Чтобы понять почему небо голубое, давайте разберемся откуда вообще берется цвет. Солнечный свет который мы привыкли считать белым на самом деле состоит из трех основных цветов. В этом легко убедиться, если разложить его на спектр с помощью призмы. Вы увидите радугу, которая состоит из этих цветов: красного, зелёного и синего. Их комбинация даёт любой цвет который бы вы хотели получить.
Первым понять физику радуги удалось великому Исааку Ньютону. Он описал её строение, очередность колец и предположил, что небо имеет свой цвет из-за мельчайших частиц воды содержащихся в воздухе. Тех же самых которые дают голубую полосу в радуге. В его теории оставалось только одно слабое место – красные рассветы и закаты. Объяснить их появление удалось лишь спустя двести лет после Ньютона.
Другой английский физик Джон Уильям Рэлей, проводя оптические эксперименты в своей лаборатории задумался над природой случайно попавшего в тёмную лабораторию лучика света.
Еще в древности люди знали, что свет распространяется прямолинейно. Но почему тогда сторонний наблюдатель может его видеть? Все дело в мельчайших пылинках решил Рэлей. Луч света отражается от них и становится виден со стороны.
А не это ли и есть причина окраски неба в голубой цвет. Свет это электромагнитные волны, почти такие же как и радио волны. Только в отличии от радио где длина волны измеряется метрами и сантиметрами, здесь речь идет о нанометрах – о миллиардных долях метров. Так же как и радиостанции имеют свою чистоту, каждый цвет имеет свою длину волны. Синий – самую короткую, около 400 нанометров, красный самую длинную, около 700 нанометров.
Если на своём пути луч света встречает препятствие меньшее, чем длина его волны, то он рассеивается. Причем сильнее всего рассеиваются волны с наименьшей длиной волны, т.е. синий и фиолетовый.
Когда солнечный свет проходит через атмосферу, часть его синего спектра рассеивается и равномерно окрашивает небо.
Если взглянуть на дым от сигареты, то хорошо заметно, что он имеет разную окраску. В одном месте он синеватый, в другом белый. Всё очень просто, мельчайшие частички дыма которые поднимаются над угольком обладают размером меньшим, нежели длина световой волны и рассеивают в большей степени фиолетовый и синий цвет. Когда дым проходит через узкие каналы в табаке, его частицы слипаются между собой, объединяясь в более крупные комочки. Многие из них становятся размером больше чем длины волн света, и они начинают рассеивать все волны света одинаково. Именно из-за этого дым который выходит со стороны мундштука (фильтра) кажется белёсым. Так вот и получается, что небо голубое, а облака белые.
А красное небо на закате появляется из-за того, что лучи проходят наибольший путь через атмосферу. Волны с небольшими длинами волн рассеиваются настолько сильно, что становятся невидимыми, а красные лучи рассеиваются гораздо слабее. Вот их мы и видим.
Астронавты побывавшие на Луне видели, что небо там всегда черное. Это потому, что на Луне нет атмосферы. А вот на Марсе, где есть небольшая атмосфера небо тоже голубоватое, правда у самого горизонта.
На вершине гор, где практически нет пыли небо все равно остается синим и это натолкнуло Рэлея на мысль, что рассеивание спектра зависит не от пыли, а от молекул воздуха. Его теория была подтверждена экспериментально.
Точку в споре «почему небо голубое» поставил русский физик Леонид Мандельштам. Он доказал, что причиной рассеивания света являются не сами молекулы, а их сгустки и разряжения которые появляются в результате хаотичного движения околоземных газов. Произошло это в 1907 году, спустя многие столетия после того как впервые прозвучал вопрос «почему небо голубое?»