Небо голубое. Океаны голубые. Хотя наука может объяснить их обоих, причины у каждого совершенно разные.
Ключевые выводы
- Большинство из нас, узнав, что небо и океаны голубые, слышали миф о том, что «одно голубое, потому что оно отражает другое». Это просто неправда.
- Небо голубое из-за того, как работает атмосферное рассеяние, направляя синий свет в различных направлениях более эффективно, чем красный свет, заставляя синий свет достигать наших глаз с разных направлений.
- Океаны, тем временем, поглощают одни цвета больше, чем другие, поэтому, когда вы уходите в более глубокие глубины, синий цвет остается последним. Вот наука о том, как оба работают.
Если вас когда-нибудь интересовал мир, в котором вы живете, вы, вероятно, задавались вопросом, почему небо голубое. Неправильные ответы, которые люди часто дают в ответ, включают:
- что солнечный свет имеет голубой оттенок,
- что кислород сам по себе является газом синего цвета,
- или что небо отражает океаны.
Хотя ни один из этих ответов не является правильным, последняя попытка поднимает вопрос, связанный с этим, который часто задают люди: почему океаны голубые?
Глядя из космоса, планету Земля часто описывают как бледно-голубую точку, но только жидкие водоемы, в которых преобладают земные океаны, кажутся голубыми. Континенты, облака и ледяные шапки вовсе не кажутся голубыми; именно океаны, а не атмосфера, придают нашей планете общий вид. 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 голубые.
Когда Солнце находится высоко над головой, небо в зените имеет гораздо более темный синий цвет, а небо в направлении горизонта - более светлый и яркий голубой цвет. Это связано с большим количеством атмосферы и большим количеством рассеянного света, который виден на небе под малыми углами.
Вопреки тому, что вы, возможно, читали, нет единого фактора, ответственного за голубое небо Земли.
Небо голубое не потому, что солнечный свет имеет голубой оттенок; наше Солнце излучает свет с множеством различных длин волн, и этот свет в сумме дает чистый белый цвет.
Кислород сам по себе 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. Океан не играет никакой роли в цвете неба, но чувствительность наших глаз абсолютно играет: мы видим реальность не такой, какая она есть, а такой, какой ее воспринимают наши чувства и интерпретирует наш мозг.
Эти три фактора - солнечный свет, рассеивающие эффекты земной атмосферы и реакция человеческого глаза - в совокупности придают небу голубоватый оттенок.
Схематическая анимация непрерывного луча света, рассеиваемого призмой. Обратите внимание, как волновая природа света согласуется с более глубоким объяснением того факта, что белый свет можно разбить на разные цвета. Однако излучение не происходит непрерывно на всех длинах волн и частотах, а квантуется на отдельные энергетические пакеты: фотоны.
Когда мы пропускаем солнечный свет через призму, мы видим, 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.
Большие отверстия в вашей микроволновой печи пропускают коротковолновый видимый свет внутрь и наружу, но не пропускают более длинноволновый микроволновый свет, отражая его. Тонкие покрытия на ваших солнцезащитных очках отражают ультрафиолетовый, фиолетовый и синий свет, но пропускают 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 свет 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.
Этому 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 чаще, 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 более синими длинами волн практически не существует, поскольку он преимущественно рассеивается.
Некоторые опалесцирующие материалы, такие как показанный здесь, обладают такими же свойствами рассеяния Рэлея, что и атмосфера. Белый свет, освещающий этот камень справа вверху, сам камень рассеивает синий свет, но позволяет оранжевому/красному свету беспрепятственно проходить сквозь него.
Поскольку более голубые волны света легче рассеиваются, любой входящий прямой солнечный свет будет становиться все более и более красным по мере того, как через большую часть атмосферы он проходит. 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 атмосферы достаточно, чтобы рассеять этот синий свет до того, как он достигнет ваших глаз. Если Солнце находится ниже горизонта, весь свет должен пройти через большое количество атмосферы. Более синий свет рассеивается во всех направлениях, в то время как более красный свет рассеивается гораздо реже, а это означает, что он направляется к вашим глазам более прямым путем. Если вы когда-нибудь оказывались в самолете после захода солнца или до восхода солнца, вы можете получить захватывающий вид на этот эффект.
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 только синим.
Это может объяснить, почему закаты, восходы и лунные затмения красные, но может заставить вас задаться вопросом, почему небо кажется голубым, а не фиолетовым. Действительно, на самом деле из атмосферы исходит больше фиолетового света, чем синего, но есть и смесь других цветов. Поскольку в ваших глазах есть три типа колбочек (для определения цвета), а также монохроматические палочки, сигналы от всех четырех должны интерпретироваться вашим мозгом, когда дело доходит до присвоения цвета.
Каждый тип колбочек, а также палочки чувствительны к свету с разными длинами волн, 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 сильный синий сигнал, который подает наш мозг, и поэтому небо кажется нашим глазам голубым.
Первый взгляд человека на Землю, восходящую над краем Луны. Открытие Земли из космоса человеческими глазами остается одним из самых знаковых достижений в истории нашего вида.«Аполлон-8», осуществленный в декабре 1968 года, был одной из основных миссий, предшествовавших успешной высадке на Луну, которая впервые произошла 20 июля 1969 года. Обратите внимание, что синий цвет Земли обусловлен океанами, а не атмосферой, и что планета Земля в этот момент содержала всех людей, кроме трех, которые в то время находились на борту Аполлона-8.
С другой стороны, океаны - это совсем другая история. Если вы посмотрите на планету в целом с такого вида, какой вы видите из космоса, вы заметите, что водоемы, которые у нас есть, не однородного синего цвета, а скорее различаются по своему оттенку в зависимости от глубина воды. Более глубокие воды имеют более темно-синий цвет; мелководье окрашено в 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 глубокий, темные глубины океана.
Океаны Земли могут казаться голубыми, но вдоль континентальных шельфов они кажутся более светлыми оттенками синего, чем в самых глубоких частях океана. 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. Когда мы это делаем, фотографируя под водой при естественном освещении, т. е. без каких-либо искусственных источников света, мы сразу видим, что все приобретает голубоватый оттенок.
Чем дальше мы спускаемся, достигая 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.
Если вы спуститесь в водоем и позволите окружающему пространству освещаться только естественным солнечным светом сверху, вы обнаружите, что все приобретает голубоватый оттенок, так как красный свет его длины волн полностью поглощаются.
Вместо рассеяния, которое является основной ролью атмосферы при прохождении через нее света, жидкость, такая как вода, в основном поглощает (или не поглощает) свет. Вода, как и все молекулы, предпочитает длины волн, которые она может поглощать. Вместо того, чтобы иметь прямую зависимость от длины волны, вода может легче всего поглощать инфракрасный свет, ультрафиолетовый свет и красный видимый свет.
Это означает, что если вы опуститесь даже на небольшую глубину, вы не почувствуете сильного нагревания от Солнца, вы будете защищены от УФ-излучения, и все начнет синеть, так как красный свет убран. Опуститесь немного глубже, и апельсины тоже исчезнут.
На больших глубинах, когда море освещается естественным солнечным светом сверху, начинают исчезать не только красные цвета, но и оранжевые и желтые. Еще ниже зеленый цвет также будет поглощаться, оставляя только слабый синий свет.
После этого желтые, зеленые и фиолетовые цвета начинают исчезать. По мере того, как мы спускаемся на многокилометровую глубину, синий свет, наконец, тоже исчезает, хотя и последним.
Вот почему самые глубокие глубины океана кажутся темно-синими: потому что все остальные длины волн поглощаются. 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 очень хорошо поглощает солнечный свет!
Глобальные композиты данных спектрорадиометра среднего разрешения (MODIS) для двух полушарий, полученные в 2001 и 2002 годах. Обратите внимание, что именно наши океаны, и не небеса, а только наши океаны, придают нашей планете голубой цвет. вид из космоса.
Небо и океан голубые вовсе не из-за отражений; они оба синие, но каждый по своей воле. Если бы вы полностью убрали наши океаны, человек на поверхности по-прежнему видел бы голубое небо, и если бы вам удалось убрать наше небо (но все же каким-то образом дать нам жидкую воду на поверхности), наша планета все еще казалась бы голубой издалека. космос.
В небе голубой солнечный свет легче рассеивается и попадает к нам косвенно, откуда солнечный свет попадает в атмосферу. Что касается океанов, то более длинноволновый видимый свет поглощается легче, поэтому чем глубже они погружаются, тем более темным и голубым кажется оставшийся свет. Голубая атмосфера может быть обычным явлением для планет, поскольку они есть и у Урана, и у Нептуна, но мы единственные, о которых мы знаем, с синей поверхностью. Возможно, когда мы найдем другой мир с жидкой водой на поверхности, мы обнаружим, что мы, в конце концов, не так уж уникальны, и в большем количестве аспектов, чем мы даже понимаем сейчас!