Ответ на вопрос «Почему небо голубое?» довольно прост. Когда свет от Солнца достигает Земли, он проходит через межпланетное пространство, представляющее собой вакуум, и попадает в атмосферу, взаимодействуя с неоднородностями воздуха, в состав которого входят атомы различных элементов: кислорода, азота, углерода. На этих неоднородностях происходит рассеяние света, впервые рассмотренное английским физиком Релеем. Этот процесс можно сравнить с полетом струи воды, падающей на решетку, однако природа взаимодействия здесь абсолютно иная.
Рассеяние света зависит от длины волны. От Солнца исходит широкий диапазон длин волн, охватывающий различные цвета: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый. Эти цвета располагаются в порядке уменьшения длины волны: красный имеет наибольшую длину волны, желтый — меньшую, а фиолетовый — наименьшую. Оптический диапазон зрения человека охватывает лишь синий спектр. Свет с короткой длиной волны рассеивается наиболее эффективно. Самая короткая длина волны, которую может зарегистрировать человеческий глаз, — синяя. Именно поэтому синий свет заполняет все небо, и мы видим его голубым.
Другие цвета видимого спектра также подлежат рассеянию, но в гораздо меньшей степени. Если бы человек мог видеть более короткие длины волн, чем у синего цвета, или, наоборот, не мог бы видеть даже синюю длину волны, цвет неба представился бы ему иным. Например, если бы мы могли видеть только до зеленого цвета, наше небо отображалось бы в зеленых тонах. Смешение синего и фиолетового цветов, находящееся на границе видимости человеческого глаза в коротковолновой части светового спектра, создает голубой оттенок.
Каждый цвет имеет не одну длину волны, а диапазон длин волн, поэтому один цвет постепенно переходит в другой с изменением длины волны. Так, например, с уменьшением длины волны красный цвет постепенно трансформируется в оранжевый, оранжевый — в желтый, а синий — в фиолетовый.
Ночью небо темное, поскольку Земля затмевает Солнце, и на ночной стороне планеты мы видим лишь звезды. В этот период в атмосфере ничего не рассеивается. По мере захода Солнца атмосфера на ночной стороне Земли получает все меньше рассеянного света. Например, в полночь мы находимся точно на прямой линии «центр Земли — Солнце», и Земля полностью затмевает Солнце. Ни с востока, ни с запада свет в ночную атмосферу не проникает.
Свет имеет цвета радуги. Если мы возьмем призму и пропустим через нее солнечный свет, то, благодаря различным коэффициентам преломления для разных длин волн, свет будет преломляться по-разному. Затем он попадает на разные участки экрана, расщепляясь на цвета радуги, и мы наблюдаем весь спектр.
Мы не замечаем того, что находится за пределами оптического диапазона нашего зрения, а видим только цвета — от красного до синего. Если бы наш глаз мог воспринимать более широкий диапазон, на небе появились бы и другие цвета.
Владимир Кузнецов, доктор физико-математических наук, директор Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, действительный член Международной академии астронавтики.