Почему ночью небо черное

Почему небо на Земле голубое, а в космосе или на Луне черное?

Почти все восхищаются прекрасным голубым небом в ясный, прохладный осенний день. Еще в 1500 году Леонардо да Винчи пытался объяснить цвет неба. Его записные книжки показывают, что он следил за солнечным светом, проходящим через древесный дым, что позволяет предположить, что он понимал основное явление рассеяния света.

Хотя полное физическое объяснение голубого неба сложно из-за ограничений длины, мы сосредоточимся на первичном механизме. И узнаем почему небо черное на луне, а ночью на Земле.

Ключевые догадки

В 1870-х годах английский ученый лорд Рэлей внес часть объяснения. Но чтобы понять его доводы, нам нужно знать две вещи о том, как мы воспринимаем свет. 

• Все цвета видимого солнечного света от коротковолнового фиолетового до синего, зеленого, желтого, оранжевого и длинноволнового красного излучаются Солнцем, но не в равных количествах. Преобладающий цвет в видимом спектре — синий. 
• Наши глаза лучше воспринимают зеленый свет, чем другие цвета, и довольно хорошо воспринимают синий свет. Смешанные вместе, все цвета видимого света кажутся нам белыми.

Представьте себе пробку, покоящуюся на поверхности безмятежного пруда. Затем в пруд бросают камень, излучающие волны, заставляющие пробку двигаться вверх и вниз. Пробка получает энергию волны, а затем колеблется вверх и вниз, и таким же образом световые волны могут взаимодействовать с молекулами воздуха. 

Однако частицы воздуха не удерживают энергию падающих на них световых волн, а быстро повторно излучают эту световую энергию в случайных направлениях. Следовательно, исходный свет, исходивший из определенного направления, теперь рассеивается (переизлучается) во всех направлениях.

Это рассеяние зависит от размера частицы или молекулы и длины волны падающего света. Рассеяние пропорционально единице, деленной на длину волны в четвертой степени. Длинные волны солнечного света (красные) менее эффективно рассеиваются, чем более короткие (синие), мелкими частицами воздуха в нашей атмосфере. 

Поскольку красный свет имеет длину волны (700 нм) примерно в 1,7 раза больше, чем синий свет (400 нм), выводы Рэлея показывают, что синий свет имеет примерно в 9 раз больше шансов рассеяться, чем красный свет. Этот рассеянный синий свет распространяется во всех направлениях через атмосферу и днём приходит к нам со всего неба. Тогда мы воспринимаем небо как голубое, вечером же и ночью этого эффекта нет. И становится понятно почему ночью небо черное.

Почему днем небо синее, а ночью черное

Однако когда солнце приближается к горизонту, солнечный свет должен проходить через более плотную атмосферу, чем когда он находится над головой. По мере того как свет проходит большее расстояние в атмосфере, большая часть синего света рассеивается, а оставшийся свет имеет пропорционально больше оранжевого цвета, что приводит к прекрасным восходам и закатам, которые мы часто счастливы видеть. 

Однако эти эффекты рассеяния непостоянны. В объяснении лорда Рэлея игнорируется влияние водяного пара, частиц пыли, озона, химических загрязнителей и реакции глаз. Все эти механизмы могут усиливать или уменьшать красоту, или цвет восхода, или заката.

В космосе или на Луне нет атмосферы, рассеивающей свет. Свет от солнца проходит по прямой линии, не рассеиваясь, и все цвета остаются вместе. Таким образом, глядя на солнце, мы видим яркий белый свет, а, глядя в сторону, мы видим только тьму пустого пространства. 

Поскольку в космосе практически нет ничего, что могло бы рассеивать или повторно излучать свет в наши глаза, мы не видим никакой части света, и небо кажется черным. Теперь вы знаете почему днем небо синее, а ночью черное.