Чому небо блакитне - і чи воно таким залишиться

Блакитне небо - одна з тих речей, які більшість із нас сприймає як належне. Але його колір міг різко змінюватися протягом історії Землі - і вчені кажуть, що він може змінитися знову.

За словами Фінна Берріджа, наукового співробітника Королівської обсерваторії у Гринвічі у Великій Британії, є два головні чинники, які роблять небо блакитним удень.

"Перший - це Сонце, - пояснює він. - Звичайне сонячне світло біле, тобто містить усі кольори веселки - червоні, жовті, зелені та сині".

Другий - це склад атмосфери. У небі є величезна кількість дрібних частинок, таких як азот, а також кисень і водяна пара, які розсіюють світло в усіх напрямках, каже Беррідж.

Синє світло має коротшу довжину хвилі, ніж більшість інших кольорів, і розсіюється сильніше, що робить небо синім.

Цей процес називається релеївським розсіюванням - на честь британського фізика, який розробив цю теорію у 1870-х роках.

Під час сходу і заходу Сонця світлу доводиться проходити крізь значно більший шар атмосфери, оскільки Сонце розташоване нижче над горизонтом.

Синє світло настільки розсіюється, що відхиляється від нас. Натомість до очей доходять червоні й помаранчеві відтінки, які розсіюються менше, і саме вони створюють красиві кольори неба.

Інші планети

Яскраво-блакитне небо Землі є унікальним у Сонячній системі, каже Беррідж.

Хоча вважають, що деякі планети, наприклад Юпітер, мають тьмяну блакитну верхню атмосферу, подібну до земної, вона значно менш насичена.

Через більшу відстань від Сонця Юпітер отримує лише близько 4% світла, яке ми маємо на Землі, "тому там немає такого сильного і красивого синього неба, як у нас", пояснює він.

На деяких планетах ситуація зовсім інша.

Марс має дуже розріджену атмосферу, тому релеївське розсіювання відбувається слабко. Натомість численні пилові частинки, які більші за молекули азоту та кисню в нашій атмосфері, розсіюють світло по-іншому.

Це називається мієвським розсіюванням і приводить до червоного або жовтуватого неба з синіми заходами Сонця.

Чи завжди небо було блакитним?

Блакитне небо, яке ми бачимо сьогодні, в довгій історії нашої планети з'явилося відносно недавно.

Хоча неможливо точно знати, який вигляд мало небо в минулому, вчені вважають, що його колір міг змінюватися залежно від складу атмосфери.

Коли Земля сформувалася приблизно 4,5 мільярда років тому, її поверхня була переважно розплавленою.

Мірою охолодження планети, згідно з однією з теорій, рання атмосфера складалася переважно з газів, що виділялися під час вулканічних вивержень і геологічної активності - таких як вуглекислий газ і азот, а також невелика кількість метану і майже повна відсутність кисню.

З часом на Землі з'явилося життя у вигляді давніх бактерій, які додали до атмосфери багато метану. Світло, що взаємодіяло з метаном, перетворювало його на складніші органічні сполуки, утворюючи помаранчевий серпанок у небі, подібний до смогу.

Великий перелом стався приблизно 2,4 мільярда років тому під час Великої кисневої події, коли ранні організми - ціанобактерії - почали використовувати фотосинтез, перетворюючи сонячне світло на енергію і виділяючи великі обсяги кисню.

Кисень поступово накопичувався в атмосфері, зрештою розвіявши метановий серпанок. Коли сформувалася сучасна атмосфера, небо набуло блакитного кольору.

Чи залишиться воно блакитним назавжди?

У короткостроковій перспективі блакитне небо нікуди не зникне. Хоча забруднення, лісові пожежі, вулканічні виверження та пилові бурі можуть тимчасово змінювати колір неба, ці ефекти нетривалі.

Після потужного виверження індонезійського вулкана Кракатау у 1883 році спостерігали вражаючі червоні заходи Сонця, а також навіть зелені заходи і сині Місяці. Це пов'язують із частинками сульфатів і попелу в атмосфері, які по-іншому розсіювали світло.

Докторка Клер Райдер, доцентка метеорології в University of Reading у Великій Британії, каже, що загальний ефект аерозолів - твердих або напівтвердих частинок у повітрі - залежить від їхнього розміру.

"Сильні кольорові ефекти, особливо під час заходу Сонця, виникають, коли частинки мають приблизно однаковий розмір", - пояснює вона, адже тоді вони підсилюють розсіювання однаково.

"Якщо ж розміри частинок різні, кожна з них взаємодіє з різними довжинами хвиль по-своєму, створюючи суміш кольорів", - каже вона.

Якщо це відбувається одночасно, може з'явитися білуватий або коричнюватий серпанок. Це іноді трапляється під час вивержень, пилових бур або сильного забруднення.

Райдер додає, що варто задуматися, як зміна клімату може вплинути на колір неба в майбутньому.

"З підвищенням температури в атмосфері буде більше водяної пари, - зазначає вона. - Це може сприяти тому, що аерозольні частинки поглинатимуть вологу, збільшуватимуться і сильніше розсіюватимуть світло, що створюватиме ефект білішого неба".

"З іншого боку, якщо викиди забруднювачів зменшаться, небо може стати більш блакитним".

Проте в астрономічних масштабах часу ці зміни не матимуть великого значення.

Мільярд років

Щоб колір неба змінився надовго, потрібні радикальні зміни складу атмосфери, каже Беррідж.

"Нічого такого не станеться найближчим часом, якщо тільки нам дуже не пощастить і в Землю не вріжеться гігантський метеорит, - припускає він. - Але це малоймовірно".

Він вважає, що у нас є щонайменше мільярд років, перш ніж небо перестане бути блакитним.

Мірою старіння Сонце поступово яскравішатиме. Приблизно через мільярд років воно випромінюватиме приблизно на 10% більше світла, ніж зараз, каже Беррідж.

"Це нагріє Землю, виведе вуглекислий газ з атмосфери і зрештою почне випаровувати наші океани", - пояснює він.

Можливо, це призведе до вивільнення великої кількості кисню, що навіть на короткий час зробить небо ще більш насичено блакитним.

Але коли цей кисень зникне, небо стане "білим, жовтуватим, дуже гарячим, із атмосферою, схожою на Венеру".

Ще далі в майбутньому - приблизно через п'ять мільярдів років - Сонце почне вичерпувати паливо і розшириться, перетворившись на червоного гіганта.

"Коли Земля завершить своє існування, зникне перший інгредієнт блакитного неба - синє світло Сонця", - каже Беррідж.

"Коли Сонце почне вмирати і розширюватися, стаючи величезною, дуже червоною зіркою, будь-яка атмосфера, яка ще залишиться на Землі, набуде глибокого червоного відтінку", - додає він.

"Життя вже не залишиться, щоб це побачити. Сподіваюся, люди на той час вирушать до зірок, щоб знайти нове блакитне небо", - каже Беррідж.