Закаты разных планет: как свет и атмосфера создают цвет неба

XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Закаты разных планет: как свет и атмосфера создают цвет неба

Волегов О.Д. 1
1АНО Лицей «Ганзейская ладья»
Абышкина Е.Г. 1
1АНО Лицей «Ганзейская ладья»
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Однажды вечером, глядя на закат, я задумался. Солнце медленно опускалось за горизонт, его диск становился всё больше и краснее, а небо вокруг переливалось от золотистого к багряному. Почему это происходит? Я знал, что днём небо голубое, а к вечеру оно вдруг меняет цвет. И тут возник другой вопрос: если бы я находился не на Земле, а на другой планете, каким был бы там закат? В книгах и фильмах про космос часто показывают красное небо Марса. Значит, на Марсе закат выглядит иначе. Моя гипотеза заключалась в том, что цвет заката напрямую зависит от того, из чего состоит воздух, окружающий планету. Чем больше в атмосфере частиц пыли, газа или капелек воды, тем сильнее они меняют цвет солнечного света. Чтобы проверить это, я решил провести собственное исследование и с помощью простых опытов «увидеть» закаты разных планет.

1. Что такое свет и почему мы видим цвет?

Свет — это то, без чего мир вокруг нас погрузился бы во тьму. Но что такое свет с точки зрения науки? В книге «Квантовая физика» Каида-Сала Феррона Шеддада говорится о том, что свет может преломляться и рассеиваться. Оказывается, белый солнечный свет, который мы видим каждый день, совсем не простой. Он состоит из множества частиц и одновременно разноцветных лучей, словно радуга: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. «Если обычный свет — это хаотичная «толпа», то лазер — это идеальный «военный парад»», — такое сравнение я нашёл в одной из книг по физике Я.И. Перельмана.

Когда луч света встречает на своём пути преграду — будь то молекулы воздуха, капли воды или пылинки, — происходит удивительное явление. Короткие волны (к ним относятся синий и фиолетовый цвета) рассеиваются сильнее других, как маленькие мячики, отскакивающие от стен. А длинные волны (красный и оранжевый цвета) проходят дальше, почти не отклоняясь от пути. Это открытие, которое носит название рэлеевское рассеяние, объясняет практически все цветовые чудеса нашей планеты. Как пишет Яков Перельман в книге «Физика на каждом шагу», если посмотреть на источник света через толстый слой воды или плотного воздуха, можно заметить, как его цвет постепенно меняется от белого к красному или жёлтому. Именно из-за того, что синие волны рассеиваются во все стороны и приходят к нам отовсюду, мы видим небо голубым.

2. Как рождается закат на Земле?

Днём Солнце находится высоко над головой. Его лучам нужно пройти через атмосферу по самому короткому пути. За это время успевает рассеяться лишь небольшая часть света, и мы видим ясное голубое небо. Но на закате всё меняется. Солнце опускается к линии горизонта, и его свет начинает скользить по поверхности Земли. Теперь лучи проходят через атмосферу не по вертикали вниз, а по длинной наклонной, словно по касательной. Путь света становится во много раз длиннее. Чем длиннее путь, тем больше синих волн успевает «застрять» и рассеяться в слоях воздуха. К тому моменту, когда луч достигает наших глаз, почти весь синий и голубой спектр уже исчезает. Остаются только самые длинные и стойкие волны — красные, оранжевые и жёлтые. Закат — это явление, которое каждый видел хоть раз в жизни и которое сразу понятно: солнце краснеет у горизонта. Но за этой красотой стоит интересный физический процесс — рэлеевское рассеяние света в среде. Свет как бы ударяется о молекулы воздуха и разлетается в разные стороны.

Учёные, изучающие другие миры, используют этот же принцип. Например, в статье о планете HD 189733 b говорится, что, наблюдая за тем, как меняется размер планеты при наблюдении в синем и красном свете, можно понять, из чего состоит её атмосфера. Если планета кажется больше в синем свете, это значит, что её атмосфера сильно рассеивает короткие волны, как наша Земля. Именно это увеличение соответствует модели увеличение свечения нашей планеты. То есть рэлеевское рассеивание будет похоже, а значит и на HD можно любоваться прекрасными закатами, похожими на земные.

3. Эксперимент: закаты на других планетах

Чтобы своими глазами увидеть, как свет ведёт себя в разных средах, я решил создать модели атмосфер. Вместо километров воздуха у меня был обычная стеклянная банка с водой, а вместо Солнца — яркий светодиодный фонарик (полного света, этот оказалось очень важным). Добавляя в воду разные вещества, я менял её оптические свойства, как если бы я менял состав атмосферы планеты.

3.1. Модель атмосферы Земли

Для начала я взял стакан чистой воды. Свет фонарика проходил сквозь неё почти без изменений. Но в настоящей атмосфере всегда есть мельчайшие частицы — пыль, водяной пар, дым. Чтобы это изобразить, я добавил в стакан половину чайной ложки молока. Жидкость стала слегка мутной. Когда я посветил фонариком, луч внутри стакана стал голубоватым, а на выходе из воды я увидел оранжево-красный свет. «Вода — модель дневного неба, она рассеивает синий цвет. Если посветить сверху, видна синева по бокам», — записал я в своих наблюдениях. А если смотреть на фонарик через длину всего стакана, луч становится красным. Это точная модель эффекта Рэлея: длина пути света определяет его цвет. Всё получилось точно так же, как на настоящей Земле.

3.2. Меркурий — мир без воздуха

Меркурий — самая маленькая и самая близкая к Солнцу планета. Из-за своей близости к Солнцу и слабой гравитации он почти не удерживает атмосферу. «Меркурий — самая быстрая планета Солнечной системы, он движется вокруг Солнца почти в два раза быстрее Земли, но атмосферы у него практически нет», — пишут в справочных материалах. Чтобы увидеть, как выглядит Солнце с поверхности Меркурия, я просто посветил фонариком в пустой стакан. На чёрном фоне я увидел яркий белый свет без всякого ореола. Это значит, что на Меркурии небо всегда чёрное, а Солнце на закате просто тускнеет и исчезает за горизонтом, не окрашивая небо в другие цвета.

3.3. Венера — жёлтая пелена

Атмосфера Венеры — это одна из самых плотных и пугающих (ее часто сравнивают в видео с настоящим адом) сред в Солнечной системе. Она состоит в основном из углекислого газа, а в её облаках плавают капельки серной кислоты. Учёные Д. Коффин, изучая рассеяние света на Венере, отмечал, что «облачные слои Венеры имеют такие свойства рассеяния, которые делают небо желтоватым». Я решил повторить этот эффект. Я смешал воду и глицерин в пропорции один к двум. Жидкость стала вязкой и очень плотной для света. Затем я добавил туда микроскопическую каплю жёлтого пищевого красителя, но не размешал до конца. В стакане остались жёлтые «языки» разной плотности. Когда я посветил фонариком сбоку, луч не пошёл прямо. Из-за разной плотности среды он искривился, и я увидел красивые зелёные и оранжевые всполохи. А если смотреть сквозь стакан на фонарик, его свет стал лимонно-жёлтым — точь-в-точь «зеленый луч» Венеры, о котором пишут в научных статьях.

3.4. Марс — красная планета

Марс называют Красной планетой из-за огромного количества оксида железа (ржавчины) в его почве. Ветры поднимают эту красную пыль в атмосферу, и она висит там годами. Эта пыль отлично рассеивает свет. Для опыта я использовал раствор коллоидного серебра, который продаётся в аптеке. Эта жидкость выглядит прозрачной, но на самом деле в ней взвешены мельчайшие частички металла. Когда я направил луч фонарика в стакан с этим раствором, внутри стакана появился яркий светящийся след. «Самый чистый и показательный эффект. Раствор выглядит прозрачным, но луч фонарика оставит в нем яркий светящийся след (конус Тиндаля). Сбоку этот след будет голубоватым, а сам проходящий луч — с красноватым оттенком», — записал я. Так и есть: синий цвет рассеялся в стороны, а до противоположной стенки стакана дошёл только красный свет.

3.5. Уран — загадка метана

Уран — это планета-гигант, которая имеет необычный голубовато-зелёный цвет. Всё дело в том, что в его верхних слоях атмосферы содержится метан. Метан действует как светофильтр: он поглощает красные лучи и пропускает синие и зелёные. «Химики смоделировали атмосферу Венеры в лабораторной камере, добавив электрический разряд для имитации молний, и наблюдали каскад сернистых радикалов, поглощающих ультрафиолет. Эксперимент ученика с разными жидкостями — это та же логика: взять среду, пропустить через неё свет, посмотреть, что изменится», — пишут в обзорах современных открытий. Я тоже мечтаю однажды смоделировать настоящую атмосферу, но уже урана. Для моего опыта я использовал медный купорос, который продаётся в садовых магазинах. Его раствор в воде имеет яркий голубой цвет. Когда я посветил фонариком через стакан с купоросом, белый свет на выходе стал зеленовато-голубым. «Закат на такой планете был бы почти того же цвета, что и дневное небо, но с чуть более зеленый», — сделал я вывод.

4. Оптоволокно и свет — от воды до интернета

Мои опыты показали, что вода может не только рассеивать свет, но и управлять им. Ещё в XIX веке учёный Джон Тиндалл продемонстрировал удивительный опыт: он направил луч света в струю воды, и свет пошёл вместе с водой, отражаясь от её стенок, даже когда струя изгибалась. «Он показал сам физический принцип — полное внутреннее отражение, который позже лёг в основу работы оптоволоконных световодов», — говорится в исторической справке. Позже, в 1950-х годах, учёный Нариндер Сингх Капани ввёл сам термин «оптическое волокно», а инженеры компании Corning в 1970 году создали первое оптоволокно, пригодное для передачи сигналов на большие расстояния. Сегодня по таким кабелям передаётся весь интернет. «Если обычный свет — это хаотичная “толпа”, то лазер — это идеальный “военный парад”», — ещё раз вспомнил я это сравнение. Свет в оптоволокне идёт строго по заданному пути, почти не теряя силы. Мои опыты с водой помогли мне понять, как учёные научились использовать свет для передачи информации, и что тема изучения света может подарить миру еще много изобретений.

Заключение

Я провёл исследование и убедился, что моя гипотеза была верной. Цвет заката на любой планете определяется составом её атмосферы. Чем больше в атмосфере частиц, способных рассеивать свет, тем краснее или желтее будет закат. На Земле мы видим красные закаты из-за пыли и водяного пара, на Марсе — из-за рыжей пыли, на Венере — из-за плотных облаков серной кислоты, а на Уране — из-за метана. То, что мы называем закатом, — это не просто красивое зрелище. Это настоящий «портрет» атмосферы, который можно прочитать, если знать законы физики. «Когда свет проходит через среду с разной плотностью и составом, он преломляется и рассеивается неравномерно», — именно это я и проверил в своих опытах. Астрономия и физика — удивительные науки, они помогают нам понимать мир вокруг нас и даже заглядывать на другие планеты, не покидая своей комнаты. Теперь я знаю, что каждый раз, глядя на закат, я вижу не просто солнце, а целую историю света, прошедшего через тысячи километров земного воздуха.

Список литературы

  1. Перельман Я.И. Физика на каждом шагу. — М.: АСТ, 2021. — 256 с.

  2. Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. Беседы о преломлении света. — М.: URSS, 2020. — 280 с.

  3. Coffeen D.L. Polarization and scattering characteristics in the atmospheres of earth, Venus, and Jupiter // Journal of the Optical Society of America. — 1979. — Vol. 69. — P. 1051–1064.

  4. Jaiswal B., Robinson T.D. Scattering transparency of clouds in exoplanet transit spectra // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 2023. — Vol. 523, № 2. — P. 2809–2817.

  5. Бекесов Е.В. Характеристики экзопланет в транзитных системах HD 189733 и HD 209458 // Астрономический журнал. — 2025. — Т. 102, № 9. — С. 810–820.

  6. Рачлис Х. Физика в ванне. — М.: Наука, 1986. — 96 с. — (Библиотечка «Квант», вып. 51).

  7. Леоник О.Ю. Большая энциклопедия юного изобретателя. — М.: АСТ, 2016. — 224 с. — (Серия «Знай и умей»).

  8. Шеддад К.-С.Ф. Квантовая физика. — М.: Аванта, 2019. — 64 с. — (Серия «Первые книжки о науке»).

  9. Алтарриба Э., Хирн Й. Как всё работает. — М.: Аванта, 2020. — 50 с. — (Серия «Первые книжки о науке»).

  10. Серия «Первые книжки о науке»: Химия; Космос. — М.: Аванта, 2019–2021.

  11. Альтшулер С.В. Наука в загадках и отгадках. — М.: АСТ; Аванта, 2017. — 224 с. — (Серия «Простая наука для детей»).

  12. Ткаченко А. Летающие звёзды. — М.: Издательский дом «Фома», 2014. — 22 с.

  13. Малютин А. Макромир. Вселенная. — 2-е изд. — Ростов н/Д: Феникс, 2023. — 112 с. — (Серия «Просто о науке. Самая умная энциклопедия»).

  14. Мультсериал «Пин-Код». — Режим доступа: https://www.ivi.ru/watch/pin_kod.

  15. Скотт З. Вселенная. Краткая история космоса: от Солнечной системы до тёмной материи. — М.: КоЛибри, 2025. — 240 с.

Просмотров работы: 0