Коротко: потому что молекулы воздуха рассеивают коротковолновую световую составляющую сильнее (эффект Рэлея), а при заходе солнца путь света через атмосферу велик — синие компоненты рассеиваются и теряются, остаётся красно‑оранжевая часть; загрязнение (аэрозоли) меняет зависимость по длине волны и угловую диаграмму рассеяния, делая небо менее насыщенно‑голубым и закаты более ярко‑красными/оранжевыми.
Детали с формулами и зависимостями:
1) Интенсивность рассеяния на молекулах (Рэлея)
- Сечение Рэлея обратно пропорционально четвёртой степени длины волны:
$$\sigma (\lambda )\propto \frac{1}{{\lambda }^4}.$$ - Следствие: короткие волны (синий, $\lambda \sim 450$ нм) рассеиваются сильнее, чем красные ($\lambda \sim 650$ нм):
$$\frac{\sigma (450\text{nm})}{\sigma (650\text{nm})}\approx {\left(\frac{650}{450}\right)}^4\approx \mathrm{4.35.}$$
2) Угловая зависимость (фазовая функция Рэлея)
- Интенсивность одиночного рассеяния на угол $\theta$ пропорциональна фазовой функции (для неполяризованного света):
$$P(\theta )=\frac{3}{4}(1+{\cos }^2\theta ).$$ - Это даёт симметричное распределение (пик в направлении вперёд/назад, минимум при $\theta =90^{\circ }$), а также сильную поляризацию рассеянного света при $\theta \approx 90^{\circ }$ (почему небо заметно поляризовано под углом 90° от Солнца).
3) Длина пути и поглощение (закат)
- При заходе/восходе путь лучей через атмосферу $L$ возрастает, оптическая толщина для рассеивающих частиц $\tau (\lambda )$ растёт, и передаваемая интенсивность:
$$I(\lambda )=I_0(\lambda )\exp (-\tau (\lambda )).$$ - Для молекул ${\tau }_{\text{Rayleigh}}\propto L/{\lambda }^4$. Поэтому при большом $L$ короткие волны почти полностью рассеиваются вне направления на наблюдателя, остаются длинноволновые — видим красный/оранжевый диск Солнца и закат.
4) Роль загрязнения и аэрозолей (Ми)
- Частицы, размер которых сравним или больше длины волны, дают Мie‑рассеяние. Его особенности: слабая или медленная зависимость от $\lambda$ (приблизительно $\propto {\lambda }^{-p}$ с $p$ от $0$ до $\sim 2$ в зависимости от распределения размеров) и сильная направленность вперед (пик в малых углах).
- Последствия:
- Меньшая спектральная селективность → небо становится «бледно‑белым/серым» (меньше насыщенного синего).
- Сильное прямое рассеяние в переднюю полусферу усиливает окраску солнца при закате (ещё больше выжигания синих компонентов), делает закаты ярче и более красными/оранжевыми.
- Частицы повышают общую оптическую толщу ${\tau }_{\text{aero}}(\lambda )$, поэтому окраска зависит от загрязнённости и влажности.
Итог: голубизна — результат спектрально сильного $1/{\lambda }^4$ рассеяния на молекулах; красные закаты — следствие увеличенного пути света и удаления коротких волн (экспоненциальное затухание по оптической толщине), а аэрозоли/загрязнения ослабляют спектральную селективность и усиливают красноту закатов через Mie‑эффекты.