Чому небо блакитне вдень і чорне вночі?

Світло має потрапити до ока

Уяви ліхтарик, спрямований упоперек темної кімнати. На стіні видно освітлену пляму. Якщо в повітрі є пил, збоку можна помітити й сам пучок: частина світла змінює напрямок на пилинках і потрапляє в око. Саме така зміна напрямку називається розсіюванням.

Цей приклад пояснює шлях світла, але не колір неба: великі пилинки й молекули повітря взаємодіють зі світлом по-різному. Для блакитного дня достатньо навіть чистого повітря — передусім молекул азоту й кисню. Сонце освітлює їх, а вони розсіюють частину світла в наш бік. Тому світло приходить і з ділянок неба далеко від Сонця. NASA: розсіювання світла.

У майже порожньому просторі між освітленими предметами такого яскравого атмосферного фону немає. Промінь, що проходить повз око, сам себе не показує. Можна бачити яскраво освітлений ґрунт і водночас чорне небо над ним.

Саме таке порівняння дає Місяць. Там є вкрай розріджене газове оточення — екзосфера, але немає щільної земної атмосфери, яка створила б блакитний купол. Це описує NASA в огляді місячних умов.

Чому повітря додає саме блакитного

Сонячне світло містить цілий набір видимих кольорів. Призма може розділити їх у кольорову смугу — спектр. У світла є хвильові властивості: довжина хвилі — відстань між сусідніми гребенями світлової хвилі. У видимому спектрі червоному відповідають довші хвилі, синьому й фіолетовому — коротші. NASA: видиме світло.

Молекули повітря набагато менші за довжину хвилі видимого світла. У цих умовах короткі хвилі розсіюються ефективніше за довгі. Це релеївське розсіювання. Коли дивимося на чисте небо осторонь Сонця, до нас надходить світло з посиленою часткою коротких хвиль, і ми сприймаємо його як блакитне.

Червоне світло теж розсіюється, лише слабше. Повітря не сортує промені на ті, що «завжди летять прямо», і ті, що «завжди повертають». Воно поступово змінює співвідношення кольорів у прямому та розсіяному світлі. NASA: як розсіювання залежить від довжини хвилі.

На схемі порівняй дві умови окремо: чи є молекули, здатні спрямувати світло до ока, і чи освітлює їх Сонце. Ідеальний вакуум допомагає подумки прибрати першу умову, земна ніч — другу.

Довший шлях — червоніший захід

Тепер змінимо геометрію. Коли Сонце високо, його світло проходить до поверхні порівняно короткий шлях крізь атмосферу. Біля горизонту промінь іде навскіс і проходить значно більше повітря. Не тому, що атмосфера ввечері раптом потовщала: змінився напрямок променя.

Уздовж довгого шляху короткі хвилі сильніше вибувають із прямого пучка через розсіювання. У світлі, що продовжує йти від Сонця, зростає частка довших хвиль. Тому низьке Сонце й освітлені ним хмари можуть виглядати помаранчевими чи червоними. Це той самий механізм, що дає блакитний день, але тепер ми стежимо за світлом, яке залишилося у прямому напрямку. NASA Earth Observatory: довгий шлях світла на заході.

Червоний захід не означає, що все небо одночасно мусить стати червоним. У різних напрямках бачимо світло з різними шляхами; хмари, пил і серпанок змінюють картину. Точний відтінок конкретного вечора це коротке пояснення не передбачає.

Хмари теж показують межу молекулярного правила. Їхні краплі значно більші за молекули й розсіюють видимі кольори менш вибірково. Освітлена білим світлом хмара може здаватися білою; її товста нижня частина — сірою, бо до неї доходить менше світла. NOAA: кольори хмар.

Уночі зникає підсвічування, повітря залишається

Коли місце спостереження опиняється на нічному боці Землі, планета перекриває пряме сонячне світло. Молекули над нами залишаються, але джерело яскравого денного фону вже не освітлює їх так, як удень. Розсіювання не «вимикається»: змінюється освітлення. NASA StarChild: день, ніч і темний космос.

Одразу після заходу ще світло. Сонця з поверхні не видно, а частина атмосфери вище лишається освітленою й розсіює його світло до нас. Це сутінки. У міру занурення Сонця під горизонт денне підсвічування слабшає. NWS: що таке сутінки.

Нічне небо при цьому не абсолютно чорне. Повітря розсіює місячне світло й світло міських ліхтарів. Є й слабке власне світіння верхньої атмосфери — airglow: атоми та молекули віддають енергію, отриману від сонячного випромінювання. NASA про природне світіння атмосфери. «Чорне» в назві — наш звичний опис темного тла, а не твердження про цілковиту відсутність світла.

Чому всі зорі не замінюють денне світло?

Земна тінь пояснила, куди подівся сонячний фон. Але зорі продовжують світити. Чому між ними лишаються темні проміжки?

Відповідь «вони далеко» здається достатньою, доки не поставити ще одне запитання: а скільки їх на дедалі більших відстанях? Уявімо спрощений Всесвіт: нескінченний, незмінний, рівномірно заповнений зорями, які світили завжди. Далекі зорі тьмяніші, зате в кожному дальшому шарі простору їх більше. У такій моделі віддаленість сама по собі не рятує від яскравого суцільного неба. Суперечність між цим очікуванням і темною ніччю називають парадоксом Ольберса. Penn State: пояснення зоряної моделі.

Реальний Всесвіт не має нескінченної незмінної історії зоряного світіння. Зорі виникли в певний період, а світлу потрібен час, щоб дістатися до нас. Тому не можна додавати внесок нескінченної низки зір, які нібито світили вічно. Саме обмежений час поширення світла в еволюціонуючому Всесвіті усуває це очікування. Це не означає, що ми побачили просторовий край Всесвіту. Penn State: розв’язання питання Ольберса.

До того ж Всесвіт розширюється: довжини хвиль далекого світла зростають, а його внесок у видимий фон слабшає. Частина випромінювання переходить за межі діапазону нашого ока. NASA StarChild про подовження хвиль. Темна ніч узгоджується з цією картиною; сама по собі вона не вимірює вік Всесвіту й не доводить усіх деталей його історії.

Три умови, які варто розрізняти

Для блакитного дня потрібні сонячне світло, молекули повітря та шлях розсіяного світла до ока. На довгому шляху біля заходу пряме світло втрачає більше коротких хвиль і червоніє. Після сутінків Земля затіняє повітря над нічним боком, тож яскравий денний фон згасає. А зорі не створюють суцільного яскравого тла, бо їхнє світіння має скінченну історію в мінливому Всесвіті.

Спробуй передбачити: якби ми подумки прибрали повітря, але залишили освітлення Сонцем, чи став би день ніччю? Небесне тло потемніло б, проте поверхня й предмети лишилися б освітленими. Ми прибрали розсіювач, а не джерело світла — саме це розділяє земний і місячний день.

Для власного спостереження дочекайся, коли Сонце вже повністю сховається за горизонт, і простеж, як згасає небо над головою. Прогноз: темрява настає поступово, бо освітлена верхня атмосфера ще дає сутінкове світло. Порівнюй вечори з різною хмарністю; не спрямовуй погляд чи оптичні прилади на Сонце.

Повернутися до будови повітряної оболонки можна у статті «Що таке космос і де він починається?». Наступне питання курсу — що саме відкривається нашому погляду, коли яскравий денний фон зникає.