Небо как фильтр

Вы когда-нибудь задавались вопросом — почему небо вообще имеет цвет? Не «почему оно синее», а именно — почему оно не чёрное, как над Луной?

Ответ начинается с размера. Молекулы азота и кислорода — главные составляющие воздуха — несоразмерно малы по сравнению с длиной волны видимого света. И когда фотон налетает на такую молекулу, та не просто пропускает его мимо. Она его рассеивает. Выбрасывает в сторону. Причём делает это избирательно: короткие волны — синий и фиолетовый диапазон — она рассеивает несравнимо охотнее, чем длинные. Лорд Рэлей описал эту зависимость ещё в тысяча восемьсот семьдесят первом, и формула получилась жёсткой: интенсивность рассеяния растёт обратно пропорционально четвёртой степени длины волны. На практике это значит — синий свет с длиной волны около четырёхсот пятидесяти нанометров рассеивается примерно в десять раз сильнее красного.

Но вот тонкость, которую часто упускают. Максимум рэлеевского рассеяния приходится не на синий, а ещё ближе к ультрафиолету. Почему же небо не фиолетовое? Потому что озон в верхних слоях атмосферы гасит значительную часть этого ультрафиолета. И потому что наши глаза попросту гораздо хуже чувствуют фиолетовый. Мозг складывает то, что осталось, — и получает голубой.

Теперь посмотрите мысленно к горизонту — туда, где небо светлеет и уходит почти в белёсость. Это не случайность. Глядя к горизонту, мы смотрим через несравнимо более толстый слой воздуха. К уже рассеянному синему добавляются пыль, аэрозоли, дымка. Спектр смешивается, синева «разводится» — и голубой купол постепенно бледнеет. В высоких горах, на трёх-четырёх тысячах метров, всё наоборот: там меньше воздуха, меньше пыли, и небо над головой приобретает почти неправдоподобный тёмно-синий оттенок. Альпинисты описывают его как «несерьёзно синее». Астрономы используют это практически — в высокогорных обсерваториях дневное небо достаточно тёмное, чтобы наблюдать явления вблизи Солнца, недоступные на уровне моря.

Теперь закат. Когда Солнце у горизонта, его свет проходит через атмосферу по куда более длинному пути, чем в полдень. Синяя и фиолетовая часть спектра за это расстояние рассеивается полностью — уходит во все стороны, покидает прямой луч. До наших глаз добираются почти исключительно жёлтые, оранжевые и красные волны. Пыль и вулканический пепел усиливают эффект ещё сильнее — вычитают остатки синего. После извержения вулкана Пинатубо в тысяча девятьсот девяносто первом по всему миру несколько месяцев наблюдали аномально насыщенные, почти кровавые закаты.

Облака белые — по другой причине. Там уже не рэлеевское рассеяние: капли воды и кристаллы льда в облаке имеют размер в десятки микрометров, сравнимый с длиной световой волны. Работает другой механизм — мирассеяние. Каждая капля рассеивает все длины волн видимого света почти одинаково. После многократных переотражений внутри облака все цвета смешиваются — и на выходе белый. Когда облако становится слишком толстым, часть света поглощается, и оно темнеет, обретая свинцовый цвет — не потому что «набирается воды», а потому что перестаёт быть прозрачным рассеивателем.

И последнее — то, что меня, признаться, поразило, когда я впервые на это наткнулся. Тот же механизм, что красит небо в голубой, красит голубые глаза. В радужке светлоглазых людей почти нет синего пигмента. Полупрозрачная строма рассеивает короткие волны и пропускает длинные глубже, к тёмным слоям. Мы видим отражённый «рэлеевский» голубой. По сути — маленькое личное небо, встроенное в биологию.

Цвет неба — не свойство космоса. Это побочный эффект тонкой плёнки газов вокруг планеты. Уберите атмосферу — и Солнце останется ярким диском на абсолютно чёрном фоне, как на Луне сейчас.

Спросите меня про то, как климатологи сегодня читают состав воздуха прямо по оттенку неба — измеряя рассеяние на разных длинах волн с орбиты. Там скрывается история о том, как «голубой купол» стал инструментом слежения за изменением климата — и что именно он уже успел нам сообщить.