В XVIII веке ученые Мариотт, Бугер, Эйлер предполагали, что голубой цвет неба объясняется собственным цветом составных частей воздуха. Несколько позднее, в XIX веке, установили, что жидкий кислород имеет голубой цвет, а жидкий озон — синий. Но наиболее правильное объяснение цвета неба дал О. В. Сос-сюр. Если бы воздух был абсолютно чистым, то небо было бы черным, но воздух содержит примеси, которые отражают преимущественно голубой цвет. Такими примесями являются, например, водяной пар и капельки воды. В физике XIX века накопилось много данных по рассеянию света в жидкостях и газах. Была обнаружена одна из характеристик рассеянного света, поступающего от небосвода, — его поляризация. Физик Ара-го в 1809 г: открыл явление поляризации и исследовал его первым. Исследованиями поляризации занимались Бабине, Д. Брюстер.
Вопрос о цвете неба был привлекателен для многих физиков. Ученый Брюкке написал работу «Моделирование голубого цвета неба», у Д. Тиндаля есть работа «О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще». Но первым, кто создал стройную и строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей.
Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на молекулах воздуха. Первая работа Рэлея была опубликована в 1871 г. В окончательном варианте его теория рассеяния, основанная на электромагнитной природе света, была изложена в 1899 г. в работе «О свете от неба, его поляризации и цвете». Интересно, что полное имя Рэлея — Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей III, но его иногда в шутку называли Рэлеем Рассеивающим, а его сын — лорд Рэлей IV — также занимался физикой световых явлений, но он получил другое прозвище — Рэлей Атмосферный.
Вывод теории Рэлея был таков: яркость, или интенсивность рассеянного света, изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу. Таким образом, молекулярное рассеяние чрезвычайно чувствительно к малейшему изменению длины волны света. Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 мкм) примерно в два раза меньше длины волны красных (0,8 мкм). Поэтому фиолетовые лучи будут рассеиваться в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающих лучей их в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все цветные рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым.
Прямой солнечный свет, то есть свет, исходящий непосредственно от солнечного диска, теряет за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи. Им приобретается слабый желтоватый оттенок, который усиливается при приближении диска Солнца к горизонту. Но вблизи горизонта лучам приходится проходить все больший и больший путь. На длинном пути потери коротковолновых (то есть фиолетовых, синих, голубых) лучей становятся все более заметными, и в прямом свете Солнца или Луны до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи — красные, оранжевые, желтые. Поэтому цвет Солнца и Луны становится сначала желтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба — это два следствия одного и того же процесса рассеяния. Так теория Рэлея очень наглядно и убедительно объяснила вековую загадку небесных красок.
Законом рассеяния Рэлея объясняется также и еще одно интересное световое явление — голубоватая дымка, которая, как вуаль, окутывает далекие предметы. Атмосферная дымка возникает за счет рассеяния света в пространстве между наблюдателем и далеким предметом. Чем предмет дальше, тем он становится светлее и хуже виден, потому что ярче становится дымка, наложенная на него, и окружающий фон. Дымка, с одной стороны, скрадывает детали предметов, смягчает контрасты между светлыми и темными предметами и тем самым делает их хуже видимыми, а с другой — подчеркивает разницу в расстояниях до предметов. Например, близкий лес выглядит более зеленым и более темным, чем дальний. Благодаря этому становится ясно различимым рельеф местности. Это явление называют воздушной перспективой. В своих работах художники используют факт воздушной перспективы для большей реалистичности пейзажей, которые они пишут. Но в запыленном воздухе далекие предметы становятся невидимыми, как бы скрытыми рассеянным воздухом атмосферы.
Многочисленные и разнообразные световые явления, наблюдаемые в облаках или выпадающих осадках, такие как радуги, глории, нимбы, круги и дуги гало, — все они обязаны своим происхождением рассеянию света. Благодаря рассеянию света в атмосфере переход от дня к ночи и от ночи к дню происходит не мгновенно, а растягивается на некоторый промежуток времени, и мы можем любоваться прекрасными красками восхода или заката.
Ночью Земля продолжает получать рассеянный свет от различных источников. Рассеянный звездный свет поступает от полосы Млечного Пути. Рассеяние света происходит в газопылевых туманностях в межзвездном пространстве нашей Галактики и в других галактиках. Вся наша удивительная и безграничная Вселенная заполнена разнообразными скоплениями вещества, и рассеяние света происходит повсюду. Небо в различные периоды отличается цветом и яркостью.
Цвет неба и его яркость изменяются при поднятии над земной поверхностью. Чем выше мы поднимаемся, тем тоньше слой воздуха над точкой наблюдения, тем синее небо и тем меньше его яркость. На высоте 4–5 тыс. м от уровня моря цвет неба становится удивительно синим. На еще большей высоте, до 10 тыс. км, при полетах на самолетах можно любоваться небом еще более глубокой синевы. В полетах на стратостатах можно достичь высоты 22 тыс. м. Темно-синий цвет неба на таких высотах является вполне закономерным. И, наконец, при полете космических кораблей на высотах более 100 км от поверхности планеты космонавты отмечают черный, бархатный цвет неба. Разумеется, это уже и не небо в нашем понимании, а безвоздушное пространство, космос.
Смотрели ли вы на небо внимательно? Если да, то обязательно обратили внимание на то, что небо выглядит не как полусфера, накрывающая планету от горизонта до горизонта. Оно выглядит как бы приплюснутым по вертикальной линии и широко раскинуто вблизи горизонта. Вспомните: когда небо затянуто облаками, именно тогда оно больше всего напоминает опрокинутую тарелку.
Почему это так важно? Все дело в том, что приплюснутая форма небесного свода приводит к возникновению различных зрительных иллюзий. Объекты, расположенные вблизи горизонта, будто бы увеличиваются в размерах. Так, Солнце на закате и восходе кажется нам огромным. При высоком положении на небосводе, например летом в полдень, Солнце небольшим ярким шаром сияет в небесах. Вечером у горизонта оно будет казаться гораздо больше. Из-за оптической иллюзии наблюдатель невольно завышает размеры всех объектов, расположенных у горизонта. Замечено, что ошибки возникают чаще всего для объектов, находящихся на высоте ниже 35 градусов небесной сферы.
К следующей оптической ошибке следует отнести то, что обычно завышается расположение светил вблизи зенита. Зенит — это точка небесного свода, расположенная над головой наблюдателя. Хотя Солнце в летнее время в средних широтах никогда не достигает зенита, многие считают, что Солнце в полдень располагается в зените. Об этой оптической иллюзии писал еще Аристотель в труде «Метеорологика», но научное объяснение было дано лишь в XI веке арабским ученым Альгазеном.
Как же возникает эта иллюзия? Наблюдая Солнце на восходе или закате, многие видят, какое оно большое. Однако зрительно мы не воспринимаем, что Солнце и Луна находятся на разных расстояниях от Земли, Солнце — в 400 раз дальше. Но все наблюдаемые объекты как бы проецируются на небесный свод, как на экран. Из-за кажущейся сплюснутости неба этот экран оказывается от нас далеким в направлении горизонта и значительно более близким в направлении зенита. Угловой диаметр как Солнца, так и Луны при любом положении на небе одинаков и составляет 32 градуса небесной сферы, а вот линейные размеры при проецировании на близкий экран, например в зените, кажутся маленькими, а при проецировании на далекий экран, например у горизонта, — большими.
