Днём небо голубое, потому что воздух раскидывает солнечный свет неравномерно. Короткие синие волны отлетают в стороны и заполняют всё небо, а красные длиннее и идут почти прямо. Поэтому само Солнце остаётся ярким, а небо вокруг синеет.

Солнце светит белым. В этом белом уже лежат красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Цвета идут одним пучком, поэтому глаз видит их вместе и называет результат белым.

Развести пучок можно стеклянной призмой. Узкий луч входит в стекло и выходит полосой, цвет за цветом. Волна каждого цвета чуть иначе меняет направление на границе стекла, и они расходятся. Радуга в солнечном свете есть и без призмы. Призма только показывает её по частям.

Голубым небо становится позже, уже в воздухе. Само Солнце при этом белое. Жёлтым или красным диск становится у горизонта, когда часть луча по дороге потерялась.

Воздух легко принять за пустоту. При обычном давлении у земли в одном кубическом сантиметре его около 25 миллиардов миллиардов молекул. Почти четыре пятых этого числа — азот, около одной пятой — кислород. Молекула гораздо меньше длины световой волны, но волна всё равно на неё наталкивается.

Свет идёт волной. Когда волна встречает молекулу, часть света отскакивает в сторону: это и называют рассеянием. Чем короче волна, тем сильнее рассеяние, поэтому синий и фиолетовый разлетаются сильнее красного. Фиолетовый свет, около 400 нанометров, рассеивается почти в десять раз сильнее красного, около 700 нанометров. Нанометр — миллионная доля миллиметра.

Разница нарастает очень быстро. Сила рассеяния связана с длиной волны в четвёртой степени. Если волна становится вдвое короче, в сторону уходит в шестнадцать раз больше света. Синий и красный выходят из одного Солнца, но синий рассеивается гораздо сильнее.

Пока луч опускается к земле, синяя часть понемногу покидает прямой путь и разлетается во все стороны. Днём в глаз почти отовсюду приходит именно этот боковой свет, и небо получается голубым. В ясный день тень на белой стене отливает синим: прямой луч в это место не попадает, и стену там освещает само небо. В прямом луче цвета по-прежнему вместе, и солнечный диск ослепительно яркий. Смотреть на него нельзя: такой яркости хватает, чтобы повредить глаз.

Фиолетовый рассеивается даже сильнее синего. В солнечном свете его меньше, чем синего и зелёного: к короткому краю спектр Солнца слабеет. Глаз лучше всего видит жёлто-зелёный, синий различает уверенно, а фиолетовый почти не замечает, поэтому небо и выходит голубым. Прямо над головой оно глубже: туда попадает свет, рассеянный один раз, без долгого перемешивания.

У горизонта небо светлее, иногда почти белое. Взгляд идёт сквозь толстый косой слой. Свет рассеивается много раз подряд, цвета смешиваются, и чистая голубизна бледнеет. В горах над головой меньше воздуха, и небо темнее. После дождя пыль прибита к земле, крупных мутных частиц мало, и синева становится гуще. В жаркий городской день пыль и водяная взвесь добавляют частицы покрупнее. Они рассеивают все цвета примерно одинаково, и небо выцветает, хотя Солнце то же самое.

В полдень луч проходит воздух сверху вниз, коротким путём. К закату Солнце опускается к краю неба, и свет скользит почти вдоль земли. Толща, которую ему нужно пройти, вырастает во много раз. Синий на этом пути рассеивается рано. Он уходит в стороны, туда, где у других людей день ещё высокий. До того, кто смотрит на закат, добираются красный и оранжевый.

Низ неба теплеет, а верх часто остаётся синим. Туда свет пришёл более короткой дорогой, и синего в нём ещё много. В одном вечере видно сразу две толщины воздуха: длинную у горизонта и короткую над головой.

Капля воды в облаке намного крупнее молекулы и крупнее длины световой волны. Такая капля рассеивает красный, зелёный и синий примерно одинаково. Цвета снова складываются в белый, и облако светится белым с солнечной стороны. Когда туча становится очень толстой, до её нижнего края свет почти не доходит. Снизу она серая, иногда синеватая.

Дальняя гора синеет, хотя камень у неё серый, а лес зелёный. Между глазом и склоном лежит слой воздуха, и он подмешивает тот же рассеянный синий. Чем дальше хребет, тем толще прослойка и тем синее силуэт. Живописцы называют это воздушной перспективой. Перед вами то же небо: тонкий слой воздуха между двумя точками на земле.

У моря цвет собирается из двух источников. Поверхность отражает небо. Сама вода сильнее поглощает красный и глубже пропускает синий. На мелком месте дно близко, песок просвечивает, и вода кажется светлой. На глубине красный уже поглощён, и остаётся синий даже в пасмурный день.

Там, где молекул нет, рассеивать свет не на чем. В космосе темно при сияющем Солнце. Луч летит прямо и попадает в глаз, только если смотреть на само Солнце или на звезду. Чёрный фон здесь и есть пустота.

Голубизна Земли собрана в тонкой оболочке. Почти весь воздух лежит в слое толщиной в несколько десятков километров. Радиус планеты около 6400 километров, так что рядом с ним этот слой очень тонкий: тоньше кожуры, если Землю уменьшить до яблока. С орбиты виден чёрный космос и узкая синяя кромка по краю планеты. Всё голубое небо, которое мы видим снизу, помещается в эту кромку.

На Луне оболочки почти нет. При высоком Солнце над головой чернота, тени резкие и тёмные. Подсветить их боковым светом там нечему.

На Марсе в воздухе много пыли, и пылинки крупнее молекул земного воздуха. Днём небо там рыжее, пыльного цвета. На закате роли цветов меняются. Мелкая пыль отправляет синий вперёд, вдоль луча, к тому, кто смотрит на Солнце, а красный уводит в стороны. Вокруг садящегося Солнца вспыхивает голубое сияние. Камеры марсоходов снимали его много раз.

Уран и Нептун тоже голубые. Метан в их воздухе поглощает красный свет, и снаружи остаются синий и бирюзовый. Свой синий добавляет и рассеяние на молекулах.

После сильного извержения земные закаты разгораются ярче обычного. Пепел и мельчайшие капли неделями и месяцами держатся высоко, и рассеяние усиливается. После взрыва вулкана Кракатау в 1883 году необычно красные вечера видели в разных странах, далеко от места взрыва.

Пчёлы ориентируются по этому же небу, даже когда Солнце закрыто облаком. Свет, рассеянный в стороне от Солнца, поляризован: его волны колеблются более согласованно. Человек видит в той стороне просто густой синий. Пчела различает направление колебаний и держит по нему курс. Поляризационные очки показывают слабый след того же явления. Если смотреть сквозь них на ясное небо и слегка повернуть голову, один участок неба темнеет сильнее другого.

В 1869 году Джон Тиндаль показал на опыте, что мелкие частицы в прозрачной среде рассеивают синий сильнее красного. В 1871 году Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей, рассчитал рассеяние на молекулах воздуха и получил четвёртую степень длины волны. Цвет неба с тех пор считают по размеру молекулы и по тому, какие цвета есть в солнечном луче.

То же самое видно в стакане. В воду капают несколько капель молока, и капельки жира дают слабую муть. Фонарик сбоку окрашивает её в голубой: в глаз приходит рассеянный короткий свет. Если смотреть сквозь стакан вдоль луча, свет уже тёплый, жёлтый или рыжеватый, потому что синий ушёл в стороны, как на закате. Над головой происходит то же самое, только вместо молока там азот и кислород, а слой тянется на километры.

Вечером можно выйти к закату и спросить, куда делся синий. Он рассеялся, пока луч шёл вдоль земли. В журнале ДУМАЙ КИДС 6+ такие вопросы стоят на одном развороте: картинка и короткий опыт.

Сборник «Наука круче магии» можно скачать бесплатно: dumaikids.ru/pdf_kids_magic.

Подписка на ДУМАЙ КИДС 6+ — от 549 ₽ за номер.