Почему небо днем голубое. Почему небо голубое, а закат красный? Познавательные короткие мультфильмы детям о том, почему небо голубое
Бездонное голубое небо поражает своим великолепием и чистотой. Создал ли его таким Творец или оно само появилось в процессе формирования , не так уж и важно.
Главное, что в ясные солнечные дни человек видит над своей головой прекрасную голубую гладь неба, которая наполняет его сердце и душу жизненным светом. О голубизне небесного свода написано немало поэтических строк; сине-голубое небо запечатлено на тысячах любительских и профессиональных фотографий; небо вдохновляет художников на создание поистине волшебных пейзажей и, наконец, прозрачное голубое небо можно назвать символом Вечности и Любви.
Восхищаясь красотой неба, многие из нас не задумываются над тем, почему в светлое время суток небо голубого цвета. Но однажды, решив найти ответ на этот вопрос, человек может столкнуться с малопонятными объяснениями.
Если вы по своей натуре больше лирик, чем физик, то написанное в этой статье покажется вам ясным и доступным. А простое знание причины того, почему же небо голубое, не лишит вас трепетного отношения к бесконечно голубому, словно огромное море, .
Чаще всего небом называют куполообразное пространство над землей, которое состоит из смеси азота, кислорода, углекислого газа и водяных паров. Голубой цвет небо приобретает благодаря пронизывающим атмосферу солнечным лучам. Что же происходит в небе с лучами солнца, которые по своей природе многоцветны? Попадая на молекулы воздуха, солнечный свет рассеивается на них. А более мелкие составляющие воздушной массы – электроны – этот свет излучают.
По закону Рэлея рассеивание света с меньшей длиной волны происходит быстрее. А у голубого, синего и фиолетового цветового спектра, на который разлагается в процессе взаимодействия с газами солнечный луч, длина волн значительно меньше, чем у красного, желтого, оранжевого и зеленого. В итоге получается, что сине-голубой напрямую зависит от скорости рассеивания соответствующих по цвету волн.
По такому же принципу объясняется красный цвет неба на закате. С приближением ночи происходит увеличение атмосферного слоя Земли, и короткие лучи голубого, синего и фиолетового спектра рассеиваются в верхних слоях. А в той части атмосферы, которую видит человек, преобладают лучи красного спектра.
Каким бы не было небо над нашими головами, оно неразделимо связано со всеми процессами, происходящими в атмосфере Земли. Пойдет ли дождь, посыплет ли снег, небо непременно станет серым. В ненастную погоду о небе говорят, что оно хмурится или плачет. Значит, в воображении людей небо запечатлено в сине-голубых тонах.
Мечта о голубом небе в дождливые дни не покидает человека. Даже те, кто любят меланхоличное настроение, навеваемое дождем, с нетерпением ждут, когда солнечный луч покажется из-за туч и небо засияет своей манящей синевой.
Летом нет ничего прекраснее, чем лежа в мягкой душистой траве смотреть на небо. Тонуть в нем взором и не думать, почему оно такое голубое. Следить за размеренным полетом птиц и не вспоминать о том, что небо может быть по-настоящему гневным.
Пытаться увидеть в небе ангелов и не чувствовать на своей коже горячих солнечных лучей. С небом можно экспериментировать, проявлять фантазию, просто жить. И, следуя известным строкам русского поэта Бориса Пастернака
«Во всем мне хочется дойти до самой сути
В работе, в поисках пути, в сердечной смуте…»
добраться до сути неба, которая безусловно заключена в его чудесной голубизне.
Для этого не нужно становиться художником, поэтом, музыкантом – научиться ощущать небо не только над головой, но и внутри себя, можно, будучи и учителем, и таксистом, и бизнесменом. Разлагая жизнь по цветовому спектру, подобно солнечному лучу, необходимо быстро становиться участником различных событий и рассеивать при этом исключительно чистый, добрый свет, напоминающий людям о голубом небе.
В ясный солнечный день небосвод над нами имеет ярко-синий цвет. Вечером, на закате, небо обретает приятный для глаза глубокий красный цвет с многочисленными оттенками. Так почему же небо днем голубое? Что делает закат красным? Каким образом прозрачный воздух переливается синими и красными оттенками в разное время суток?
Я представлю 2 ответа здесь: первый - более упрощенный для широкого читателя, второй - более научный и точный. Выберите уж сами, какой вам по душе.
1. Почему небо голубое, а не зеленое? Ответ для чайников
Свет от Солнца или лампы выглядит белым, но на самом деле белый цвет-это смесь всех 7 существующих цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового (рис. 1). Небо (атмосфера) наполнено воздухом. Воздух представляет собой смесь з крошечных молекул газа и небольших кусочков твердого материала, такого как, например, пыль. Так как солнечный свет проходит сквозь воздух, он сталкивается с частицами воздуха. Когда луч света попадает на молекулы газа, он может "отскочить" в другом направлении (рассеиваться).
Некоторые составные цвета белого света,такие как красный и оранжевый, проходят от Солнца к нам в глаза прямо, без рассеивания. Но большинство лучей голубого цвета "отскакивает" от частиц воздуха по всем направлениям. Таким образом, все небо оказывается буквально пронизанным голубыми лучами. Когда вы смотрите вверх, часть этого голубого света достигает глаза и вы видитеотовсюду над головой голубой свет! Вот,собственно, почему небо голубое!
Естественно, все упрощено по максимуму, но ниже представлен параграф, где более фундаментально описано свойство нашего с вами любимого неба над головой и причины, которые объясняют, почему все-таки цвет неба именно голубой, а не зеленый!
2. Почему небо голубое? Ответ для продвинутых
Давайте рассмотрим более детально природу света и цвета. Цвет, как все знают, - это свойство света, которое могут воспринимать и определять наши глаза и мозг. Свет от солнца - это большое количество белых лучей, которые состоят из всех 7 цветов радуги. Свет обладает свойством дисперсии (рис. 1). Всё освещается Солнцем, но некоторые предметы отражают лучи только одного цвета, например, синего, а другие предметы - только лучи желтого и тд. Таким образом человек определяет цвета. Итак, Солнце светит на Землю своими белыми лучами, но её окутывает атмосфера (толстый слой воздуха), и когда этот белый (состоящий из всех цветов) луч проходит через атмосферу, именно воздух рассеивает (распространяет) все 7 цветных лучей белого солнечного луча, но с большей силой именно его сине-голубые лучи (проще говоря, атмосфера буквально начинает светиться голубым цветом). Другие цвета напрямик попадают от Солнца к нам в глаза (рис 2).
Почему именно голубой цвет поддается наибольшему рассеиванию в атмосфере? Это природное явление, и описывается оно физическим законом Рэлея. Если объяснять проще, то существует формула, которую вывел Рэлей в 1871 году, и которая определяет, как зависит рассеивание света (луча) от цвета этого луча (то есть от такого свойства луча, как его длина волны). И так уж получилось, что наименьшую длину волны и соответственно наибольшее рассеивание имеет именно небесно-голубой цвет.
Почему во время восхода и Заката небо красное? На закате или восходе Солнце находится низко над горизонтом, из-за чего солнечные лучи наклонно падают
ют на Землю. Длина луча, естественно, многократно увеличивается (рис. 3), и поэтому на таком огромном расстоянии почти вся коротковолновая (сине-голубая) часть спектра рассеивается в атмосфере и не доходит до поверхности Земли. Доходит до нас только длинные волны, жёлто-красные. Как раз такой цвет и приобретает небо во время восхода заката. Вот почему небо кроме голубого и синего бывает и желтым и красным!
А сейчас для полного понимания всего вышесказанного несколько слов о том, что из себя представляет атмосфера.
Что такое атмосфера (небесный свод)?
Атмосфера представляет собой смесь молекул газа и других материалов, окружающих Землю. В основном атмосфера состоит из газов азота (78%) и кислорода (21%). Газы и вода (в виде паров, капель и ледяных кристаллов) являются наиболее распространенными составными частями атмосферы. Есть также небольшое количество других газов, а также множество мелких твердых частиц, таких как пыль, сажа, пепел, соль из океанов и тд. Состав атмосферы меняется в зависимости от географического положения, от погоды и многого другого. Где-то может быть больше воды в воздухе после ливня или рядом с океаном, где-то вулканы извергают большое количество частиц пыли высоко в атмосферу.
Атмосфера более плотная в своей нижней части, рядом с Землей. Она с высотой постепенно утончается. Не существует резкого разрыва между атмосферой и пространством. Вот почему мы видим переливы голубого и синего на небе, именно потому, что атмосфера на небе везде разная, имеет различную структуру и свойства.
Когда ветер накидывает на красивое голубое небо белую пушистую прозрачную накидку, люди начинают всё чаще посматривать наверх. Если оно при этом ещё и надевает на себя большую серую шубу с серебряными нитями дождя, то окружающие прячутся от него под зонтами. Если наряд тёмно-фиолетового цвета, то все сидят дома и желают увидеть солнечное голубое небо.
И только когда появляется такое долгожданное солнечное голубое небо, которое одевает на себя ослепительно голубое платье, украшенное золотистыми солнечными лучами, люди радуются – и улыбаясь, покидают дома в ожидании хорошей погоды.
Вопрос о том, почему небо голубое, волновал людские умы ещё с незапамятных времён. Греческие легенды нашли свой ответ. Они утверждали, что этот оттенок ему придаёт чистейший горный хрусталь.
Во времена Леонардо да Винчи и Гете также искали ответ на вопрос, почему небо голубое. Они считали, что голубой цвет неба получается при смешивании света с темнотой. Но позже эта теория была опровергнута как несостоятельная, поскольку оказалось, что комбинируя эти цвета, можно получить лишь тона серого спектра, но никак не цветного.
Через некоторое время ответ на вопрос, почему небо голубое, попытались объяснить в 18 веке Мариотт, Бугер и Эйлер. Они считали, что это естественный цвет частиц, из которых состоит воздух. Теория эта была популярна даже в начале следующего века, особенно когда было установлено, что жидкий кислород – голубого, а жидкий озон – синего тонов.
Первым более-менее толковую идею подал Соссюр, который предположил, чтобы если бы воздух был полностью чистым, без примесей, небо оказалось бы чёрным. Но поскольку атмосфера содержит в себе различные элементы (например, пар или водяные капли), то они, отражая цвет, придают небу нужный оттенок.
После этого учёные начали всё ближе и ближе подбираться к истине. Араго открыл поляризацию, одну из характеристик рассеянного света, который отбивается от небосвода. В этом открытии ученому однозначно помогла физика. Позже искать ответ принялись и другие исследователи. При этом вопрос, почему небо голубое настолько интересовал ученых, что для его выяснения было проведено огромное количество различных экспериментов, которые привели к мысли, что главная причина появления голубого цвета в том, что лучи нашего Солнца попросту рассеиваются в атмосфере.
Объяснение
Первым, кто создал математически обоснованный ответ молекулярного рассеяния света, оказался британский исследователь Рэлей. Он выдвинул предположение, что свет рассеивается не из-за примесей, которыми обладает атмосфера, а из-за самих молекул воздуха. Его теория получила развитие – и вот к каким выводам пришли учёные.
Солнечные лучи пробиваются на Землю через её атмосферу (толстый слой воздуха), так называемую воздушную оболочку планеты. Темное небо полностью наполнено воздухом, который несмотря на то, что полностью прозрачен, пустотой не является, а состоит из молекул газа – азота (78%) и кислорода (21%), а также водяных капель, пара, ледяных кристаллов и небольших кусочков твёрдого материала (например, частичек пыли, сажи, пепла, океанской соли и т.п.).
Некоторым лучам удаётся свободно пройти между газовыми молекулами, полностью минуя их, а потому без изменений достигнуть поверхности нашей планеты, но большинство лучей сталкиваются с газовыми молекулами, которые приходят в возбуждённое состояние, получают энергию и выпускают в различные стороны разноцветные лучи, полностью окрашивая небо, в результате чего мы видим солнечное голубое небо.
Белый свет сам по себе состоит из всех цветов радуги, которую нередко можно увидеть, когда он раскладывается на составные части. Так получилось, что молекулы воздуха больше всего рассеивают синий и фиолетовый цвета, поскольку они являются наиболее короткой частью спектра, поскольку имеют наименьшую длину волны.
При смешивании в атмосфере синего и фиолетового цветов с небольшим количеством красного, жёлтого и зелёного, небо начинает «светиться» голубым цветом.
Поскольку атмосфера нашей планеты не однородна, а довольно разная (возле поверхности Земли более плотная, чем наверху), она имеет разную структуру и свойства, мы можем наблюдать переливы голубого цвета. Перед закатом или восходом, когда длина солнечных лучей значительно увеличивается, синие и фиолетовые цвета рассеиваются в атмосфере и до поверхности нашей планеты абсолютно не доходят. Успешно добираются жёлто-красные волны, которые мы и наблюдаем на небосводе в этот период времени.
В ночное время, когда солнечные лучи, попадая на определённую сторону планеты не имеют никакой возможности, атмосфера там становится прозрачной, и мы видим «чёрный» космос. Именно таким его видят астронавты, находящиеся над атмосферой. Стоит заметить, что космонавтам повезло, ведь, когда они находятся свыше 15 км над поверхностью земли, днём они могут одновременно наблюдать за Солнцем и звёздами.
Окрас неба на других планетах
Поскольку цвет неба во многом зависит от атмосферы, нет ничего удивительного в том, что на разных планетах оно различного цвета. Интересно, что такого же цвета, как на нашей планете, атмосфера у Сатурна.
Очень красивого аквамаринового цвета небеса Урана. Атмосфера на нём состоит в основном из гелия и водорода. В ней также присутствует метан, который полностью поглощает красный и рассеивает зелёный и голубой цвета. Синего цвета небеса Нептуна: в атмосфере этой планеты нет столько гелия и водорода, как у нашей, но много метана, который нейтрализует красный свет.
Атмосфера на Луне, спутнике Земли, а также на Меркурии и Плутоне полностью отсутствует, следовательно, световые лучи не отражаются, поэтому небесный свод здесь чёрный, а звёзды легко различимы. Синие и зелёные цвета солнечных лучей полностью поглощаются атмосферой Венеры, и когда Солнце возле горизонта, небеса здесь жёлтые.
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.
Несмотря на научный прогресс и свободный доступ ко множеству источников информации, редкий человек может правильно ответить на вопрос, почему небо голубое.
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.
Почему тогда закат красный?
Однако, небо голубое не всегда. Закономерно возникает вопрос: если мы видим в течение всего дня синее небо, почему закат красный? Выше мы выяснили, что красный цвет меньше всего рассеивается молекулами газа. Во время заката Солнце приближается к горизонту и солнечный луч направлен к поверхности Земли не вертикально, как днем, а под углом.
Поэтому путь, который он проходит через атмосферу, намного больше того, что он проходит днем, когда Солнце стоит высоко. Из-за этого сине-голубой спектр поглощается в толстом слое атмосферы, не доходя до Земли. А более длинные световые волны красно-жёлтого спектра доходят до поверхности Земли, окрашивая небо и облака в характерные для заката красный и жёлтый цвета.
Почему облака белые?
Затронем и тему облаков. Почему на голубом небе белые облака? Для начала вспомним, как они образуются. Влажный воздух, содержащий невидимый пар, нагреваясь у поверхности земли, поднимается и расширяется в силу того, что вверху давление воздуха меньше. Расширяясь, воздух охлаждается. При достижении определенной температуры водяной пар конденсируется вокруг атмосферной пыли и других взвешенных твердых частиц, и в результате образуются крохотные капли воды, слияние которых формирует облако.
Несмотря на свой сравнительно малый размер, частицы воды намного больше молекул газа. И если, встречая молекулы воздуха, солнечные лучи рассеиваются, то при встрече с каплями воды свет отражается от них. При этом изначально белый солнечный луч своего цвета не меняет и одновременно «окрашивает» в белый цвет молекулы облаков.
