Подивіться вгору в ясний сонячний день, і ви побачите блакитне небо. Але чи це справжній колір неба? Або чи це єдиний його колір?
Відповіді трохи складні, але вони стосуються природи світла, атомів і молекул і деяких дивних частин земної атмосфери. А також великих лазерів – для науки!
Синє небо?
Отже, перш за все: що ми бачимо, коли ми споглядаємо блакитне небо в сонячний день? Ми бачимо блакитний азот чи блакитний кисень? Проста відповідь – ні. Натомість синє світло, яке ми бачимо, є розсіяним сонячним світлом.
Сонце створює широкий спектр видимого світла, яке ми бачимо білим, але воно включає всі кольори веселки. Коли сонячне світло проходить крізь повітря, атоми та молекули в атмосфері розсіюють синє світло в усіх напрямках набагато більше, ніж червоне. Це називається релеївським розсіюванням і призводить до білого сонця та блакитного неба в ясні дні.
На заході сонця ми бачимо цей ефект, оскільки сонячне світло має пройти через більше повітря, щоб досягти нас. Коли Сонце близько до горизонту, майже все синє світло розсіюється (або поглинається пилом), тому ми отримуємо червоне Сонце з синішими кольорами навколо нього.
Але якщо все, що ми бачимо, це розсіяне сонячне світло, який справжній колір неба? Можливо, ми зможемо отримати відповідь вночі.
Колір темного неба
Якщо ви подивіться на нічне небо, воно явно темне, але воно не ідеально чорне. Так, там є зірки, але саме нічне небо світиться. Це не світлове забруднення, а атмосфера, яка світиться природним чином.
Темної безмісячної ночі в сільській місцевості, далеко від міських вогнів, ви можете побачити силуети дерев і пагорбів на тлі неба.
Це світіння, яке називається повітряним сяйвом, створюється атомами та молекулами в атмосфері. У видимому світлі кисень створює зелене та червоне світло, молекули гідроксилу (OH) виробляють червоне світло, а натрій виробляє хворобливе жовте світло. Хоча азоту в повітрі набагато більше, ніж натрію, він не дуже сприяє світінню повітря.
Різні кольори свічення повітря є результатом вивільнення атомами та молекулами певної кількості енергії (квантів) у формі світла. Наприклад, на великій висоті ультрафіолетове світло може розщеплювати молекули кисню (O₂) на пари атомів кисню, і коли ці атоми пізніше рекомбінуються в молекули кисню, вони виробляють чітке зелене світло.
Жовте світло, падаючі зірки та чіткі зображення
Атоми натрію складають мізерну частку нашої атмосфери, але вони складають значну частину повітряного світіння та мають дуже незвичайне походження – падаючі зірки.
Ви можете побачити падаючі зірки будь-якої ясної темної ночі, якщо ви готові почекати. Це невеликі крихітні метеори, утворені крупинками пилу, які нагріваються та випаровуються у верхніх шарах атмосфери, коли вони рухаються зі швидкістю понад 11 кілометрів за секунду.
Коли падаючі зірки спалахують на небі на висоті приблизно 100 кілометрів, вони залишають за собою сліди атомів і молекул. Іноді ви можете побачити падаючі зірки з чіткими кольорами, що є результатом атомів і молекул, які вони містять. Дуже яскраві падаючі зірки можуть навіть залишати видимі сліди диму. І серед цих атомів і молекул є частинка натрію.
Цей високий шар атомів натрію насправді корисний астрономам. Наша атмосфера постійно рухається, вона турбулентна, і це розмиває зображення планет, зірок і галактик.
Щоб компенсувати турбулентність, астрономи роблять швидкі знімки яскравих зірок і вимірюють, наскільки спотворюються їх зображення. Спеціальне дзеркало, що деформується, можна відрегулювати, щоб усунути викривлення, створюючи зображення, які можуть бути чіткішими, ніж зображення космічних телескопів.
Ця техніка, яка називається «адаптивна оптика», є потужною. Але є велика проблема. Природних яскравих зірок недостатньо, щоб адаптивна оптика працювала на всьому небі. Тож астрономи створюють власні штучні зірки на нічному небі, які називаються «лазерними зірками».
Атоми натрію знаходяться високо над турбулентною атмосферою, і ми можемо змусити їх яскраво світитися, випустивши в них потужний лазер, налаштований на виразний жовтий колір натрію. Отриману штучну зірку потім можна використовувати для адаптивної оптики. Падаюча зірка, яку ви бачите вночі, допомагає нам краще бачити Всесвіт.
Отже, небо не блакитне, принаймні не завжди. Небо також світиться в темряві, забарвлене в суміш зеленого, жовтого та червоного. Його кольори є результатом розсіяного сонячного світла, кисню та натрію від падаючих зірок. А за допомогою трішки фізики та великих лазерів ми можемо створити штучні жовті зірки, щоб отримати чіткіші зображення нашого космосу.
Джерело – The Conversation