Диффузное излучение неба

Небо выглядит голубым по той причине, что воздух рассеивает свет с короткой длиной волны сильнее длинноволнового излучения света. Интенсивность рассеяния Рэлея, обусловленного флуктуациями количества молекул газов воздуха в объёмах, соизмеримых с длинами волн света, пропорционально ${\displaystyle 1/\lambda ^{4}}$, где ${\displaystyle \lambda }$ — длина волны, то есть фиолетовый участок видимого спектра рассеивается приблизительно в 16 раз интенсивнее красного. Так как излучение синего цвета имеет более короткую длину волны, в конце видимого спектра, он больше рассеивается в атмосфере, чем красный. Благодаря этому участок неба вне направления на Солнце имеет голубой цвет (но не фиолетовый, так как интенсивность излучения в солнечном спектре неравномерна и интенсивность в фиолетовом участке спектра в нём меньше, а также вследствие меньшей чувствительности глаза к фиолетовому цвету и большей к синему, который раздражает не только чувствительные к синему цвету колбочки в сетчатке, но и колбочки, чувствительные к красным и зелёным лучам).

Во время заката и рассвета прямой солнечный свет проходит по касательной к земной поверхности, так что путь, проходимый светом в атмосфере, становится намного больше, чем днём. Из-за этого бо́льшая часть синего и даже зелёного света рассеивается в стороны из прямого солнечного света, поэтому прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небо вблизи горизонта, окрашиваются в красные тона.

При другом составе атмосферы, например, на других планетах, цвет неба, в том числе и при закате светила, может быть другим. Например, цвет неба на Марсе красновато-розовый[1].

Рассеяние и поглощение — главные причины ослабления интенсивности света в атмосфере. Рассеяние меняется как функция от отношения диаметра рассеивающей частицы к длине волны света. Когда это отношение меньше 1/10, возникает рэлеевское рассеяние, при котором коэффициент рассеяния пропорционален ${\displaystyle 1/\lambda ^{4}}$. При бо́льших отношениях размера рассеивающих частиц к длине волны закон рассеивания изменяется согласно уравнению Гюстава Ми; когда же это отношение больше 10, с достаточной для практики точностью применимы законы геометрической оптики.

При пасмурной погоде бо́льшая часть прямого солнечного света до земли не доходит. То, что доходит, преломляют водяные капли, взвешенные в воздухе. Капель много, и каждая имеет свою форму и, следовательно, преломляет по-своему. То есть облака рассеивают свет от неба, и в результате до земли доходит белый свет. Если облака имеют большие размеры, то часть света поглощается, и цвет неба серый.

Излучение при рассеянии не очень меняется по спектральному составу: капли воды в облаках крупнее длины волны, поэтому весь видимый спектр (от красного до фиолетового) рассеивается примерно одинаково. По интенсивности излучение меняется (оценочно) от 1/6 интенсивности прямого солнечного света для относительно тонких облаков до 1/1000 для наиболее толстых грозовых облаков.

Так как при релеевском рассеянии рассеянный свет полностью или частично поляризован (в зависимости от угла рассеяния), на небесной полусфере существуют четыре точки, излучение из которых неполяризовано.

• Точка Араго (А), названная в честь открывателя, при отсутствии дымки и тумана расположена на 20° выше противосолнечной точки, а в туманном воздухе расположена выше. Поэтому по её положению определяют степень затуманенности атмосферы.
• Точка Бабинэ (Ba), открыта Бабинэ в 1840 г., расположена на 15°—20° выше Cолнца, но её трудно наблюдать из-за близости солнечного диска.
• Точка Брюстера (Br), открыта Брюстером в 1840 г., расположена на 15°—20° ниже Cолнца, но её трудно наблюдать из-за близости солнечного диска.
• Четвёртая точка (IV), открыта при наблюдении с высотных самолётов. Располагается на 20° ниже противосолнечной точки.

• 
  Синее небо с белыми облаками.
• 
  Закат. Красное небо вблизи солнца градиентно переходит в синее вдали от него.
• 
  Облачное небо. Синий цвет неба рассеивается на дымке, но не полностью. Отсюда голубоватый оттенок
• 
  Небо, затянутое серыми облаками.
• 
  Закат на Марсе.

• Воздушная перспектива
• Небо
• Атмосфера

• Why is the sky blue?
• Why is the sky blue?
• Why is the sky blue? Science made simple
• Blue Sky and Rayleigh Scattering