Тайна зимнего неба: куда девается привычная синева?
Вы наверняка замечали этот разительный контраст. Летом выходишь на улицу – над головой простирается глубокая, насыщенная синева, куда ни посмотри. Зимой же, особенно в ясный морозный день, смотришь вверх и видишь нечто совсем иное: небо словно выцвело, став бледно-голубым, молочно-белесым, а иногда и вовсе сливаясь с белой землёй в одно размытое светлое полотно. Возникает стойкое ощущение, будто кто-то взял и разбавил краску водой.
В этой статье:
- Король и его свита: рэлеевское рассеяние и почему летом оно в авторитете
- Зимние конкуренты: водяной пар, ледяная пыль и закон Ми
- Гигантское зеркало у ваших ног: роль снежного покрова
- А что там с высотой? Зимняя стратификация атмосферы
- Белая ночь? Не совсем, но светлее
И ведь Солнце-то одно и то же! И атмосфера та же. Так почему же её «окрас» так радикально меняется с приходом холодов? Оказывается, за этим простым бытовым наблюдением скрывается целая цепочка удивительных физических и оптических процессов, в которых замешаны и крошечные ледяные иглы, и толща снега, и само строение зимнего воздуха. Давайте вместе разберем этот феномен, и вы больше никогда не будете смотреть на зимний небосвод как на что-то само собой разумеющееся.
Король и его свита: рэлеевское рассеяние и почему летом оно в авторитете
Чтобы понять, что происходит зимой, нужно вспомнить, почему небо вообще голубое. Виновник этого торжества – явление, носящее имя британского физика лорда Рэлея. Суть его в том, что молекулы газов, из которых состоит наша атмосфера (азот, кислород), прекрасно рассеивают солнечный свет. Но делают они это нечестно: коротковолновую часть спектра (синие и голубые лучи) они «разбрасывают» в стороны в 16 раз эффективнее, чем длинноволновую (красные и желтые).
Представьте Солнце в зените. Его прямой луч падает на вас, но по пути через атмосферу синие фотоны постоянно «сбиваются с пути», отклоняясь молекулами. В результате со всех сторон на вас обрушивается этот рассеянный синий свет – вот вам и голубой купол. Сам же солнечный диск, лишившись части синего спектра, кажется нам желтоватым.
Летом этот механизм работает на полную катушку. Воздух, как правило, суше, в нём меньше крупных посторонних частиц, которые могли бы вмешаться в эту изящную игру. Рэлей – безусловный король, диктующий правила. Но с наступлением холодов у него появляется мощная конкуренция.
Зимние конкуренты: водяной пар, ледяная пыль и закон Ми
А вот теперь ключевой момент, объясняющий почему зимой небо белое. В холодном воздухе способность удерживать влагу резко падает. Но влага никуда не девается – она переходит в другое агрегатное состояние. В морозную погоду, особенно после оттепели или вблизи незамерзающих водоёмов, воздух насыщен мельчайшими кристалликами льда – так называемой ледяной или снежной пылью. Это не снежинки, а крошечные шестигранные призмы и иголки, невидимые глазу, но висящие в воздухе целыми скоплениями.
И вот эти-то ледяные кристаллы – главные «нарушители спокойствия» зимней атмосферы. Они подчиняются уже не закону Рэлея, а закону рассеяния Ми, который работает для частиц, размеры которых сравнимы с длиной световой волны или больше её.
Частицы Ми (а ледяные кристаллы – их типичный представитель) рассеивают свет принципиально иначе. Они не имеют выраженного «цветового предпочтения» и одинаково эффективно разбрасывают во все стороны все длины волн – и синие, и красные, и зелёные. Смесь всех цветов радуги даёт в результате белый цвет. Это тот же самый принцип, по которому мы видим белыми облака (состоящие из капель воды) или молоко.
Таким образом, зимой на нас работает не один, а два мощных «прожектора»: рэлеевский, дающий голубизну, и миевский от ледяной взвеси, дающий белизну. Их свет смешивается, и мы получаем тот самый блеклый, белесый, размытый оттенок неба. Чем выше влажность и концентрация ледяных частиц, тем белее будет небо, вплоть до полного слияния с горизонтом в сплошную белую пелену.
Гигантское зеркало у ваших ног: роль снежного покрова
Но и это ещё не все. Есть второй, не менее важный актёр в этой зимней оптической драме – снег. Свежевыпавший снег обладает колоссальным альбедо (коэффициентом отражения) – до 80-90%. Для сравнения: зелёный луг отражает лишь около 20% света, а асфальт – и вовсе 5-10%.
Что это значит на практике? Представьте, что вместо тёмной, поглощающей свет земли у вас под ногами расстелено гигантское, слегка шероховатое зеркало. Солнечный свет, падающий на него, не поглощается, а в огромном количестве отражается обратно в атмосферу.
И здесь происходит критически важная вещь:
- Это отражённый свет уже прошёл через атмосферу дважды (вниз и вверх). За время своего путешествия он ещё сильнее «обеднел» на синие лучи из-за рэлеевского рассеяния и «обогатился» рассеянным светом от ледяных кристаллов.
- Попадая снизу в слой, где витает ледяная пыль, он снова и снова переотражается и рассеивается, создавая мощную общую засветку.
Итог – нижние слои атмосферы наполняются мощным, диффузным белым светом. Он «забивает» собой чистую синеву рэлеевского рассеяния, делая цвет неба не просто бледным, а как будто подсвеченным изнутри. Это тот самый эффект, когда в сильный мороз в солнечный день не видно чёткой границы между небом и заснеженной равниной – всё сливается в ослепительную белую бесконечность.
А что там с высотой? Зимняя стратификация атмосферы
Зимой меняется не только состав приземного слоя, но и поведение всей атмосферы. Часто устанавливается стабильный антициклональный режим с инверсиями температуры (когда с высотой воздух не холоднее, а теплее). В таких условиях вертикальный обмен ослабевает, пыль, аэрозоли и влага не уносятся вверх, а застаиваются в приземном слое.
Это создаёт своеобразный «бутерброд»:
- У самой земли – слой, максимально насыщенный ледяной взвесью, испарениями, иногда техногенными аэрозолями.
- Выше – более чистый и холодный воздух.
Солнечный свет, проходя сверху вниз, сначала даёт относительно чистую голубизну в верхних ярусах (это особенно хорошо видно в горах зимой). Но затем, пробиваясь сквозь плотный, «мутноватый» приземный слой, он подвергается сильному миевскому рассеянию и ослаблению. Вот почему зимнее солнце часто выглядит как бледно-жёлтый, почти белый диск, лишённый своей летней яркости и теплоты оттенка, а небо у горизонта кажется значительно светлее, чем в зените.
Белая ночь? Не совсем, но светлее
Часто в вопросах фигурирует и тема светлых зимних ночей. Здесь механизм иной, но также напрямую связан с нашими «зимними» факторами.
В безоблачную зимнюю ночь главный источник света – Луна. Свет Луны – это отражённый солнечный. Попадая на:
- Снежный покров (то самое гигантское зеркало), он мощно отражается, освещая всё вокруг. Без снега ночь в ту же лунную фазу будет значительно темнее.
- Ледяные кристаллы в воздухе, он рассеивается, создавая свечение самой атмосферы (явление ночного свечения, усиленное зимними аэрозолями).
- Облака, если они есть, он отражается от их нижней стороны, создавая эффект «светового купола» над городом или местностью. Чем ниже облака, тем ярче эта подсветка.
Поэтому в морозную лунную ночь при снежном покрове действительно можно передвигаться почти без искусственного света – видимость поразительная. Виной всему – комплексное отражение и рассеяние от снега и льда.
Итак, в следующий раз, выходя на улицу морозным днем, вы будете знать, что смотрите не на «выцветшее» небо, а на сложнейший оптический прибор, созданный природой. Бледно-голубая или молочно-белая пелена над головой – это результат тонкого баланса между голубым рэлеевским рассеянием, белым миевским рассеянием на мириадах ледяных игл и мощнейшей подсветкой от снежного одеяла земли. Это не отсутствие цвета, а его сложнейшая смесь, уникальная подпись самого холодного времени года. Настоящее зимнее чудо, объяснимое законами физики.