В средние века философы-схоласты спорили о том, из чего состоит небесный свод. Фантазия подсказывала совершенно неожиданное: и хрусталь, и драгоценный синий сапфир. Для небесного свода выбиралось самое красивое и радующее глаз. Знаменитый ученый-исследователь, художник Леонардо да Винчи в книге «О живописи» писал: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся сверху чернотой».
Такое объяснение, хоть и данное в XV веке, действительно верно. Вся толща атмосферы, освещенная солнечными лучами, производит впечатление светлого купола небес. Но еще долго ученые-естествоиспытатели должны были разрушать представление о неком «кристалле небес». Отголоски размышлений об устройстве мироздания хорошо выражены в строках Джордано Бруно: «Кристалл небес мне не преграда боле. Разрушивши его, подъемлюсь в бесконечность».
Мы не замечаем воздух, он естественно наполняет пространство над планетой. Воздушное покрывало Земли окутывает наши плечи и кажется невесомым, неощутимым. Но убери воздух — и наступит катастрофа. Без воздуха человек сразу начинает задыхаться. Воздух нам необходим жизненно. Но, помимо своей природной значимости, воздушная оболочка планеты может создавать множество оптических эффектов.
Воздух, окружающий нас, бесцветен. Он прозрачнее любой жидкости, прозрачнее самого лучшего стекла. Если толщина воздушного слоя невелика, всего несколько метров, то мы не видим его совсем. Но если толщина слоя достигает нескольких километров, мы видим легкую воздушную дымку. Эта дымка как бы обволакивает удаленные предметы. Голубизна неба связана с огромной толщиной атмосферного слоя и со свойством рассеяния света на молекулах воздуха. В атмосфере происходит два типа рассеяния: молекулярное рассеяние и рассеяние на частицах. Частицы, взвешенные в воздухе, могут быть различны по форме и свойствам.
Почему небо голубое? Этот вопрос возникал у многих наблюдателей. С глубокой древности делались попытки объяснить это явление. Каких только гипотез не выдвигалось в разное время для объяснения цвета неба! Леонардо да Винчи писал: «…Светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной, чем превосходными будут светлое и темное». Однако такое объяснение не могло быть принято надолго в исследовательской среде, поскольку смешение черного и белого может дать только серые тона, но не цветные. Синий цвет дыма или неба обусловлен совершенно другим процессом.
Когда было открыто явление интерференции, Ньютон пытался применить интерференцию к объяснению цвета неба. Для этого ему пришлось допустить, что капли воды имеют форму тонкостенных пузырей, наподобие мыльных. Но так как капельки воды, содержащиеся в воздухе, в действительности представляют собой полные сферы, то эта гипотеза была отвергнута.
В XVIII веке ученые Мариотт, Бугер, Эйлер предполагали, что голубой цвет неба объясняется собственным цветом составных частей воздуха. Несколько позднее, в XIX веке, установили, что жидкий кислород имеет голубой цвет, а жидкий озон — синий. Но наиболее правильное объяснение цвета неба дал О. В. Сос-сюр. Если бы воздух был абсолютно чистым, то небо было бы черным, но воздух содержит примеси, которые отражают преимущественно голубой цвет. Такими примесями являются, например, водяной пар и капельки воды. В физике XIX века накопилось много данных по рассеянию света в жидкостях и газах. Была обнаружена одна из характеристик рассеянного света, поступающего от небосвода, — его поляризация. Физик Ара-го в 1809 г: открыл явление поляризации и исследовал его первым. Исследованиями поляризации занимались Бабине, Д. Брюстер.
Вопрос о цвете неба был привлекателен для многих физиков. Ученый Брюкке написал работу «Моделирование голубого цвета неба», у Д. Тиндаля есть работа «О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще». Но первым, кто создал стройную и строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей.
Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на молекулах воздуха. Первая работа Рэлея была опубликована в 1871 г. В окончательном варианте его теория рассеяния, основанная на электромагнитной природе света, была изложена в 1899 г. в работе «О свете от неба, его поляризации и цвете». Интересно, что полное имя Рэлея — Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей III, но его иногда в шутку называли Рэлеем Рассеивающим, а его сын — лорд Рэлей IV — также занимался физикой световых явлений, но он получил другое прозвище — Рэлей Атмосферный.