Небо

Вид земного неба зависит от времени суток, времени года и основной погоды. На нём часто видны облака и спутник Земли — Луна. Вид земного неба из самолёта, летящего над дождевыми облаками, может существенно отличаться от его вида в это время с земной поверхности.

Безоблачные дневные небеса окрашены в голубой цвет. Во время восхода и заката Солнца на небе появляются оттенки жёлтого, оранжевого и красного цветов, а изредка можно увидеть и зелёный луч.

Ночью голубой и синий цвет неба сменяется тёмно-синим, см. далее. Могут быть отчётливо видны Луна, звёзды, и прочие астрономические объекты. Звёздное небо — совокупность светил, видимых ночью или в сумерках на небесном своде.

Безоблачное дневное небо выглядит синим, потому что воздух, а точнее взвешенные частицы и флуктуации плотности в нём, рассеивают коротковолновый (синий) свет сильнее длинноволнового (красного). Благодаря этому, если посмотреть на участок небес вне солнца, мы увидим голубой цвет — результат смешения большого количества синего и фиолетового цвета и малого количества других цветов. Рассеянием света объясняется и красный цвет заката. Во время заката и рассвета световая волна проходит гораздо больший путь в атмосфере по касательной к земной поверхности, нежели днём по вертикали. Из-за этого большая часть синего и даже зелёного света уходит в стороны, в то время как прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небеса вблизи горизонта, окрашиваются в красные тона.

Рассеяние и поглощение — это главные причины затухания света в атмосфере. Рассеяние меняется как функция от отношения диаметра рассеивающей частицы к длине волны света. Когда это отношение меньше 1/10, возникает Рэлеевское рассеяние, при котором коэффициент рассеяния обратно пропорционален четвёртой степени длины волны. При больших значениях отношения диаметра частицы к длине волны рассеяние меняется согласно теории Ми; когда же это отношение больше 10, начинают работать законы геометрической оптики.

В представлениях древних, небо и земля (у древних греков — Уран и Гея, у древних египтян — Нут и Геб) являлись прародителями богов и стихий.

Яркость неба в зависимости от времени суток, высоты, направления, положения Солнца, влажности, содержания пыли и аэрозолей, подвержена значительным колебаниям. Яркость дневного неба на одной высоте, обусловленная только рассеянием света, может меняться почти на два порядка^[1][2]. Приведём некоторые значения яркости на уровне моря.

Яркость неба на уровне моря
Высота	Видимая яркость	Пояснение
☉	до 20 000 кд/Квадратный метр	Чистое небо у горизонта при высоте Солнца 30° и прозрачности атмосферы p = 0,80[3]
	10 000 кд/м²	Дневное небо покрыто светлыми облаками[4]
☉	8120 кд/м²	Чистое небо в зените при высоте ☉ 60° и пониженной прозрачности атмосферы p = 0,64[5]
☉	5170 кд/м²	Чистое небо в зените при высоте ☉ 60° и средней прозрачности атмосферы p = 0,74[5]
☉	3080 кд/м²	Чистое небо в зените при высоте ☉ 30° и пониженной прозрачности атмосферы p = 0,64[5]
☉	2270 кд/м²	Чистое небо в зените при высоте ☉ 30° и средней прозрачности атмосферы p = 0,74[5]
☉	1490 кд/м²	Чистое небо в зените при высоте ☉ 30° и повышенной прозрачности атмосферы p = 0,83[5]
☉	790 кд/Квадратный метр	Чистое небо в зените при высоте ☉ 10° и прозрачности атмосферы p = 0,80[6]
☉	ок. 1 кд/м²	Небо во время полного солнечного затмения (затмение 2008 года)[7]
	ок. 0,005 кд/м²	Небо в полнолуние[8]
	0,01—0,0001 кд/м²	Ночное тёмно-синее небо[5][9]

С высотой яркость неба снижается, цвет его с поднятием смещается от голубого к синему, а затем к фиолетовому цвету. Это объясняется последовательностью рассеяния света толщей атмосферы по спектру от коротковолнового излучения к длинноволновому, то есть верхние слои атмосферы рассеивают невидимые УФ-лучи, пониже рассеиваются фиолетовые лучи, ещё ниже синие и затем голубые лучи^[10]. Если бы наша атмосфера была потолще, то безоблачное дневное небо могло быть белёсым с зеленоватым оттенком, ещё толще — жёлтым, оранжевым (как как на спутнике Сатурна Титане и на Венере, см. Внеземные небеса) и красным. Эти оттенки можно видеть во время зари, как сказано выше.

Если небо покрыто облаками, тучами, дымкой, туманом и другими явлениями, то с высотой яркость в целом падает неравномерно, ступенчато, на отдельных участках может возрастать, например на выходе из тучи. Чистое небо уменьшает свою яркость более плавно, почти экспоненциально^[11]. До высот 100—110 км яркость падает примерно в 2 раза на 4—5 км^[12], свыше 100 км снижение яркости замедляется и всё больше зависит от люминесцентного свечения атомов в ионосфере^[13].

Известно, что бывавшие в стратосфере люди описывают небо как очень тёмное, почти космическое, с удивлением не обнаруживая на нём звёзд^[14][15][16]. Швейцарский учёный Огюст Пиккар в начале 1930-х годов рассчитывал увидеть звёзды уже при подъёме на 15—16 км^[17]. После полётов на стратостате FNRS-1 он сделал вывод, что крупные звёзды могут быть видны на высотах не менее 20—25 км^[18]. Но и эти высоты недостаточны. Проведённые позже измерения и расчёты показали, что реальная яркость дневного стратосферного неба соответствует довольно светлым ранним сумеркам и полному солнечному затмению, видимость первых звёзд невооружённым глазом сдвигается ближе к мезосфере. Но до сих пор в развлекательной литературе и в серьёзных источниках имеются утверждения о полноценном ночном небе днём на высотах 20—30 км с возможностью ориентироваться там по звёздам^[19].

Наблюдаемая и фотографируемая темнота зенита в стратосфере обусловлена резким контрастом его с Солнцем, небом у горизонта и освещёнными поверхностями шара с кабиной^[20][21], а также пониженной чувствительностью человеческих глаз к синему и фиолетовому свету в дневных условиях. Сложности полёта и кислородное голодание могут ещё понизить восприимчивость глаз к свету. В сумерках же чувствительность к синему свету увеличивается (эффект Пуркинье)^[22] и у человека есть много времени привыкнуть к снижению освещённости и увидеть цвет неба.

Подобный эффект тёмного неба и кажущейся близости космоса можно наблюдать и сфотографировать на самолёте, в горах, а иногда и на уровне моря при высокой прозрачности воздуха, когда синий цвет неба «забивается» очень ярким отражённым свечением облаков, заснеженных горных склонов и застеклённых зданий.

В начале 1950-х годов существовало обратное преувеличение яркости высотного неба из-за несовершенных ракет с измерительными приборами и отсутствия возможности опровергнуть это прямыми наблюдениями. Тогда считалось, что после 35—40 км яркость неба перестаёт снижаться и до 135 км составляет 1—3% от наземной или примерно в 10 тысяч раз больше ночного фона, что объяснялось мощным дневным люминесцентным свечением верхних слоёв атмосферы^{[11][23][24][25]}. В дальнейшем это не подтвердилось^[26][27].

В следующей таблице приведены убывающие с высотой средние значения яркости безоблачного неба в зените при положении Солнца 30—35 градусов над горизонтом. Показано сравнение вида неба с сумерками, которое имеет место в научной литературе. В сумерки Солнце погружается на определённый угол за горизонт, небо как при взлёте темнеет и постепенно появляются всё менее яркие звёзды. Однако надо заметить, что даже в хороших условиях наблюдения в сумерки люди чётко видят звёзды с отставанием на 1,5 звёздные величины от указанной пороговой^[28]. А в условиях заатмосферного полёта, когда сильный солнечный свет и освещённая поверхность вызывают сокращение зрачков и не дают глазам переключиться на ночное зрение, дневная видимость звёзд даже на космических высотах и на Луне очень ограничена^[29].

В дополнение указаны некоторые явления, которые своей яркостью могут помешать наблюдать звёзды не только в стратосфере, но и в мезосфере, и за линией Кармана.

Яркость безоблачного неба в зените на различных высотах при положении Солнца 30—35° над горизонтом
Высота	Наземные сумерки и пороговая звёздная величина[# 1]	Видимая яркость	Примечания, факты и субъективные впечатления
150 км		от 0,000003 кд/Квадратный метр [30][2]	150—160 км — небо становится чёрным[31][32]: яркость приближается к минимальной различаемой глазом яркости 1⋅10-6 кд/м²[4].
140 км	ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ		Полярные сияния на высоте 90—400 км имеют яркость до 1 кд/м²[33][34]
130 км		от 0,000005 кд/м²[35]
120 км		от 0,00001 кд/м²[35]	Свыше 100 км дневная видимость звёзд равнозначна ночной[28].
110 км		от 0,00003 кд/м²[35]	Фоновая яркость Млечного Пути около 0,0004 кд/м²[36]
100 км	Airglow –15° 5,6 зв. вел.	0,00044 кд/м² при высоте ☉ 35°[28]	Тёмно-буро-фиолетовый цвет, яркость приближается к ночной 0,01—0,0001 кд/м²[1][37] Максимум собственного свечения атмосферы[38].
90 км	–11° 5,0 зв. вел.	0,0025 кд/м² ☉ 35°[28]	Небо как в лунную ночь, когда у него яркость около 0,005 кд/м²[8]
80 км	NLC   –9° 4,5 зв. вел.	0,015 кд/м² ☉ 35°[28]	Летом могут быть серебристые облака с яркостью до 1—3 кд/м²[39]
70 км	–7° 3,8 зв. вел.	0,086 кд/м² ☉ 35°[28]	Видны два десятка звёзд до 2-й звёздной величины[8]
60 км	–6° 3,2 зв. вел.	0,323 кд/м² ☉ 35°[28]	Небо в зените соответствует окончанию гражданских сумерек.
50 км	–5° 2,6 зв. вел.	1,4 кд/м² ☉ 35°[28]	Видны планеты и звёзды до 1-й звёздной величины[8]
40 км	–4° 1,9 зв. вел.	4,74 кд/м² ☉ 35°[28]	Небо как в начале синего часа. Яркость снега в полнолуние 5 кд/м²[4]
30 км	–3° 1,1 зв. вел.	18,3[28]; 20 кд/м² или 1/120 наземной[37]	Пурпурно-чёрный цвет[40][41]. В северном полушарии невооружённым глазом ни одной звезды не видно, иногда могут быть видны самые яркие планеты (Венера, Марс, Юпитер, очень редко Сатурн)[28]
25 км		40 кд/м² ☉ 30°[10]	Максимальная высота перламутровых облаков 25—27 км.
22 км			Цвет тёмно-синего сукна при свете кварцевой и обычной ламп[15][16]
21 км	Перламутровые облака		Чёрно-фиолетово-серый, чёрно-серый цвет. Звёзд не видно[42][14][43]
20 км			Тёмносине-фиолетовый, чёрно-фиолетово-серый цвет[42][14]
19 км		74,3 кд/м² ☉ 30°[20]	Тёмнофиолетовый тёмный, чёрно-фиолетово-серый цвет[42]
18 км	–2°[28]–0,3зв.вел.	[44] 100 кд/м²☉30°[10]	Покрытый чернилами чёрный бархат; небо как в солнечное затмение[45]
17 км			Тёмно-фиолетовый[46]; тёмно-тёмно-фиолетовый цвет[42][14]
16 км			Тёмнолиловый[47], тёмно-тёмно-фиолетовый, аспидно-серый цвет[42][14]
15 км			Тёмно-синий, фиолетовый, почти чёрный[47]; чёрносиний цвет[14]
14 км			Тёмно-синий[47]; чёрносиний цвет[14]
13 км			Тёмнофиолетовый цвет[42][14]
12 км	–1°[48]	280 кд/м² (11,6 км)[49]	Тёмно-синий цвет[42]
11 км			Тёмно-синий цвет[42][14]
10 км	Перистые облака	392 кд/м² (10,4 км)[50]	Выше 10—15 км небо становится тёмнофиолетовым[51]
9 км			Тёмно-синий цвет[42][14]
8 км	0°[48]	441 кд/м² (8,4 км)[49]	Тёмно-синий цвет[42][14]. Может быть видна Венера[28]
7 км			Яркость падает почти экспоненциально в 2 раза на 4—5 км[11][12]
6 км		770 кд/м² (5,5 км)[50]	После 5 км в воздухе мало водяных паров[52].
5 км			Сине-голубое небо[53].
4 км			Сине-голубое небо[53]
3 км	+5°[48]	св. 1000 кд/м²[10]	Интенсивность свечения неба примерно в 2 раза меньше наземной[11]
2 км	Кучевые облака
1 км	☾		Яркость Луны при взгляде с поверхности 2500 кд/м²[4]
0 км	+30°	2230 кд/Квадратный метр	Яркость зенита при средней прозрачности и высоте Солнца 30°[50].
Высота	Наземные сумерки[# 1]	Яркость	Примечание
Примечания ↑ 1 2 Градус погружения Солнца за горизонт при соответствующих по яркости неба сумерках. Пороговая звёздная величина — минимально возможная различаемая невооружённым глазом звёздная величина после длительной адаптации к темноте.