Gdy niedoskonałość jest zaletą, czyli dlaczego niebo jest niebieskie

Światło słoneczne jest mieszaniną wszystkich barw, chociaż przez oko ludzkie postrzegane jest jako białe

Składa się ono z fal elektromagnetycznych o różnych długościach (λ) i dopiero po rozszczepieniu rozdziela się na kolory składowe, przy czym każdemu z nich odpowiada określona energia i długość fali. Kiedy białe światło przechodzi przez tak zwany pryzmat (specjalnie ukształtowany kryształ, w postaci bryły o płaskich, na ogół nachylonych względem siebie ścianach), zostaje ono rozbite na budujące je kolory i wówczas możemy obserwować wszystkie jego składowe światła białego (Rys. 1). 

Zjawisko to występuje także w przygodzie. Kiedy po deszczu świeci słońce, na niebie często pojawia się tęcza. Dzieję się tak ponieważ kropelki wody zawarte w powietrzu działają jak mini pryzmaty i rozszczepiają wiązkę światła białego na poszczególne fale elektromagnetyczne o różnych długościach. Najdłuższe są fale czerwone i pomarańczowe, a najkrótsze niebieskie i fioletowe.

Rys. 1. Rozszczepienie światła białego na pryzmacie na poszczególne składowe.

Ponieważ światło jest falą elektromagnetyczną może poruszać się po linii prostej. Jednak kiedy napotka jakąś przeszkodę (np. krople wody, kryształki lodu, pyły lub cząsteczki gazu) może się od niej odbić, zmienić swój tor ruchu lub ulec tak zwanemu rozproszeniu. Rozproszenie polega na odchyleniu biegu promienia światła w ośrodku optycznym, przez który przechodzi. Co więcej, światło wywołuje drgania cząstek ośrodka optycznego obdarzonych ładunkiem elektrycznym i wypromieniowanie wtórnych fal elektromagnetycznych (Rys. 2).

Rys. 2. Rozproszenie światła niebieskiego na cząsteczce gazu w atmosferze ziemskiej.

Rozpraszanie Rayleigha

Światło słoneczne docierając do atmosfery ziemskiej napotyka na cząsteczki gazów (azot, tlen, dwutlenek węgla), uderza w nie, a ponieważ są one znacznie mniejsze od długości fali światła słonecznego, światło oddziałując z nimi ulega rozproszeniu we wszystkich kierunkach (rozpraszanie Rayleigha). Wielkość rozproszenia zależy od długości poszczególnych fal (kolorów) i jest odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi długości fali. Oznacza to, że np. dla dwukrotnie mniejszej długości fali, rozpraszanie jest szesnastokrotnie większe. Dlatego też rozpraszanie jest największe dla fal najkrótszych, czyli fioletowych i niebieskich, a najmniejsze fal najdłuższych, czyli czerwonych i pomarańczowych. 

W związku z tym fale, które najsilniej się rozpraszają docierają do nas w zwielokrotnionej ilości (Rys. 2). Powstaje jednak pytanie dlaczego zatem niebo nie jest fioletowe, skoro fale fioletowe są najkrótsze? Jest kilka powodów tej sytuacji. Po pierwsze wynika to z małej intensywności fioletu w widmie słonecznym, a ponadto nasze oczy są dużo bardziej wrażliwe na kolor niebieski niż na fioletowy. W ten oto sposób jedna z niedoskonałości naszego ciała pozwala nam na delektowanie się błękitem nieba. Jak dla mnie - bomba!

Czasami zdarza się i tak, że niebo nad nami jest białoszare

Dzieje się to zwykle w sytuacjach, kiedy w powietrzu znajduje się duża ilość kropelek wody, kryształków lodu lub pyłów. Są one znacznie większe od cząsteczek gazów występujących w atmosferze i znacznie większe od długości fali świetlnej. Dodatkowo ich duże zagęszczenie powoduje, że światło rozprasza się w sposób mniej zorganizowany i bardziej chaotyczny. Wówczas wszystkie długości fal (kolory) światła białego są rozpraszane podobnie, a obserwowany kolor nieba jest wypadkową wszystkich rozproszonych długości fal, czyli kolorem zbliżonym do białego. 

Jednak sytuacja zmienia się gdy słońce znajduje się tuż nad horyzontem, czyli kiedy wschodzi lub zachodzi

Niebo rozświetla się wówczas czerwienią, żółcią i pomarańczem. Powodem tego jest droga jaką musi pokonać światło zanim dotrze do obserwatora oraz kąt padania światła. Gdy słońce znajduje się nisko nad horyzontem musi przebić się przez znacznie grubszą warstwę atmosfery, więc ma do czynienia z większą ilością cząsteczek gazów. W takiej sytuacji jedynie fale charakteryzujące się największymi długościami (żółte, pomarańczowe i czerwone) docierają do naszych oczu. Dlatego też podczas wschodu i zachodu słońca możemy podziwiać feerię tych właśnie barw.

Co ciekawe, sytuacja ta wygląda zupełnie inaczej na innych planetach. Na przykład na Marsie, którego atmosfera składa się głównie z dwutlenku węgla (ponad 95%) i cząstek pyłów, niebo w ciągu dnia ma kolor zbliżony do pomarańczowego, natomiast gdy słońce zachodzi, niebo zaczyna przybierać odcień niebieski. Dzieje się tak dlatego, że składniki marsjańskiej atmosfery rozpraszają światło inaczej niż gazy atmosfer ziemskiej. 

W sumie to dobrze, że mieszkamy na Ziemi ☺.

Opublikowano w dziale nauki przyrodnicze dnia 08 kwi 2022