Почему небо голубое потому что. Почему небо синее — объяснение для детей

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.

Оказывается очень не многие знают ответ на этот, казалось бы «всегда висящий в воздухе вопрос». Часто об этом спрашивают дети, но взрослые не готовы дать объяснение. Многие считают, что этот вопрос из серии тех, на которые мы вообще ответить не можем, типа «где конец вселенной». Есть люди, которые считают, что это цвет смеси азота и кислорода, когда этих газов много и они подсвечены Солнцем. Есть те, которые связывают цвет неба с преломлением света в слоях атмосферы. Те, которые были в школе отличниками, скажут, что, мол, воздух рассеивает синий цвет интенсивнее, чем все другие цвета спектра по закону Релея, часто не понимая суть этого рассеяния. Кстати, вопрос о цвете неба был решен физиками только в двадцатом веке. Поэтому нам не должно быть особенно стыдно.

И хотя этот вопрос напрямую с температурой не связан, давайте попробуем разобраться. Очень глубоко в физику копать не будем, но основные положения о свете и о воздухе напомним.

Солнечный свет - это смесь излучений всех цветов радуги, т.е. электромагнитных волн с частотами колебаний такими, которые могут воздействовать на сетчатку глаза человека. Фиолетовый цвет соответствует длине волны излучения 380 нм, красный - 720 нм. В сетчатке есть колбочки, отвечающие за восприятие цвета. Колбочки трех типов: синие (ответственные за диапазон высоких частот), зеленые (отвечают за средние частоты) и красные (для низких частот). Диапазоны чувствительности колбочек перекрываются, но максимум приходится на определенный цвет.

Молекулы воздуха в нормальном состоянии не имеют заряда, они нейтральны. Однако они состоят из заряженных частиц - электронов и ядер. Под влиянием электрического поля ядра сдвигаются в одном направлении, электроны - в другом, и получается диполь с собственным электромагнитным полем. Если диполь попадает в переменное электромагнитное поле, то он начинает осциллировать, т.е положительный и отрицательный заряды смещаются взад-вперед и диполь сам начинает излучать электромагнитную волну. В нашем случае электромагнитная волна солнечного света заставляет молекулы воздуха превращаться в излучающие электромагнитные волны диполи. Причем направления изучения диполей могут быть всевозможными. По закону сохранения энергии световая волна теряет интенсивность в первоначальном направлении. Это и есть основной механизм рассеяния света в воздухе. Вернее говорить даже не о рассеянии, а о свечении молекул воздуха под действием света. Мы смотрим через атмосферу и фактически видим свет от солнца и свет, испускаемый молекулами нашей атмосферы. Почему же он не белый, а синий?

Дело в том, что интенсивность излучения диполя пропорциональна четвертой степени частоты излучения. Наиболее интенсивно излучаются диполями волны с максимальной частотой и энергией, соответствующие синему свету. Меньше взаимодействуют с молекулами воздуха волны красного света. Т.е. при прохождении через атмосферу происходит как бы фильтрация белого цвета по спектру. Молекулы воздуха излучают в основном синий цвет, т.е свет, который возбуждает синие и зеленые колбочки сетчатки гораздо сильнее, чем красные колбочки.

Первым сделал шаг к правильному объяснению цвета неба Джон Тиндал в 1865 г. Он открыл, что при прохождении лучей света через среду, в которой во взвешенном состоянии находятся маленькие частички примесей, синий цвет рассеивается интенсивнее, чем красный. В результате мы видим окрашивание прошедшего света в голубой оттенок. Это можно наблюдать если смотреть сбоку на луч света, проходящий через воду, слегка затуманенную молоком. Если смотреть не сбоку, а по направлению луча, то свет приобретает красноватый оттенок, т.к. синяя составляющая рассеялась.

Несколько лет спустя британский ученый лорд Релей изучил этот эффект более детально. Он показал, что интенсивность рассеяния света на частицах очень малых размеров обратно пропорциональна четвертой степени длины волны излучения. Из этого следовало, что синий свет рассеивается в 10 раз интенсивнее красного.

Тиндал и Релей думали, что синева неба объясняется наличием в атмосфере мелких частиц пыли и водяного пара. Позже ученые осознали, что если бы это было действительно так, то мы наблюдали бы значительно больше вариаций цвета неба при изменении влажности, туманности и загрязненности воздуха, чем наблюдаем сейчас. Проблема была решена Эйнштейном, который в 1911 г. вывел формулу, описывающую рассеяние света молекулами. Формула подтверждала все предыдущие эксперименты. Было доказано, что не пыль и пар, а именно молекулы воздуха рассеивают свет, так как (как говорилось выше) электромагнитное поле света инициирует электрические дипольные моменты в молекулах.

Почему же небо не фиолетовое, а голубое? Ведь фиолетовые волны короче синих. Первая причина в том, что спектр солнечного излучения не равномерный. Фиолетового цвета там меньше. Кроме того, фиолетовые лучи рассеиваются еще в самых верхних слоях атмосферы. Вторая причина - чувствительность наших колбочек к фиолетовому цвету ниже, чем к синему. Третья причина в том, что синий цвет раздражает не только синие колбочки в сетчатке, но и чуть-чуть красные и зеленые. Поэтому цвет у неба не бледный, а насыщенный голубой, особенно когда воздух прозрачный.

Рассеянием света на молекулах воздуха объясняется и цвет заката. Пройдя от Солнца по касательной к Земле длинный путь, луч теряет все синие оттенки. До глаза доходят только желтые и красные тона. Около моря закат может быть даже оранжевым, благодаря частичкам соли в воздухе, которые ответственны за рассеяние Тиндала.

Заметьте, что от состава атмосферы, т.е. наличия азота и кислорода, цвет неба практически не зависит. Если у планеты прозрачная атмосфера достаточной толщины и плотности, освещенная светилом, спектр которого белый, как у Солнца, то небо там будет синим.

Как же тогда объяснить, что снимки с космических аппаратов, совершивших посадку на Марс, говорят о том, что небо там розовое и красное? Это потому, что атмосфера Марса очень тонкая и загрязненная пылью. Рассеяние солнечного света происходит не на молекулах, а преимущественно на взвешенных примесях пыли. Многие частички пыли больше, чем длины волн света и состоят из оксида железа, который имеет красный цвет.

Теперь Вы знаете, что ответить на вопрос «почему небо голубое» не очень просто. Мы-то понимаем, а что сказать детям? Наверное, что наша прекрасная атмосфера состоит из воздуха, который светится синим светом когда Солнышко его греет. Потому что синий цвет - самый сильный из всех цветов радуги.

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?

Цвет солнечных лучей

Настоящий цвет солнечных лучей – белый. 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.

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.

Связь цвета и длины волны

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.

Почему небо голубое – ответ

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 небо голубое – интересное видео

Что изменяется к вечеру?

Ближе к закату Солнце устремляется к горизонту, чем ниже оно опускается, тем стремительнее приближается вечер. В такие моменты слой атмосферы, который отделяет изначальный солнечный свет от земной поверхности, начинает резко увеличиваться из-за угла наклона. В какой-то момент уплотняющийся слой перестает пропускать другие световые волны кроме красных, и в этот момент небо окрашивается именно в этот цвет. Синий уже не присутствует, он поглощается в процессе прохождения через слои атмосферы.

Интересный факт: при закате Солнце и небо проходят через целую гамму оттенков – по мере того, как те или другие из них перестают проходить через атмосферу. То же самое можно наблюдать и на момент восхода Солнца, причины обоих явлений одинаковы.

Что происходит при восходе Солнца?

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.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Белый солнечный свет состоит из семи цветов радуги и идет к нам волнами. Воздух рассеивает эти волны. Хуже всего он рассеивает длинные, а лучше всего — короткие волны. Голубая световая волна — короткая, поэтому мы видим небо голубым.

Развернутый ответ с точки зрения физики

Солнечные лучи идут к нашей планете сквозь толстый слой атмосферы, которая сама по себе прозрачна, но вовсе не пуста: она состоит из 78% азота и 21% кислорода, к тому же включает в себя пар, капельки воды, мельчайшие кристаллики льда и твердые частицы земной пыли и морской соли, сажи и пепла. Пробиваясь сквозь неоднородные слои атмосферы, лучи Солнца рассеиваются — происходит дифракция, то есть расщепление света на составляющие.

Белый свет состоит из семи цветов спектра — красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового — и распространяется волнами. Каждый из цветов имеет свою длину волны.

Голубой, синий, фиолетовый цвета — из коротковолновой части спектра, поэтому очень сильно рассеиваются в атмосфере. Нашему глазу смесь этих цветов видится как голубая. На восходе и закате лучи солнца становятся длиннее и идут к земле под более острым углом — и мы наблюдаем, как голубизна на время совершенно рассеивается: ее сменяют красные и желтые тона из длинноволновой части спектра.

Переливы голубого цвета, которые иногда можно наблюдать в небе, объясняются неоднородностью состава атмосферы — проходя сквозь нее, даже голубые световые волны рассеиваются не одинаково.

Физический закон рассеяния света называется законом Рэлея в честь открывшего его английского физика и гласит, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны. Формула выглядит так: I ~ 1/λ4

Для дизайнера и программиста: цвет голубого неба

Интересно то, что для каждого дизайнера и программиста цвет голубого неба будет обозначаться по-разному — в зависимости от личного восприятия, потому что голубой — собирательное название целой группы светлых оттенков синего — а иногда даже с малозаметным смещением в сторону зеленого. У каждого из этих оттенков свои цветовые координаты.

Самый близкий к спектральному голубому — это оттенок 130 в цветовой системе Windows, обозначаемый 00BFFF.

Интересно, что в системе CMYK голубым могут называть один из основных системных цветов — циан, хотя в нем присутствует оттенок зеленого. По-русски цвету циан лучше всего соответствует определение «цвет морской волны». Но ведь и море часто зовут голубым.

Песня «Под небом голубым есть город золотой»

Известнейшая песня, которую исполняли Борис Гребенщиков и его группа «Аквариум » под названием «Город », не принадлежит ни БГ, ни группе. Да и называлась в оригинале «Рай ». Автор текста — поэт-эмигрант Анри Волохонский — сочинил эти стихи в 1972 году, услышав на пластинке струнную мелодию в исполнении В.Вавилова. На конверте диска мелодию беззастенчиво приписали Франческо да Милано, у которого такого произведения нет. Следы автора оригинальной мелодии теперь утеряны, а разные исполнители по-разному интерпретировали ее.

Да и текст Волохонского мы слышим в версии Гребенщикова. Как всем известно, БГ поет: «Под небом голубым…» В оригинале — «Над ». Поэта вдохновляла книга пророка Иезекииля, а город над небом — конечно, небесный Иерусалим, «Земного я тогда еще не видел», — говорил Волохонский.

Аквариум — «Под небом голубым»

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.