Научные ответы: почему небо голубое, а океан синий

Как наука объясняет цвет неба и океана (причины разные) 

Небо голубого, океаны синего цвета. Наука давно может объяснить их цвета, но, несмотря на их схожесть, причины для каждого из них будут совершенно разные.

Мы с детства задаемся вопросом: почему небо голубое? И часто получаем ложные ответы, к которым относятся:

  • что солнечный свет окрашивает небо в голубой оттенок за счет одного из своих спектров;
  • что кислород сам по себе газ синего цвета;
  • или что небо отражает океаны и окрашивается в его цвет.

Хотя ни один из этих ответов не является правильным, последняя попытка поднимает связанный с этим вопрос, которым люди часто задаются: а почему океаны-то синие?

На протяжении тысячелетий человечеству приходилось просто принимать эти свойства нашего мира как факты. Но с достижениями современной науки мы понимаем, почему и небо, и океаны видятся нам в таком цвете...

Почему небо голубое у нас над головами?

pxfuel

Когда Солнце находится в зените, небо имеет гораздо более темный синий цвет, а небо в направлении горизонта — более светлый и яркий — голубой. Все это связано с большим количеством атмосферы и большим количеством рассеянного света, видимого на небе под малыми углами.

Итак, небо голубое не потому, что солнечный свет имеет голубой оттенок, ведь наше Солнце излучает свет с разными длинами волн, и этот свет в сумме дает чистый белый цвет.

Сам по себе кислород не является газом синего цвета, а скорее прозрачен для света.

Однако в нашей атмосфере есть множество молекул и более крупных частиц, которые играют определенную роль, рассеивая свет с разными длинами волн в разной степени. И океан не играет никакой роли в цвете неба, а вот что действительно играет, так это чувствительность наших глаз: мы видим реальность не такой, какая она есть, а такой, какой ее воспринимают наши органы чувств и как ее интерпретирует наш мозг.

Эти три фактора — солнечный свет, рассеивающие эффекты земной атмосферы и реакция человеческого глаза — в совокупности придают небу голубой оттенок.

Lucas Vieira/Wikimedia Commons

Схематическая анимация непрерывного луча света, рассеиваемого призмой. Если бы наши глаза улавливали ультрафиолетовый и инфракрасный свет, мы могли бы видеть, что ультрафиолетовый свет изгибается даже больше, чем фиолетовый/синий свет, в то время как инфракрасный свет оставался бы менее искривленным, чем красный.

Когда мы пропускаем солнечный свет через призму, мы можем увидеть, как он распадается на отдельные составляющие. Свет с самой высокой энергией также является светом с самой короткой длиной волны (и высокой частотой), в то время как свет с более низкой энергией имеет более длинные волны (и низкие частоты), чем его высокоэнергетические аналоги. Причина, по которой свет вообще распадается, заключается в том, что длина волны является критическим свойством, определяющим, как свет взаимодействует с веществом.

Тонкое покрытие на ваших солнцезащитных очках отражает ультрафиолетовый, фиолетовый и синий свет, но пропускает более длинные волны зеленого, желтого, оранжевого и красного цветов. А крошечные невидимые частицы, из которых состоит наша атмосфера, — такие молекулы, как азот, кислород, вода, углекислый газ, а также атомы аргона, — рассеивают свет всех длин волн, но преимущественно более эффективно рассеивают более голубой спектр с более короткими длинами волн.

Рэлеевское рассеяние сильнее влияет на синий свет, чем на красный, но из видимых длин волн фиолетовый свет рассеивается больше всего. Только благодаря чувствительности наших глаз небо кажется голубым, а не фиолетовым. Видимый свет с самой длинной и самой короткой волной испытывает разницу в рэлеевском рассеянии почти на полный порядок.

Тому есть физическая причина: все молекулы, составляющие нашу атмосферу, меньше по размеру, чем различные длины волн света, которые может видеть человеческий глаз. Длины волн, которые ближе к размерам присутствующих молекул, будут рассеиваться более эффективно; количественно закон, которому он подчиняется, известен как рэлеевское рассеяние.

Фиолетовый свет на коротковолновом пределе того, что мы можем видеть, рассеивается более чем в девять раз сильнее, чем красный, длинноволновый свет на другом конце нашего зрения. Вот почему во время восходов, закатов и лунных затмений красный свет все еще может эффективно проходить через атмосферу, но свет с другими длинами волн (синими) практически не видим, поскольку он преимущественно рассеивается. 

optick/flickr

Некоторые опалесцирующие (физическое явление рассеяния света мутной средой, обусловленное её оптической неоднородностью) материалы, такие как показанный здесь, обладают такими же свойствами рассеяния Рэлея, как и атмосфера. Белый свет, освещающий этот камень справа вверху, сам камень рассеивает синий свет, но позволяет оранжевому/красному свету преимущественно беспрепятственно проходить сквозь него.

Поскольку голубой диапазон длины волн света легче рассеивается, любой падающий прямой солнечный свет будет становиться все более и более красным по мере того, как он будет проходить через большую часть атмосферы. Однако остальная часть неба будет освещена непрямым солнечным светом: свет, который попадает в атмосферу, а затем перенаправляется к вашим глазам. Подавляющее большинство этого света будет иметь голубую длину волны, поэтому небо днем ​​голубое.

Он приобретет более красный оттенок только в том случае, если будет достаточно атмосферы, чтобы рассеять этот синий свет, прежде чем он достигнет ваших глаз. Если Солнце находится ниже горизонта, свет должен будет пройти через большее количество атмосферы. Более синий свет будет рассеиваться во всех направлениях, в то время как более красный рассеется гораздо меньше, а это означает, что он направится к вашим глазам более прямым путем. Если вы когда-нибудь оказывались в самолете после захода солнца или до его восхода, вы можете увидеть этот захватывающий эффект.

Rnbc/Wikimedia Commons

С очень больших высот на небе перед восходом или после захода солнца можно увидеть спектр цветов, вызванный многократным рассеянием солнечного света атмосферой. Прямой свет, находящийся близко к горизонту, сильно краснеет, в то время как вдали от Солнца непрямой свет кажется исключительно голубым.

Это может объяснить, почему закаты, восходы и лунные затмения красные, но может заставить вас задаться еще одним вопросом: почему небо кажется голубым, а не фиолетовым?

И действительно, ведь из атмосферы исходит больше фиолетового света, чем синего...

Поскольку в наших глазах есть три типа колбочек (для определения цвета), а также монохроматические палочки, сигналы от всех четырех должны интерпретироваться нашим мозгом для определения цвета.

Каждый тип колбочек, а также палочки чувствительны к свету с разной длиной волны, но все они в той или иной степени стимулируются небом. Наши глаза сильнее реагируют на синие, голубые и зеленые длины волн света, чем на фиолетовые. Несмотря на то, что фиолетового света больше, его недостаточно, чтобы преодолеть сигнал, сильно смещенный в сторону синего, который подает наш мозг, и поэтому небо кажется нашим глазам голубым.

Christoffer Engström / unsplash.com

С цветом океанов, с другой стороны, совсем другая история

Если вы посмотрите на планету в целом с такого ракурса, какой вы видите из космоса, вы заметите, что водоемы, особенно океаны, не однородного синего цвета, а скорее различаются по своему оттенку в зависимости от глубины вод. Более глубокие воды имеют более темно-синий цвет, более мелкие воды имеют более светлый синий цвет.

Если вы внимательно посмотрите на фотографию, подобную приведенной ниже, вы заметите, что водные области, граничащие с континентами (вдоль континентального шельфа), имеют более светлый, более голубой оттенок синего, чем глубокие темные глубины океана.

NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring

Океаны Земли могут казаться голубыми, но вдоль континентальных шельфов они кажутся окрашенными в более светлые оттенки синего, чем в самых глубоких частях океанических вод. Это не артефакт того, как было построено изображение, а реальное явление, которое детализирует разницу между тем, что поглощается и отражается самим океаном на разных глубинах.

Если вам нужны более прямые доказательства того, что сами океаны кажутся голубыми, вы можете попробовать нырнуть под поверхность воды и записать то, что видите, на камеру. Когда мы делаем это, фотографируя под водой при естественном освещении, т. е. без каких-либо искусственных источников света, мы можем сразу увидеть, что все приобретает голубоватый оттенок.

Чем дальше мы спускаемся, когда достигаем глубины 30 метров, 100 метров, 200 метров и более, тем голубее все кажется. Это имеет большой смысл, если вспомнить, что вода, как и атмосфера, также состоит из молекул конечного размера: меньше, чем длина волны любого света, который мы можем видеть. Но здесь, в глубинах океана, физика рассеяния немного другая.

shanerkidwell/Pixabay

Если вы спуститесь в водоем и вся окружающая вас вода будет освещена исключительно естественным солнечным светом сверху, вы обнаружите, что она приобретет голубоватый оттенок, поскольку красный свет первым полностью поглотит свою длину волны.

Вместо рассеивания, которое в основном происходит в атмосфере при прохождении через нее света, жидкость, такая как вода, в основном просто поглощает свет. Вода может легче всего поглощать инфракрасное излучение, ультрафиолетовое и красный видимый свет.

Это означает, что если вы опуститесь даже на небольшую глубину, вы не почувствуете сильного нагрева от Солнца, вы будете защищены от УФ-излучения, и все вокруг вас начнет синеть, поскольку красный свет исчезнет.

Dennis Jarvis/flickr

На большей глубине, когда море освещается естественным солнечным светом сверху, начинают исчезать не только красные цвета, но и оранжевые и желтые. Ниже даже зеленые цвета также будут поглощаться, оставляя только слабый синий свет.

После этого желтые, зеленые и фиолетовые цвета начинают исчезать. По мере того, как мы будем спускаться на многокилометровую глубину, синий свет наконец тоже исчезает, хотя он сделает это последним.

Вот почему самые большие глубины океана кажутся темно-синими: потому что все остальные длины волн поглощаются в них. Самый глубокий синий цвет, уникальный среди всех длин волн света в воде, имеет наибольшую вероятность отражения и повторного излучения. В настоящее время глобальное среднее альбедо (технический термин для обозначения отражательной способности) нашей планеты составляет 0,30, что означает, что 30% падающего света отражается обратно в космос. Но если бы Земля была полностью глубоководным океаном, наше альбедо было бы всего 0,11. Океан на самом деле довольно хорошо поглощает солнечный свет!

NASA/MODIS/Blue Marble

Глобальные сводки данных спектрорадиометра среднего разрешения (MODIS) для двух полушарий, полученные в 2001 и 2002 годах. Обратите внимание, что именно наши океаны, а не небо, придают нашей планете голубой вид из космоса.

Итак, небо и океан голубые вовсе не из-за отражения друг от друга; да, они оба синие, но каждый по своей причине. Если бы мы полностью убрали океаны, человек на поверхности по-прежнему видел бы голубое небо, и если бы вам удалось убрать наше небо, наша планета все еще казалась бы голубой издалека в космическом пространстве.

Источник статьи: Why is the sky blue? Why is the ocean blue? The answers aren’t the same.

Обложка: ssxss/pixabay

Оцените новость:
1 879
Источник — © 1gai.ru
Автор — Eric

Следите за нами в соцсетях

Новостная рассылка


Рассылка анонсов статей производится каждый понедельник