще один вариант ответа. Солнечные лучи кажутся нам короткими и желтыми. Воздух, который находится вокруг нас, состоит из огромного количества частичек, которые мы не видим.

Когда солнце посылает на Землю свои лучи, то до поверхности доходят не все из них. Лучи синего цвета самые коротенькие, они не успевают попасть к нам, поэтому растворяются по дороге и становятся голубыми.

Видео: Почему небо голубое

https://cosmosplanet.ru/solnechnayasistema/zemlya/pochemu-nebo-goluboe.html

https://adella.ru/family/child-develop/pochemu-nebo-goluboe.html

https://pochemu24.ru/live/pochemu-nebo-goluboe-korotkij-otvet/

https://otvetikovich.ru/pochemu-nebo-goluboe.html

Почему небо имеет голубой цвет?

Причина в загрязнении

На следующем этапе исследований Джоном Тиндаллом было высказано предположение, что роль искомых частиц играет пыль. Синий свет обладает наибольшей стойкостью к рассеиванию, а потому способен пройти сквозь все слои пыли и других взвешенных частиц. Тиндалл провел эксперимент, подтвердивший его предположение. Он создал в условиях лаборатории модель смога и осветил ее ярким белым светом. Смог приобрел голубой оттенок. Ученый сделал однозначный вывод из своего исследования: цвет неба определяется частичками пыли, то есть если бы воздух Земли был чистым, то над головами людей светились не голубые, а белые небеса.

Атмосфера

Попадая в атмосферу Земли солнечные лучи рассеиваются, как и доказал Релей. Физические законы таковы, что короткие волны рассеиваются гораздо лучше длинных. Красная часть спектра пересекает земную атмосферу практически не рассеиваясь, а синяя — рассеивается и придает небу знакомый нам цвет.

Становится понятно, почему, с точки зрения физики, небо на других планетах не голубое. Например на Титане, спутнике Сатурна, небо желто-оранжевого цвета, на Марсе — красноватое. Это зависит от толщины и плотности атмосферы и расстояния, который волнам светового излучения приходится преодолевать на пути к поверхности каждой планеты.

Если бы земная атмосфера была более широкой, мы смотрели бы на небо зеленого цвета. Более короткие волны синего и голубого цветов не достигали бы наших глаз.

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.

Длина волны(нм)	Цвет	% Удаления света
		Высоко в небе	Над горизонтом
450	Голубой	18%	99,7%
550	Зелёный	9%	94,1%
700	Красный	3%	59,9%

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!

Цвет неба в хорошую погоду

В то время как предсказать цвет моря непросто, цвет неба в хорошую погоду легко объясняется физическими принципами, выявленными английским физиком лордом (1842–1919). В отсутствие облаков цвет неба определяется результатом взаимодействия солнечного излучения с компонентами атмосферы Земли, а именно с неоднородностями (флуктуациями) плотности молекул азота и кислорода.

Как эти молекулы ведут себя, попав в поле солнечного излучения? Рассмотрим монохроматический свет, обладающий заданной длиной волны λ. Он представляет собой колеблющиеся в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения света, с частотой υ магнитное и электрическое поля. Под действием колеблющегося электрического поля электроны в молекулах также колеблются с частотой υ. В результате и сама молекула становится маленьким излучателем, испуская свет той же частоты, что и падающая волна. Это похоже на то, как излучает электромагнитные радиоволны теле- или радиоантенна. В случае молекул и солнечного света длина его волны оказывается много большей размера молекул, и такое рассеяние называется . Расчеты показывают, что интенсивность рассеянного света оказывается пропорциональной четвертой степени частоты υ4 (или 1 / λ4). Это утверждение называется законом Рэлея — Джинса.

Как все это связано с цветом неба? Согласно закону Рэлея, рассеяние электромагнитных волн оказывается значительно интенсивнее для высоких частот по сравнению с низкими. Это означает, что молекулы атмосферы сильнее рассеивают синий цвет, чем красный, зеленый или желтый.

Вот почему небо синее! Следуя этому рассуждению, можно было бы предположить, что небо должно быть фиолетовым, так как фиолетовое излучение обладает более высокой частотой, чем синее. В действительности в спектре солнечного излучения доля фиолетового меньше, чем синего. Кроме того, и максимальная чувствительность человеческого глаза находится в области зеленого (555 нм). В результате фиолетовая часть спектра солнечного излучения оказывается подавленной в восприятии человеческого глаза, и небо видится синим.

Почему закат красный?

Цвет в зависимости от длины волны

В случае, когда Солнце прячется за горизонт, мы можем наблюдать то самое длинноволновое излучение красного-оранжевого цвета. В данном случае свет от Солнца должен пройти заметно большее расстояние в атмосфере Земли, прежде чем достигнет глаз наблюдателя. В месте, где излучение Солнца начинает взаимодействовать с атмосферой, наиболее выраженными являются голубой и синий цвета. Однако, с расстоянием коротковолновое излучение теряет свою интенсивность, так как значительно рассеивается по пути. В то время как длинноволновое излучение отлично справляется с преодолением таких больших расстояний. Вот почему Солнце красное на закате.

Как было упомянуто раньше, хоть длинноволновое излучение и слабо рассеивается в воздухе, все же рассеяние имеет место быть. Поэтому находясь на горизонте, Солнце излучает свет, из которого до наблюдателя доходит лишь излучение красно-оранжевых оттенков, которое несколько успевает рассеяться в атмосфере, образуя ранее упомянутый «блуждающий» свет. Последний и окрашивает небо в пестрые оттенки красного и оранжевого цвета.

Как можно ответить маленькому ребенку?

Конечно, вышеприведенные объяснения не очень подходят для детей. Если в разговоре со школьником еще можно рассказать о понятии солнечного спектра и создать пусть упрощенную, но все-таки физическую модель, то для детей помладше нужен более простой ответ.

Проще всего в данном случае сказать, что в небе как бы отражаются синие озера и реки — точно так же, как небо отражается в них. Это объяснение вполне устроит ребенка на несколько лет — пока он не дорастет до более серьезного разговора.

Всем давно уже известно, какими любознательными являются дети. Они порой задают такие вопросы, которые вгоняют взрослых в краску. Вроде все элементарно и просто, однако, дать в ту же минуту ответ сложно многим родителям. Чтобы не попадать в такие сложные и неловкие ситуации при разговоре с ребенком, необходимо подготовиться к ним основательно.

Поэтому мы разберем те вопросы, которые наиболее часто приходится слышать из уст детей и которые заинтересовывают взрослых.

Фраза с вопросом относительно оттенка поднебесья многих родителей ставит в довольно неловкое положение. Детям интересно то, почему поднебесье именно светло-синее, не желтое, не красное, ведь космос черный? Но если мы, взрослые, затрудняемся ответить, то это значит, что мы сами толком не знаем ответа на этот вопрос, и нам никогда не приходило в голову задаваться им. И многие, не зная правильного ответа, переводят тему.

Свет, который состоит из 7 оттенков спектра, проходит, как правило, через атмосферу. Происходит столкновение солнечных фотонов с множеством молекул газа, содержавшихся в воздухе. Это приводит к такому явлению, как рассеивание. Самым интересным является момент, касающийся количества частиц, которые занимаются излучением короткой волны синего оттенка. Их становится больше в 8 раз. Выходит, что на пути к Земле оттенок солнечных лучей сменяется с белого на светло-синий. Как же объяснить все это ребенку? Но ребенок еще очень мал, что говорить с ним о фотонах солнечных лучей, которые сталкиваются с молекулами газа.

Короткий ответ в беседе для детей

Воздух, который нас окружает, имеет в своем составе крошечные и постоянно движущиеся частички — газы, пылинки, соринки, пары воды. Они так малы, что рассмотреть можно только под микроскопом, а солнечный свет — это гармония семи оттенков. Лучу, который проходит сквозь воздух, приходится сталкиваться с мелкими частичками. И это приводит к тому, что оттенки в нем разъединяются. А так как в цветовом спектре больше светло-синего цвета, то его мы только и видим. А можно просто ответить коротко, что солнечные лучи окрашивают воздух в светло-синий оттенок.

Шутливый (оригинальный) ответ

Все думают, что воздух прозрачен, но он светло-синего оттенка. До солнышка нам очень и очень далеко. Смотря на верх, нам удается рассмотреть лишь толстый воздушный слой. Он так чист, что кажется светло-синим. Также возможно и шутливо ответить, что оно светло-синее, потому что в игре, кто быстрее, всегда побеждает светло-синий оттенок.