Цвет неба и закатов

Цвет неба является результатом взаимодействия солнечного излучения с молекулами воздуха и аэрозольными частицами атмосферы. Белый солнечный свет, представляющий собой суперпозицию электромагнитных волн различной длины, при попадании в атмосферу рассеивается. Так как молекулы воздуха имеют размеры, значительно меньшие длины волны видимого света, основным механизмом рассеяния в чистой атмосфере является рассеяние Рэлея.

Интенсивность рассеяния Рэлея обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Это означает, что коротковолновая часть спектра (фиолетовый и синий свет) рассеивается значительно сильнее, чем длинноволновая (красный и оранжевый свет). В результате при дневном освещении наблюдатель видит небо преимущественно голубым.

Спектральные особенности

• Фиолетовый свет рассеивается сильнее всех, однако человеческий глаз менее чувствителен к нему и дополнительно фиолетовый луч частично поглощается озоновым слоем.
• Синий и голубой свет доминируют в восприятии, формируя привычный цвет неба.
• Длинноволновая часть спектра (желтый, оранжевый, красный) преимущественно проходит сквозь атмосферу без значительного отклонения, определяя окраску Солнца, особенно вблизи горизонта.

Таким образом, баланс между рассеянием коротких волн и прямым прохождением длинных определяет визуальную картину небосвода.

Влияние угла наблюдения

Цвет неба зависит от высоты Солнца над горизонтом.

• При высоком положении Солнца путь лучей в атмосфере относительно короткий, и большая часть голубого рассеянного света достигает наблюдателя.
• При низком положении Солнца (утро и вечер) свет проходит через значительно больший слой атмосферы. В этом случае коротковолновые компоненты рассеиваются почти полностью, и до наблюдателя доходят преимущественно красные и оранжевые лучи.

Этим объясняется красно-оранжевая окраска зари и заката.

Роль аэрозолей и загрязнений

Кроме молекул воздуха в атмосфере присутствуют пылевые частицы, капли воды, дым и продукты антропогенной деятельности. Их размеры сопоставимы или больше длины волны видимого света, поэтому становится значимым рассеяние Ми.

Особенности рассеяния Ми:

• не имеет сильной зависимости от длины волны,
• даёт более «молочный» или белёсый оттенок неба,
• при высокой концентрации аэрозолей снижает яркость голубого цвета и делает закаты более интенсивными.

Пыль после вулканических извержений или промышленные загрязнения могут усиливать красные и пурпурные оттенки закатов, создавая особенно яркие картины.

Оптическая толщина атмосферы

Физически цвет неба и закатов определяется также оптической толщиной атмосферы, которая зависит от концентрации частиц, влажности и высоты наблюдателя.

• При малой оптической толщине (чистый воздух, высокогорье) небо имеет насыщенный глубокий синий цвет, а закаты относительно менее выражены.
• При большой оптической толщине (дым, смог, пылевые бури) преобладают красно-оранжевые оттенки.

Поляризация света

Рассеянный свет в атмосфере частично поляризован. Максимальная степень поляризации наблюдается под углом 90° к направлению на Солнце. Это свойство используется в оптических приборах и навигации животных, таких как пчёлы. Наличие поляризационной картины неба является прямым следствием волновой природы света и процесса упругого рассеяния.

Атмосферные явления, влияющие на окраску

1. Тонкие облака и перистые слои могут усиливать красные оттенки заката за счёт отражения и многократного рассеяния.
2. Влажность воздуха увеличивает интенсивность рассеяния Ми и «размывает» голубой оттенок.
3. Высота Солнца определяет доминирующую длину волны в наблюдаемом спектре.
4. Солнечная активность и озоновый слой могут менять прозрачность атмосферы для ультрафиолетового и фиолетового света.

Контраст дневного и ночного неба

После захода Солнца небо сохраняет остаточную окраску из-за многократного рассеяния в верхних слоях атмосферы — так называемый вечерний и утренний сумеречный клин. При этом длинноволновая часть спектра преобладает, и горизонт окрашивается в красные и фиолетовые оттенки.

При полной темноте небо кажется чёрным, что отражает отсутствие рассеянного солнечного излучения и подчёркивает контраст с дневной картиной.