Почему небо голубое?
Наверно, каждый хотя бы раз в жизни сталкивался с этим простым вопросом: почему чистое, безоблачное небо голубое или синее? Очевидно, из-за воздуха, которым мы дышим, из-за атмосферы Земли! Вероятно, воздух у нас «синего цвета» или что-то вроде этого. Он только кажется прозрачным, а на больших расстояниях самолеты, горы, корабли как бы находятся в голубоватой дымке… Такие рассуждения не снимают главный вопрос: почему небо голубое? Не раскрашен же воздух синей краской!
Так как воздух рассеивает синий цвет, небо кажется голубым, а само Солнце — желтым. Больше того, на закате, когда солнечный свет проходит через бо́льшую толщу атмосферы, мы видим красное Солнце и зарю, окрашенную в желто-красные цвета. Все это возможно только потому, что синий свет рассеивается атмосферой по пути к нам.
Но откуда вообще взялся синий свет? Начнем с того, что белый свет от Солнца — это смесь всех цветов радуги, от фиолетового до красного. Стоп, скажете вы, свет Солнца белый? Да, свет, идущий от Солнца, практический белый. Второй момент: мы сейчас говорим о свете, а не о цвете. Если смешать краски разных цветов, то мы, конечно, получим нечто почти черное.
Цвет света — это не цвет какого-либо предмета. Если смешать красный, желтый, оранжевый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый свет примерно в равном количестве, мы получим белый свет. Первым продемонстрировал это Исаак Ньютон, использовав призму для разделения разных цветов и формирования спектра.
Ученые выяснили, что разноцветный свет это всего лишь свет разных длин волн. Видимая часть спектра варьируется от красного света с длиной волны около 720 нм до фиолетового с длиной волны около 380 нм, между которыми расположены оранжевый, желтый, зеленый, голубой и синий цвета. Три различных типа цветовых рецепторов в сетчатке человеческого глаза наиболее сильно реагируют на красные, зеленые и синие длины волн, в сумме давая нам все разнообразие красок.
Да, так что там говорит физика о том, почему небо голубое?
Эффект Тиндаля
Первые шаги к правильному объяснению цвета неба сделал Джон Тиндаль в 1859 году. Он обнаружил любопытный эффект: если пропустить свет через прозрачную жидкость, в которой взвешены мелкие частички, то голубой свет будет рассеиваться этими частичками сильнее, чем красный свет.
Это можно легко продемонстрировать. Возьмите стакан с водой и размешайте в нем несколько капель молока, немного муки или мыла, так чтобы вода в стакане стала мутной. Затем пропустите через стакан свет фонарика. Вы увидите, что свет внутри стакана стал голубоватым. Вернее, голубоватым стал тот свет, который попал вам в глаза из стакана, то есть был отклонен и рассеян в растворе!
Но самое интересное, что свет на выходе из стакана, потеряв часть своей синей составляющей, будет уже не белым, а желтоватым! Если взять достаточно широкую емкость, то свет, многократно рассеявшись в дороге, окончательно потеряет синюю составляющую и выйдет из емкости уже не желтым, а красным.
Эффект Тиндаля касается рассеяния света в мутных жидкостях. Частички в такой жидкости должны иметь особую структуру поверхности — бороздки, решетки, поры, углы, размер которых сопоставим с длиной световой волны.
Благодаря эффекту Тиндаля существуют красивые голубые рачки сапфириниды. Эти крохотные, будто светящиеся изнутри, животные иногда становятся совершенно невидимыми для наблюдателя (рассеяние света уходит в ультрафиолетовую область)…
Эффект Тиндаля несет ответственность и за голубые глаза у людей!
Да-да, голубые глаза создает вовсе не голубой пигмент — его там попросту нет — но меланин, который рассеивает свет соответствующим образом!
Несколько лет спустя эффект Тиндаля был подробно изучен лордом Рэлеем. С тех пор рассеяние света на очень маленьких частицах стало называться рэлеевским рассеянием. Рэлей показал, что количество рассеянного света обратно пропорционально четвертой степени длины волны для достаточно мелких частиц. Отсюда следует, что синий свет на таких частицах рассеивается больше, чем красный, примерно в 10 раз: (700 нм/400 нм) 4 = 10
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!
Почему небо голубое, а не фиолетовое?
Кстати, если синий свет рассеивается в 10 раз больше, чем красный, то еще более короткие фиолетовые волны должны рассеиваться больше, чем синие! Возникает вопрос: почему небо не выглядит фиолетовым?
Во-первых, спектр излучения света от солнца не является одинаковым на всех длинах волн — максимум энергии в спектре Солнца приходится на зеленый свет. Во-вторых, коротковолновый фиолетовый свет активно поглощается в верхних слоях атмосферы (как и ультрафиолет!), поэтому в до поверхности Земли доходит меньше фиолетового, чем синего.
Наконец, третья причина — наши глаза менее чувствительны к фиолетовому свету, чем к синему.
Кривые чувствительности для трех типов колбочек в человеческом глазу.
У нас есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек, в сетчатке глаз. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они наиболее сильно реагируют на свет именно на этих длинах волн. Но на самом деле, они способны улавливать и свет других длин волн, перекрывая весь спектр.
Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света, но также — менее сильно — на оранжевые и желтые длины волн. Зеленые колбочки реагируют на жёлтые и более сильно рассеянные зелёные и зелено-синие волны. Наконец, синие колбочки стимулируются цветами синих длин волн, которые очень сильно рассеиваются. Если бы в спектре не было синего и фиолетового, небо казалось бы голубым с легким зеленоватым оттенком. Но наиболее сильно рассеивающиеся волны синего и фиолетового цветов слегка стимулируют и красные колбочки, поэтому эти цвета кажутся синими с добавленным красным оттенком. Общий эффект заключается в том, что когда мы смотрим на небо, красные и зеленые колбочки стимулируются примерно одинаково, а синие стимулируются сильнее. Эта комбинация в итоге и образует голубое или синее небо.
Прекрасные закаты
Что может быть красивее тихих закатов на берегу моря или в степи? Когда воздух чистый и прозрачный, закат будет желтого цвета, точно как луч фонарика, пересекший стакан с раствором мыла: часть синего света рассеется и общий цвет Солнца сместится к красному концу спектра.
Закаты Солнца могут быть чрезвычайно разнообразными по цветовой гамме в зависимости от состояния атмосферы. Фото: Alex Derr
Другое дело, если воздух загрязнен мелкими частицами — гарью, пылью, смогом. В этом случае закат будет оранжевым и даже красным. Закаты над морем также могут быть оранжевыми из-за частиц соли, взвешенных в воздухе, которые могут создавать эффект Тиндаля. Небо вокруг солнца видно покрасневшим, а также свет, идущий прямо от солнца. Это связано с тем, что весь свет рассеивается относительно хорошо под небольшими углами, но тогда синий свет с большей вероятностью будет рассеиваться дважды и более на больших расстояниях, оставляя желтый, красный и оранжевый цвета.
Облака, голубая Луна и голубая дымка
Облака и пылевая дымка кажутся белыми, потому что они состоят из частиц, больших длин волн света. Такие частицы будут одинаково рассеивать все длины волн (рассеяния Ми).
Но иногда в воздухе могут быть частицы гораздо меньших размеров. Некоторые горные районы славятся своей голубой дымкой. Аэрозоли терпенов из растительности вступают в реакцию с озоном в атмосфере, образуя мелкие частицы диаметром около 200 нм, которые отлично рассеивают синий свет.
Голубая дымка над заливом Котор в Черногории. Фото: Rocher/Flickr.com
Лесной пожар или извержение вулкана могут иногда заполнять атмосферу мелкими частицами диаметром 500–800 нм, что является подходящим размером для рассеивания красного света. Это дает противоположность обычному эффекту Тиндаля и может привести к тому, что Луна приобретет синий оттенок, так как красный свет от Луны рассеян этими частицами. Настоящая голубая Луна — очень редкое явление!
Почему небо Марса красное?
Вот мы добрались и до Марса, небо на котором, судя по снимкам марсоходов и автоматических спускаемых аппаратов, то рыжее, то песочно-желтое, то серовато-голубое… Какое оно на самом деле?
Согласно физике, марсианское небо должно быть голубым. Оно и есть голубое, но только когда атмосфера на Красной планете спокойна. Однако на Марсе, как известно, часто дуют ветра. Несмотря на то что атмосфера планеты крайне разрежена, ветра способны поднимать миллионы тонн песка и пыли устраивать настоящие песчаные бури. Некоторые бури способны скрыть почти всю поверхность Марса!
После таких бурь в воздухе еще долго остаются взвешенными частички богатой железом пыли. Цвет этой пыли красный (это ржавчина), соответственно и небо на Марсе окрашивается в желтовато-оранжевый цвет.
Отражательные туманности
Наконец, заглянем далеко в космос, туда, где сейчас рождаются звезды.
Комплекс туманностей ро Змееносца. Фото: Jim Misti/Steve Mazlin/Robert Gendler
Вот целый комплекс из космических газопылевых облаков, расположенный на границе созвездий Змееносца и Скорпиона. Обратите внимание: часть облаков ярко светится красноватым свечением, другая часть, наоборот, поглощает свет и напоминает черные провалы. Наконец, третья часть имеет голубоватый цвет.
Все три типа облаков состоят в основном из водорода с небольшой примесью пыли и молекул. Почему же они выглядят по-разному? Все дело в их температуре. Нагретые светом погруженных в них звезд, облака начинают сами светиться. Красное свечение — излучение водорода. Очень холодные облака, наоборот, поглощают свет и потому непрозрачны для нас. Наконец, холодные, но расположенные недалеко от ярких звезд облака выглядят голубоватыми. Они отражают свет звезд, рассеивая его так же, как и атмосфера Земли!
Источник
Что можно увидеть на небе
Что можно увидеть на небе, кроме Солнца, звезд и облаков? Примерно такой вопрос нередко задают люди, сталкиваясь с любителями астрономии, увлеченно что-то рассматривающими на небе.
На самом деле этот вопрос можно разделить на два.
Что можно увидеть на небе ночью, и что видно на дневном небе. Давайте посмотрим вместе!
Что можно увидеть в ночном небе?
Звезды
Прежде всего ясной ночью на небе видны звезды. К сожалению, в городах небо сильно засвечено уличным освещением, и потому наблюдать можно только самые яркие звезды. Если вы хотите увидеть звездное небо таким, каким его видели наши бабушки и дедушки, нужно выбраться хотя бы за 10-20 км от города. Если ночь прозрачная, вы сможете наблюдать две или три тысячи звезд.
У звезд есть интересная особенность — их взаимное расположение на небе остается неизменным на протяжении сотен и тысяч лет. Это позволило людям еще в глубокой древности объединить звезды в группы и рисунки для удобства ориентирования на небе. Такие группы называются созвездиями. За тысячи лет существования созвездия практически не поменяли своих очертаний.
Вы сможете быстро запомнить все основные созвездия на нашем небе, если захотите. Их не так много — всего 15-20 созвездий. Что это даст? Всегда приятно знать, на что ты смотришь. Заодно вы научитесь ориентироваться на небе и даже на местности.
Панорамное фото озера Лаго дел Валле в Испании, над которым раскинулась арка Млечного Пути. На снимке запечатлены тысячи звезд и яркий метеор, пролетевший вдоль Млечного Пути. Такие подробности проявились благодаря очень темному небу горной Испании. Фото: Daniel Lois
Так или иначе, а что-то еще можно посмотреть на небе ночью, кроме звезд?
В городе также можно увидеть Луну и самые яркие планеты — Венеру, Юпитер, Сатурн, Марс и Меркурий.
Луна видна не всегда, так как довольно быстро перемещается по небу с запада на восток. Первую неделю после появления она видна по вечерам, следующие 2 недели наблюдается по ночам, а последнюю неделю — на утреннем небе.
По мере движения Луна меняет фазы освещенности: по вечерам она наблюдается как серп, обращенный «рогами» от Солнца — совсем как буква Э без центральной черточки. К концу первой недели освещенной становится ровно половина диска Луны. Через две недели наступает полнолуние — весь диск Луны полностью освещен. Затем процесс повторяется в обратную сторону. Когда Луна оказывается на утреннем небе, она снова похожа на серп, но ее «рога» смотрят уже на запад и напоминают букву С. После этого Луна примерно на сутки совсем исчезает с неба — такой момент называется новолунием — и цикл повторяется.
Иногда вокруг Луны можно наблюдать любопытный оптический феномен — лунное гало.
Типичное гало выглядит как туманное светящееся кольцо вокруг полной Луны. Гало бывают разного диаметра и типов, они вызваны отражением лунного света ледяными кристаллами в перистых облаках на высоте около 10 км. Некоторые гало бывают очень красивы.
Необычное лунное гало. Фото: Михаил Капычка/Википедия
Лунные затмения
Два или три раза в год во время полнолуний происходят лунные затмения. В это время когда наш спутник попадает в тень Земли и на несколько часов становится темной и коричнево-красной. Лунные затмения — красивые и необычные явления, которые можно наблюдать ото всюду, где в данный момент Луна находится на небе, а не под горизонтом.
Полное лунное затмение 15 апреля 2014 года. Фото: Fred Espenak
Планеты
Планеты с виду похожи на яркие звезды, но они, как и Луна, перемещаются на фоне созвездий. Поэтому, чтобы отыскать планеты на небе, надо знать, когда и куда смотреть. Нередко одна или несколько планет скрываются на небе возле Солнца и потому не видны. Но практически всегда либо на вечернем, либо на утреннем небе можно найти хотя бы одну планету.
Что нужно знать по-поводу планет? Самые яркие планеты — Венера и Юпитер — намного ярче звезд. Марс вблизи противостояний тоже очень и очень ярок. Сатурн сравним по блеску с яркими звездами.
Венера, Юпитер и Сатурн в отличие от звезд, светят ровным и спокойным светом, не мерцая. То же касается и Марса большую часть времени. При этом Венера даже на фоне Юпитера выделяется своей яркостью.
Кстати, возможно вам будет интересно узнать 10 ярчайших объектов, которые можно увидеть на небе. Венера и Юпитер входят в их число!
Луна и Венера над чилийскими Андами. Фото: ESO/Y. Beletsky
Метеоры и метеорные потоки
Гравюра Адольфа Воллми (1889), на которой изображен метеорный дождь потока Леониды 1833 года. Во время дождя за один час наблюдений можно было насчитать свыше 200 тысяч метеоров! Источник: EarthSky
Кроме звезд, Луны и планет в городе можно иногда наблюдать яркие метеоры — резкие и неожиданные световые линии на небе, выглядящие так, будто с неба сорвалась звезда. В народе метеоры так и называют — «падающие звезды». На самом деле метеоры — это мелкие пылинки, льдинки и камешки размером с песчинку, на громадной скорости сталкивающиеся с Землей и сгорающие от трения с воздухом на большой высоте.
Чаще всего метеоры наблюдаются в августе, в декабре и в начале января, когда бывают максимумы активности метеорных потоков Персеиды, Геминиды и Квадрантиды. На пике эти потоки дают до 100 метеоров в час.
Иногда на небе бывают настоящие метеорные дожди, когда число метеоров превышает тысячи и десятки тысяч в час! Но такие явления случаются далеко не каждый год.
Другие объекты
Если вы живете на широте Москвы, Минска и севернее, то зимой, если повезет, можете стать свидетелем полярного сияния (чем севернее вы находитесь, тем выше вероятность), а летом, во время коротких ночей — наблюдать серебристые облака.
В отличие от обычных облаков, серебристые облака плавают за пределами плотных слоев атмосферы, на высоте около 80 — 100 км, где Солнце еще не зашло за горизонт. В результате на сумеречном небе они ярко светятся, отражая свет Солнца.
Даже на городском небе можно наблюдать быстро перемещающиеся на фоне звезд точки. Это искусственные спутники Земли. Некоторые спутники бывают очень яркие, например, Международная космическая станция. Спутники серии «Иридиум» еще ярче, кроме того, они ведут себя необычно: неожиданно вспыхивают и быстро затухают, заставая наблюдателя врасплох.
За городом на небе можно увидеть все то же, что и на городском небе, только прилагая меньше усилий и в большем количестве.
Серебристые облака на сумеречном небе Шотландии. Снимок сделан 19 июня 2018 года. Фото: Alan C Tough
Млечный Путь и туманности
Главная достопримечательность по-настоящему темного неба — Млечный Путь, слабосветящаяся туманная дорожка, дугой пересекающая небо. Лучше всего Млечный Путь виден в конце лета и в первую половину осени, хуже всего — весной.
Также на загородном небе можно увидеть несколько туманных пятнышек, похожих на облачка. Это туманности, галактики и далекие звездные скопления. Чтобы рассмотреть их как следует, вам потребуется как минимум бинокль, а лучше — телескоп.
В обычный любительский телескоп на загородном небе видны тысячи звездных скоплений, туманностей и галактик. Большинство этих объектов довольно тусклые и требуют определенного опыта при наблюдениях. Но есть среди них и простые, яркие и красивые объекты, от которых дух захватывает. Таковы, например, звездные скопления в Геркулесе и Персее, галактики М81 и М82 в Большой Медведице.
Кометы
Раз в несколько лет на небе появляется комета, достаточно яркая для того, чтобы ее можно было наблюдать невооруженным глазом. Кометы послабее, доступные для наблюдения в бинокль или небольшой телескоп, бывают на небе ежегодно — иногда даже по несколько штук.
Межпланетная пыль
Весной и осенью на загородном небе иногда можно увидеть очень слабый конус света, похожий на световой столб, бьющий в небо. Он наблюдается по вечерам на западе или ранним утром на востоке, из-за чего его часто называют ложным рассветом. Это зодиакальный свет — пылинки и метеорное вещество, которые плавают в межпланетном пространстве и отражают солнечный свет.
Зодиакальный свет над обсерваторией Ла-Силья в Чили. Фото: Юрий Белецкий/ESO
То же относится и к противосиянию, которое имеет природу, схожую с зодиакальным светом. Противосияние — это слабое туманное пятно в противоположной Солнцу точке неба. В отличие от зодиакального света, противосияние наблюдается ночью. Оно представляет собой межпланетную пыль, которая находится за орбитой Земли и отражает в нашу сторону солнечный свет.
Впрочем, противосияние и зодиакальный свет очень слабые явления. Они настолько тусклы, что увидеть их можно только на очень темном небе — в горах, в море, в степи или в тайге — там, где нет и намека на фонари.
Что можно увидеть на небе днем?
Солнце
Днем — главный объект для наблюдения Солнце. При наблюдении Солнца важно соблюдать меры предосторожности. Ни в коем случае не смотрите на Солнце прямым зрением днем, когда светило находится высоко в небе. Тем более нельзя смотреть на Солнце в обычный, не защищенный телескоп — можно ослепнуть.
Для наблюдений Солнца существуют специальные методы и инструменты.
Солнечные затмения
Во время полного солнечного затмения Луна загораживает от нас диск Солнца и становится видна солнечная корона — внешние слои атмосферы Солнца. Фото: Fred Espenak
Несколько раз в год случаются солнечные затмения — одни из самых необычных, фантастически-красивых и волнующих астрономических явлений. Во время полного солнечного затмения Луна полностью заслоняет от нас Солнце. Посреди белого дня вдруг наступает ночь, появляются звезды и планеты, а само Солнце выглядит как черный диск, окруженный красивым светящимся ореолом. Природа мгновенно затихает.
Солнечные затмения коротки — вся эта красота длится не более 7 минут; кроме того, полоса полного солнечного затмения очень узкая и шанс, что она пройдет над вашим городом, невелик. Поэтому многие любители астрономии отправляются в специальные поездки, чтобы увидеть затмение собственными глазами.
Частные солнечные затмения наблюдать проще, но они не так впечатляют, как полные. Разве что странно видеть Солнце, а не Луну, в виде светящегося серпика.
Частное солнечное затмение. Солнце скрыто за Луной не полностью и предстает в виде светящегося серпа. Фото: Evan Zucker
Как и в случае с Луной, Солнце может быть источником необычных и разнообразных атмосферных феноменов. Речь идет о гало, радугах, антигелии и прочих интересных штуках. Все они так или иначе связаны с преломлением солнечного света на мельчайших кристалликах льда, плавающих в атмосфере Земли. Некоторые из этих феноменов бывают очень впечатляющими. Например, паргелий — явление трех солнц на небе, два из которых ложные. Они расположены по бокам на одинаковом расстоянии от настоящего Солнца, создавая потрясающую по красоте картину.
Три Солнца на небе —достаточно редкое атмосферное явление, которое называется паргелий. Фото: Erik Axdahl/Википедия
Что еще?
Кроме Солнца на дневном небе можно наблюдать Луну и планеты. Увидеть их трудно, так как они почти сливаются с ярким фоном неба. Тем не менее, они все-таки могут случайно попасть в ваше поле зрения. Из планет днем можно увидеть Венеру и — с большим трудом! — Юпитер.
К сожалению, больше половины из этого списка не доступно обычному городскому жителю. Электрическое освещение и смог, скапливающийся над крупными городами, давно «убили» небо. Взгляните: даже в ясную ночь на нем видны только самые яркие звезды.
Как результат, сегодня мало кто может похвастать, что видел Млечный Путь, а ведь еще относительно недавно его наблюдение было общедоступно. То же касается наблюдения комет и других туманных объектов. Поэтому не расстраивайтесь, если какие-то из небесных светил вам не удается обнаружить в городе. Астрономия требует темного неба.
И все-таки познакомиться с небом и с некоторыми простыми астрономическими наблюдениями можно даже в городских условиях!
Как это сделать? Об этом я рассказываю на страницах этого блога.
Источник