Очі кольору неба

Ріс. 1

Зазвичай фарбування предметів виникає таким чином. На них падає біле світло. Біле світло — це суміш різноманітних «чистих» кольорів. Кожен предмет якісь з них поглинає, а якісь відображає. Упало біле світло на аркуш дерева — відбилося тільки зелене, тому ми бачимо аркуш зеленим. Але так буває не завжди — наприклад, колір неба виникає інакше. Про це ми і поговоримо.

Почнемо з прикладу, який легко зробити вдома і з яким легко експериментувати.

Фото 1

Опустіть у банку з водою шматочок мила і потроху розчиняйте його, поки вода не стане каламутно-голубуватою. Колір буде добре помітний, якщо дивитися крізь пляшку на чорний фон (фото 1, а). Крім мильної води згодиться сильно розбавлене молоко.

Чим цікава мильна вода? При погляді збоку вона здається голубуватою. Але подивіться через пляшку на світло — рідина, ніби прозорий бурштин, пофарбується в помаранчеві відтінки (фото 1, б).

Така картина нагадує небо. Воно теж буває то блакитне днем, то червоне на світанку або заході сонця. Колір неба — це колір освітленого сонцем повітря (атмосфери), який ми бачимо на тлі чорного космосу. Повітря, звичайно, прозоріше нашого «неба в пляшці». Його колір стає помітним, тільки якщо дивитися крізь багатокілометрову товщу. При погляді на далекий ландшафт помітно, що з видаленням він стає синюватим, а потім все більш світлим і однотонним (див. рис. 1). Насправді, це не колір ландшафту (гори на малюнку покриті зеленим лісом), а колір повітря, крізь який ви дивитеся. При такій товщині його синюватий відтінок вже помітний.

Як же виходить, що і у пляшки, і у неба такий мінливий колір? Давайте розбиратися.

Прозоре крихітно білого кольору

Фото 2

Почнемо з мильної води. Мило в ній збирається в мікроскопічні кульки. У молоці теж є окремі часточки: крапельки жиру і білкові кульки, що плавають в іншому розчині. Може, забарвлення створюють ці частинки? У такому поясненні є проблема: якщо ми бачимо просто колір кульок, то як же вони одночасно дають і блакитне, і жовте забарвлення розчину?

Може, справа в тому, що кульок багато? Іноді кількість має значення: наприклад, окремі кристаліки цукру (фото 2) або сніжинки (фото 3) прозорі, але їх купа виглядає вже не прозорою, а білою. Чому? Коли на купу цукру або снігу потрапляють промені світла, вони дуже багато разів відбиваються і ламаються в частинках і вилітають з купи практично у всіх напрямках. Це і означає бути білим: білі предмети відображають однаково на всі боки світло будь-яких відтінків.

Фото 3. Сніжинка

Джерело відтінків

Ми розібралися, як себе веде світло, якщо зустрічає безліч прозорих крихт: прозорість втрачається, але нових кольорів не з’являється. Так виходять білими хмари або пар, що складаються з крапель води, або дим, що складається з часточок сажі…

Фото 4

А ось тут вже починаються дива. Якщо частинки диму досить малі (менше мільйонної частки сантиметра), він набуває блакитного кольору, а тінь за ним, навпаки, стає рижуватою (фото 4). Тобто світло, пройшовши крізь дим, червоніє. Подібним чином вели себе мильна вода і розлучене молоко. Може бути, вся справа в розмірі часточок: досить дрібні частинки блакитну частину світу відображають у всі боки, а помаранчеву не чіпають? Тоді б якраз вийшло, що збоку ми бачимо розсіяний частинками синій колір, а саме джерело світла крізь них виглядало б червоніше звичайного.

Приблизно так насправді і є: якщо частинка досить мала, вона сильно розсіює ті кольори, які посиніші, а ті, що почервоніші, — розсіює слабо і більше пропускає без змін. Цей закон називається законом розсіювання Релея, він і відповідає за мінливість кольору неба, мильної води… (складне пояснення цього закону ми залишимо підручникам).

А що з небом, що літає в ньому, породжуючи його синій колір? Молекули самого повітря, безладно рухаючись, на миті утворюють як би «частинки» — місця, де щільність повітря трохи більше (молекули збилися в купку) або менше (розбіглися). Такі неоднорідності, та й можливі пилинки, світять нам з неба синьою частиною світла сонця. Пряме світло сонця, трохи розгубивши синю, трохи жовтіє.

На заході сонця доводиться долати набагато більший шар атмосфери, оскільки він йде по дотичній до поверхні землі. В результаті до нас доходить тільки самий живучий, не згортається зі шляху колір — червоний або навіть пунцовий. Червоним стає не тільки сонце, а й шари повітря біля горизонту, тому що доходить до них лише червоне світло. У верхніх шарах, де повітря розрідженіше, розсіяння менше, і там небо залишається синім.

Смог у повітрі посилює розсіювання, і сонце може стати червоним і далеко від горизонту — як на фото 5.

Фото 5

Очі

Ріс. 2

Залишилася одна тема, яку ми поки не торкнулися, — блакитні очі. Темний колір очей виходить звичайним чином. Колір темніший, якщо в райдужці очі більше фарбуючої речовини — пігменту меланіну. Меланіни часто визначають колір шкіри, вовни, пір’я тварин, фарбуючи їх у темні коричневі і жовті кольори, як звичайна фарба. А ось у блакитних очах пігменту немає в передній частині райдужки, що відповідає за колір очей. Звідки тоді береться їх колір?

Прочитавши все попереднє, ви запідозрите, що в райдужці блакитного ока повинні бути якісь дрібні тільця. Так і є, винуватці блакитного кольору — безбарвні волокна білка колагену.

Якщо ці волокна рідкісні, а меланін є тільки на задньому шарі райдужки, що робить його непрозорим, то око має синій колір. Такий колір очей зазвичай буває у багатьох світлошкірих немовлят: волокна ещё очень редки, меланина нет в помине. Тільки до однорічного віку пігмент починає помітно виділятися, і очі темніють.

Якщо волокон більший, око стає блакитним або сірим. Ніби ви дивитеся крізь велику товщу повітря на дальню гору: синя димка стає білесою.

Фото 6

Різні пігменти можуть надати оку чорний, коричневий, бурштиновий колір. У поєднанні з блакитним відсвітом волокон може вийти болотний або рідкісний зелений колір.

Тут хочеться згадати такий несподіваний досвід. Зловіть голубоглазого чоловіка — він буде випробовуваним. Подивіться на його око спочатку «в лоб», а потім збоку (фото 6), стежачи за кольором райдужки. Вона трохи змінить колір і посвітліє!

До речі, синій колір виходить без допомоги пігменту не тільки у людини і не тільки в очах. Такий спосіб синього забарвлення досить поширений в живій природі.

Завдання

Напевно, можна вже перепочити від цієї синіви і зупинити нашу розповідь. На закуску залишаємо читачеві кілька запитань.

1. Часто можна помітити, що деякі хмари (незважаючи на ясне сонце і середину дня) мають легкий кремовий відтінок (найбільш дальні на рис. 2). Як це пояснити? Відповідь

Дальні хмари червоніють з тих же причин, що і закатне сонце. Цікаво, що верхня частина хмари червоніє при його віддаленні, а низ хмари (теж практично безбарвний поблизу) синьє. Так відбувається тому, що низ біля хмари темніший, і його колір визначає синєва повітря перед ним (як у випадку з горами на рис. 1), а не кремовий колір самої хмари.

2. Швидше за все, якщо ви бачили низький місяць, він був злегка жовтого кольору. Однак сонце на заході сонця часто пофарбовується в густий червоний колір. Звідки така нерівноправність? Відповідь

Щоб сонце набуло густий червоний колір, потрібно ґрунтовно приглушити всі інші кольори. При цьому, природно, яскравість сильно падає, так що, буває, на таке сонце можна не хитаючи дивитися.

Місяць, наближаючись до горизонту, виглядає все червоніше. Фото: Thomas Bresson

Якщо подібну процедуру провести з місяцем, вона, будучи і так не дуже яскравою, стане зовсім тьмяною. До того ж, підійшовши до горизонту, місяць, швидше за все, за чим-небудь сховається від очей. Сонце в такій ситуації «виручають» небо і хмари, які воно освітлює червоним. Так що місяць червоніє, як сонце, просто ми на нього в цей час не звертаємо уваги.

Фото 7

3. Широко відома ситуація, коли місяць червоніє, навіть високо над горизонтом (фото 7). Це відбувається при місячному затемненні, коли тінь від Землі падає на Місяць. Чому місяць червоніє в цьому випадку? Відповідь

При затемненні на місяць потрапляють тільки переломлені земною атмосферою сонячні промені, а вони по дорозі втрачають всі відтінки крім червоних. Ось місяць і підсвічений червоним. Вона, образно кажучи, спостерігає захід сонця майже по всій поверхні землі відразу.

На відміну від місяця, що заходить, місяць при затемненні виглядає червоною в тому числі з космосу, а не тільки з-під товщі нашої спотворюючої світло атмосфери.

Доповнення: як відновити прозорість

Дивлячись на цукор або сніг, складно повірити, що вони складаються з прозорих частинок. Переконати себе в цьому вам допоможуть наступні досліди. Якщо цукор або сніг змочити холодною водою, їх купа стане однорідною: вода не так сильно відрізняється (оптично) від льоду і цукру, як повітря. Купа тепер виглядає як єдине прозоре тіло, хоча все ще неоднорідне.

Фото 8

Папір теж можна зробити злегка прозорим, якщо змочити водою або маслом (див. фото 8). У випадку з водою головне — видавити повітря, щоб вода його повністю замістила. Папір складається з прозорих волокон целюлози, але на повітрі через їх велику кількість виглядає білою, подібно купі цукру.

Найскладніше буде з молоком. Воно непрозоре через крапельки жиру — у нього з водою оптичні властивості різні (внесок білкових кульок у непрозорість невеликий). Але якщо ми розчинимо в молоці цукор, показник заломлення цього сиропу збільшиться і стане таким же, як і у жиру.

Фото 9

Налийте трохи води (не більше третини!) в прозору баночку і потроху розчиняйте в ній молоко. Зупиніться, як тільки рідина стане непрозорою (фото 9, а). Тепер розчиняйте там же цукор. Його потрібно багато, приблизно стільки ж, скільки було розчину. Цукор легше розчиняється, якщо рідина гарненько підігріти. Через досить концентрований «коктейль» не складе труднощів читати текст (фото 9, б).

Художник Анна Горлач