Почему закат окрашивается в тёплые цвета?

Посмотрите на западный край неба незадолго до того, как солнце сядет за горизонт. У самой линии горизонта полоса почти красная, выше идёт оранжевая, ещё выше — золотистая, и только в зените небо ещё держит дневную синеву. Через четверть часа красная полоса погаснет, а синева наверху станет глубже.

Почему на горизонте и в зените цвет неба разный?

Как воздух рассеивает свет. Если бы атмосфера Земли была однородной, свет распространялся бы в ней прямолинейно. В таком случае Солнце представало бы перед нами как яркий диск на фоне чёрного неба — и в зените, и на закате. Однако атмосфера неоднородна, и эта неоднородность обусловлена не только присутствием пыли, капелек воды и других частиц. Даже в высокогорных районах, где воздух предельно чист, а облака остались далеко внизу, небо сохраняет голубовато-синий оттенок.

В чём же причина такой неоднородности чистого воздуха?

Представим себе крошечные объёмы воздуха, линейные размеры которых существенно меньше длины световой волны (а она примерно в 100 раз меньше толщины волоса). Из-за хаотического теплового движения молекул их количество в таких микрообъёмах постоянно меняется: в одних участках молекул чуть больше, в других — чуть меньше. По сути, воздух можно представить как совокупность мельчайших неоднородностей — микрообластей с разной плотностью. Это и делает даже самый чистый воздух оптически неоднородной средой, способной рассеивать свет. Такое рассеяние называется молекулярным.

Электрическое поле падающей от Солнца волны раскачивает электроны в этих микрообластях. Каждая такая микрообласть становится источником новых электромагнитных волн той же длины, но расходящихся во все стороны. Суммарное излучение от множества микрообластей воспринимается нами как рассеянный свет. Такое рассеяние называется молекулярным. Важно отметить, что длина волны рассеянного света остаётся той же, что и у падающего излучения.

Почему закат красный, а небо в зените голубое? Для понимания причины окраски неба важно знать, что интенсивность рассеянного света зависит от длины волны. Эта зависимость выражается физическим законом: интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Этот закон вывел Дж. Рэлей в 1871 году. Согласно этому закону, фиолетовый свет, например, рассеивается сильнее красного почти в 10 раз!

1. полдень: короткий путь, синий почти не потерян
2. закат: путь в десятки раз длиннее, синий рассеян по дороге (толщина воздуха преувеличена)
3. рассеянный синий и есть голубое небо

Белый солнечный свет — это смесь электромагнитных волн разных длин. В порядке возрастания длины волны они располагаются в спектре в такой последовательности: фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый, красный.

Когда Солнце находится у горизонта, его лучи, прежде чем достичь наблюдателя, проходят в атмосфере большой путь, сотни километров. На этом длинном отрезке происходит рассеяние. Поскольку фиолетовые, синие и голубые волны рассеиваются гораздо сильнее, чем оранжевые и красные, к нам доходит преимущественно длинноволновая часть спектра: закатное небо окрашивается в тёплые красные и оранжевые оттенки.

Если же взглянуть вверх, мы увидим как раз тот самый рассеянный свет, а он состоит преимущественно из коротковолновых лучей: фиолетовых, синих и голубых. Поэтому небо мы видим голубым. Вы можете спросить, а почему небо голубое, а не фиолетовое? Ведь фиолетовые лучи рассеиваются интенсивнее голубых. На это есть две причины. Во-первых, человеческий глаз менее чувствителен к фиолетовому цвету, чем к голубому. Во-вторых, в солнечном спектре доля фиолетового света сравнительно невелика. Сочетание этих факторов и формирует привычную нам голубую окраску неба.

Тот же механизм в других местах. Голубой оттенок светлых глаз не связан с наличием какого-либо синего пигмента в радужке. Цвет глаз возникает из-за рассеяния света в полупрозрачной строме (соединительной ткани) радужной оболочки.

Дальние горы нередко окутаны лёгкой голубой дымкой. Это явление тоже связано с рассеянием света: между горами и наблюдателем лежат десятки километров воздуха. Чем дальше горы, тем больше этого «воздушного фильтра». Рассеянный в нём свет добавляет синеву к реальному цвету камней и деревьев.

Красивая картина вечернего заката и цвет светлых глаз у человека — следствия одного и того же физического явления — рассеяния света.

Дополнение редакции. Этот уровень написан по двум предыдущим и эксперт (А.И. Фишман) его не проверял. Проверенный текст — во вкладках «Кратко» и «Как это работает».

Насколько длиннее путь. Толщину атмосферы вдоль луча зрения меряют воздушными массами: в зените она равна единице, что соответствует примерно восьми километрам приведённой однородной атмосферы. У горизонта та же величина доходит примерно до 38.

$$m(z)\approx\frac{1}{\cos z}\quad(z<60^\circ),\qquad m(90^\circ)\approx 38$$

оценка порядка

Иначе говоря, простая формула через косинус зенитного угла годится, пока Солнце не ниже тридцати градусов над горизонтом; у самого горизонта она расходится, и там нужен точный расчёт с учётом кривизны Земли.

Умножьте путь в 38 раз — и потери на рассеяние в синей части спектра станут почти полными. Отсюда и резкая граница между красной полосой у горизонта и золотистой выше: разница в высоте в пару градусов меняет воздушную массу в разы.

Границы применимости закона Рэлея. Формула с четвёртой степенью верна только для рассеивателей, заметно меньших длины волны.

• Капли и аэрозоль ей не подчиняются. Частица размером с длину волны и крупнее рассеивает по теории Ми — почти одинаково на всех длинах волн. Поэтому туман белый, облака серые, а городская дымка не синяя, а молочная.
• Модель однократного рассеяния. Она считает, что фотон рассеялся один раз и попал в глаз. У горизонта, где оптическая толща велика, свет рассеивается многократно, и расчёт цвета требует полноценного переноса излучения.
• Вулканический пепел меняет картину целиком. После крупных извержений закаты становятся необычно яркими и держатся дольше — работает уже не молекулярное рассеяние, а стратосферный аэрозоль.

О чём спорят. Школьный ответ «небо синее из-за рэлеевского рассеяния» неполон, и это установлено давно. Хальберт ещё в 1953 году показал: при Солнце ровно на горизонте синеву зенита лишь на треть даёт рассеяние, а на две трети — поглощение озоном в полосе Шаппюи, широкой и слабой полосе в жёлто-красной части видимого спектра¹. Чем глубже сумерки, тем сильнее перевес озона; в поздних сумерках цвет неба определяется практически только им. Разбор с современными расчётами вышел в 2023 году под заголовком, который так и звучит — «Почему небо синее?» — и заново².

Открытый вопрос. Разделить в наблюдаемом цвете сумерек вклады озона и аэрозоля по-прежнему трудно: оба меняют одну и ту же часть спектра, а количество аэрозоля на высоте меняется от недели к неделе. Именно по цвету сумеречного неба пытаются восстанавливать содержание озона и пыли в стратосфере — задача обратная и неустойчивая.