Земное небо не просто голубое, и пристальный взгляд на ночную тьму показывает, почему

В ясный солнечный день посмотрите вверх, и вы увидите голубое небо. Но таков ли это истинный цвет неба? Или это единственный цвет неба?

Ответы немного сложны, но они касаются природы света, атомов и молекул и некоторых причудливых частей земной атмосферы. И большие лазеры тоже — для науки!

Голубое небо?

Итак, прежде всего: когда мы видим голубое небо в солнечный день, что мы видим? Мы видим синий азот или синий кислород? Простой ответ — нет. Вместо этого синий свет, который мы видим, является рассеянным солнечным светом.

Солнце излучает широкий спектр видимого света, который мы воспринимаем как белый, но он включает в себя все цвета радуги. Когда солнечный свет проходит через воздух, атомы и молекулы в атмосфере рассеивают синий свет во всех направлениях, гораздо сильнее, чем красный свет. Это называется рассеянием Рэлея и приводит к белому Солнцу и голубому небу в ясные дни.

На закате мы можем видеть, что этот эффект усиливается, потому что солнечному свету нужно пройти через больше воздуха, чтобы достичь нас. Когда Солнце находится близко к горизонту, почти весь синий свет рассеивается (или поглощается пылью), поэтому мы получаем красное Солнце с более синими цветами вокруг него.

Но если все, что мы видим, рассеянный солнечный свет, каков истинный цвет неба? Возможно, мы сможем получить ответ ночью.

Цвет темного неба

Если вы посмотрите на ночное небо, оно явно темное, но не идеально черное. Да, есть звезды, но само ночное небо светится. Это не световое загрязнение, а естественное свечение атмосферы.

Темной безлунной ночью в сельской местности, вдали от городских огней, вы можете увидеть силуэты деревьев и холмов на фоне неба.

Это свечение, называемое свечением воздуха, создается атомами и молекулами в атмосфере. В видимом свете кислород дает зеленый и красный свет, молекулы гидроксила (ОН) — красный свет, а натрий — болезненно-желтый. Азот, хотя его гораздо больше в воздухе, чем натрий, не вносит большого вклада в свечение воздуха.

Отчетливые цвета свечения воздуха являются результатом того, что атомы и молекулы выделяют определенное количество энергии (квантов) в виде свет. Например, на больших высотах ультрафиолетовый свет может расщеплять молекулы кислорода (O₂) на пары атомов кислорода, и когда эти атомы позже рекомбинируют в молекулы кислорода, они дают ярко выраженный зеленый свет.

Желтый свет, падающие звезды и четкие изображения

Атомы натрия составляют ничтожную долю нашей атмосферы, но они составляют большую часть свечения атмосферы и имеют очень необычное происхождение — падающие звезды.

Вы можете видеть падающие звезды любой ясной темной ночью, если вы готовы подождать. Это крошечные метеоры, образованные пылинками, нагревающимися и испаряющимися в верхних слоях атмосферы, когда они движутся со скоростью более 11 километров (7 миль) в секунду.

Когда падающие звезды вспыхивают в небе, примерно На высоте 100 километров они оставляют за собой след из атомов и молекул. Иногда вы можете увидеть падающие звезды с разными цветами в результате содержащихся в них атомов и молекул. Очень яркие падающие звезды могут даже оставлять видимые следы дыма. И среди этих атомов и молекул немного натрия.

Этот верхний слой атомов натрия на самом деле полезен для астрономов. Наша атмосфера находится в постоянном движении, она турбулентна и размывает изображения планет, звезд и галактик. Подумайте о мерцании, которое вы видите, когда смотрите на длинную дорогу летним днем.

Чтобы компенсировать турбулентность, астрономы делают быстрые снимки ярких звезд и измеряют, насколько искажены изображения звезд. Специальное деформируемое зеркало можно отрегулировать, чтобы устранить искажение, создавая изображения, которые могут быть более четкими, чем изображения космических телескопов. (Хотя космические телескопы по-прежнему имеют то преимущество, что не смотрят сквозь свечение воздуха.)

Этот метод, называемый «адаптивной оптикой», является мощным, но есть большая проблема. Не хватает естественных ярких звезд, чтобы адаптивная оптика работала по всему небу. Поэтому астрономы создают свои собственные искусственные звезды на ночном небе, называемые «лазерными направляющими звездами».

Эти атомы натрия находятся высоко над турбулентной атмосферой, и мы можем заставить их ярко светиться, направив на них мощный лазер. настроены на отчетливый желтый цвет натрия. Получившуюся искусственную звезду можно использовать для адаптивной оптики. Падающая звезда, которую вы видите ночью, помогает нам лучше видеть Вселенную.

Поэтому небо не голубое, по крайней мере, не всегда. Это тоже светящееся в темноте ночное небо, окрашенное смесью зеленого, желтого и красного цветов. Его цвета являются результатом рассеянного солнечного света, кислорода и натрия от падающих звезд. А с помощью физики и больших лазеров мы можем создавать искусственные желтые звезды, чтобы получать четкие изображения нашего космоса.

Майкл Дж. И. Браун, доцент астрономии, Университет Монаша, и Мэтью Кенворти, доцент астрономии, Лейденский университет

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.