=== wersja rozwinięta (dla starszych czytelników) ===

Dziwnie obchodzi się historia z kilkoma wybitnymi brytyjskimi naukowcami wywodzącymi się z wyższych sfer. Co mam na myśli? Na przykład to, że jednostka temperatury układu SI nazywa się kelwin (nie stopień Kelvina!) na cześć Lorda Kelvina, który na świat przyszedł w Belfaście w 1824 roku jako William Thompson. W 1892 roku, już jako uznany odkrywca, uzyskał szlachecki tytuł barona Kelvin - od długiej na 35 kilometrów rzeki, która przepływała niedaleko jego uczelni w Glasgow. W efekcie dziś zdecydowanie lepiej rozpoznawalną personą niż William Thompson jest właśnie Lord Kelvin. Jednostka temperatury, uskok na powierzchni księżyca, planetoida - to wszystko celebruje osiągnięcia Kelvina. Thompsonowi „na pocieszenie” pozostaje mostek jego imienia w elektronice.

            Innym przykładem może być John William Strutt, którego kojarzycie pewnie jako Lorda Rayleigha. To on opisał między innymi mechanizm rozpraszania światła, któremu niebo zawdzięcza swój niebieski kolor (więcej o tym możecie przeczytać w naszej książce dla dzieci). Gdyby nie to zjawisko moglibyśmy również w dzień dostrzec nad naszymi głowami gwiazdy - te widoczne tylko nocą rzecz jasna! Bez rozpraszania Rayleigha niebo byłoby tak samo ciemne w dzień jak i w nocy… Ciemne, ale nie doskonale czarne. To, że na naszej planecie znajduje się atmosfera sprawia, że w bezchmurny dzień dostrzegamy nad naszymi głowami błękit, a nocą niemal czerń. Za ten drugi fakt odpowiada tak zwana poświata niebieska, którą badał… lord Rayleigh. Żeby jednak nie było zbyt łatwo - ten lord Rayleigh od poświaty niebieskiej to nie ten sam lord Rayleigh, co od rozpraszania Rayleigha i niebieskiego nieba. Już tłumaczę o co chodzi!  

            W odróżnieniu od Thompsona John William Strutt swój szlachecki tytuł odziedziczył. Po jego śmierci  (w 1919 roku) przeszedł on więc na jego syna - Roberta Johna Strutta, który, podobnie jak ojciec, swoją karierę związał z nauką i, w przeciwieństwie do ojca, po odziedziczeniu tytułu barona się z niej wycofał (od tej pory eksperymentował tylko w domowym laboratorium założonym przez swojego ojca). Zanim zrezygnował z akademii zdążył jednak osiągnąć całkiem sporo - byle kto nie był przyjmowany do szacownego Towarzystwa Królewskiego. Znalazł na przykład metodę na określanie wieku minerałów na podstawie tego jak dużo helu i i radu zawierają. Odkrył obecność ozonu w górnych warstwach atmosfery. Opisał jak wyładowania elektryczne tworzą jednoatomowy i aktywny chemicznie azot - drastycznie różny od występującej zwykle niereaktywnej postaci dwuatomowej. Do tego atomowego azotu za chwilę wrócę, gdyż jest on związany z poświata niebieską. Najpierw jednak kilka słów o niej.

            Okazuje się, że gdybyśmy dysponowali magicznym przełącznikiem, który gasi Słońce i wszystkie inne gwiazdy - czy może nawet szerzej - wszelkie źródła światła we Wszechświecie niebo nie zrobiłoby się doskonale czarne. Owszem - byłoby bardzo, bardzo ciemno, ale nie doświadczylibyśmy doskonałej czerni. Wszystko dlatego, że żyjemy na planecie, która ma swoją atmosferę i, tak się składa, atmosfera ta „świeci”.

            Jednym z optycznych zjawisk, jakie wywodzą się z naszej atmosfery jest zorza polarna. Słońce ciągle wyrzuca z siebie mnóstwo naładowanych cząstek. Czasem dochodzi na jego powierzchni do tak zwanych rozbłysków, co skutkuje zwiększoną ilością oraz energią tych cząstek. Ziemskie pole magnetyczne zakrzywia ich tor lotu, kierując je przez wyższe warstwy atmosfery, gdzie część ich energii zostaje przekazana cząsteczkom tlenu i azotu wzbudzając je. Przyroda nie lubi jednak takich sytuacji - każdy układ dąży do energetycznego minimum i niemal natychmiast azoty, tleny i wszelkie inne wzbudzone indywidua będą się tej nadmiarowej energii starały pozbyć. Jednym ze sposobów jest jej wyemitowanie w postaci promieniowania i, tak się składa, że bardzo dużą część z niego możemy dostrzec z pomocą naszych oczu, gdyż leży ono w zakresie widzialnym. Wzbudzenie wiąże się bowiem z przeniesieniem elektronu na wyższy poziom energetyczny, a ten jest skwantowany - nie ma tu dowolności. Możemy to porównać do sytuacji, w której przenosimy piłkę z wyższej półki na szafie na niższą. Różnica wysokości w tym wypadku zależy od wymiarów szafy. Piłka nie może lewitować między półkami. W drugą stronę - z góry w dół - działa to dokładnie tak samo. Ta różnica poziomów (energetycznych) związana jest z długością fali i zależy od niej, czy wyemitowane promieniowanie zobaczymy. Znaczną część emisji towarzyszących zorzy widzimy.

            Ponieważ nie widzimy cząsteczek wiatru słonecznego, które są przyczyną wystąpienia zorzy - będę się upierał (czy raczej doprecyzuję, bo w końcu ja ustalam warunki), że „zgaszenie” Słońca nie musi się równać jego wyłączeniu i że ciągle może ono wspomniane cząstki emitować. Nocne niebo ciągle może rozświetlić zorza. Ale, nie ukrywajmy, jest to zjawisko, które z rzadka tylko można obserwować z dala od rejonów okołobiegunowych. I nie jest ono tym, co odpowiada za poświatę niebieską… choć mechanizmy obu nie są tak bardzo rozbieżne.

            Przechodząc więc do konkretów - atmosfera świeci z wielu powodów. Takim uniwersalnym, czyli możliwym do zaobserwowania na wszystkich posiadających ją ciałach niebieskich, jest rekombinacja zjonizowanych gazów. Pod tym poważnie brzmiącym pojęciem kryje się naprawdę łatwe do zrozumienia zjawisko. Górne warstwy atmosfery doświadczają ciągle działania promieniowania kosmicznego, które z atomów i cząsteczek może wybijać elektrony tworząc jony; konkretnie - dodatnio naładowane kationy (obojętna elektrycznie cząsteczka traci ujemnie naładowany elektron, a więc sama ma ładunek dodatni). Te plusy, jak wszyscy wiemy, będą się przyciągały z minusami. Jeżeli więc w pobliżu znajduje się jakiś elektron albo anion może dojść do połączenia dwóch przeciwnie naładowanych indywiduów. To właśnie jest rekombinacja - łączenie kationów z anionami lub elektronami. Bardzo często po takim połączeniu cząsteczka znajduje się w stanie wzbudzonym („piłka na wyższej półce”) - ma nadmiar energii, którą emituje. I zdarza się, że to jest światło widzialne. Nocne niebo może więc świecić, bo promieniowanie kosmiczne jonizuje składniki wyższych warstw atmosfery (Słońce przykłada się do tego ale nie jest jedynym źródłem takiego promieniowania). 

            Promieniowanie kosmiczne i wiatr słoneczny może też pełnić rolę impulsu elektrycznego z eksperymentu Rayleigha, o którym wcześniej mówiłem. Może więc produkować reaktywne atomy azotu, które chętnie połączą się na przykład z tlenem. Tej reakcji towarzyszy chemiluminescencja, a więc… świecenie.

            No i nie mogę nie wspomnieć o tym, że w mezosferze, na wysokości 80-100 kilometrów nad poziomem morza, znajduje się tak zwana warstwa sodowa, utworzona ze składników „spalonych” w atmosferze meteorytów. Sód jest pierwiastkiem, który stosunkowo łatwo można „zmusić” do wyraźnie widzialnego przez ludzi świecenia. W tym wypadku odpowiedzialne za to są wspomniane wcześniej czynniki - wiatr słoneczny i promieniowanie kosmiczne. Mechanizm już znamy… przenoszą one elektrony w atomach sodu na wyższe poziomy energetyczne, te poziomy wzbudzone są nietrwałe, elektron wraca na poziom podstawowy, różnica energii jest ściśle określona, po „konwersji” na promieniowanie mamy światło widzialne.

            Całe niebo emituje tyle samo poświaty niebieskiej (mówimy, że jest ona izotropowa). Ale patrząc w różnych kierunkach patrzymy na różne grubości atmosfery. Dlatego, jeżeli możemy je zobaczyć czy zarejestrować, to zwykle jest najintensywniejsze jakieś 10 stopni nad horyzontem. Świecenie to, choć bardzo często słabe, jest jednak uciążliwe dla prowadzenia obserwacji astronomicznych z powierzchni Ziemi. Aby się go pozbyć trzeba się wydostać ponad jego źródło - ponad atmosferę. Poświata niebieska jest jedną z przyczyn dla których umieszczamy teleskopy na orbicie okołoziemskiej.

            Na koniec chciałbym jeszcze wrócić do Roberta Johna Strutta i wyjaśnić dlaczego uczyniłem go jednym bohaterów przydługiego wstępu do tej opowiastki. Otóż bywa on nazywany „Rayleighem od poświaty niebieskiej”. To jemu zawdzięczamy rozróżnienie (rozdzielenie) zorzy polarnej od poświaty. W 1929 roku, a więc już po wycofaniu się z akademii, przeprowadził on bowiem potwornie dokładne pomiary poświaty niebieskiej, które spisał w swoich dziennikach. Jakby tego było mało - te wyniki pozostawały dla środowiska naukowego tajemnicą. Dopiero w 1963 roku, niemal przypadkowo, wyszły na jaw gdy zapiski obu Rayleighów zakupiło US Airforce Cambridge Research Laboratories.

            Gdy więc kiedyś ciemną nocą spojrzycie na firmament pamiętajcie, że nie dostrzeżecie na nim doskonałej czerni. Wspomnijcie Roberta Johna, 4. barona Rayleigh - a więc nie tego od rozpraszania i błękitu nieboskłonu w dzień. Pamiętajcie o człowieku, na którego cześć nazwano nawet jednostkę, którą mierzy się strumień fotonów poświaty niebieskiej. Jednostką tą jest… o ironio… rayleigh…

=== wersja uproszczona ===

Bo to wyżej nadaje się raczej dla dorosłych jako takie szersze omówienie i, ewentualnie, wprowadzenie do opowiedzenia tego dziecku.

Noc nigdy nie jest doskonale czarna!

Nawet gdybyśmy zasłonili Słońce i wszystkie gwiazdy nocne niebo nie byłoby doskonale czarne. Oczywiście, byłoby bardzo, bardzo, bardzo ciemno i my nawet moglibyśmy sobie z tego nie zdawać sprawy, ale nad naszymi głowami coś by świeciło. I to na tyle mocno, żeby utrudnić działanie położonych na Ziemi teleskopów, którymi staramy się badać Kosmos!

Dzieje się tak, bo Ziemia ma atmosferę

Wiele planet, w tym również ziemia, mają atmosfery. Atmosfera, to taka powłoka, zbudowana z gazu, która otacza planetę. Żeby posiadać atmosferę ciało niebieskie musi mieć odpowiednio dużą masę - im większa masa, tym silniejsze przyciąganie, które jest w stanie te gazy zatrzymać. Księżyc na przykład jest zbyt lekki i nawet gdybyśmy mogli na niego przenieść gazy nie byłby w stanie ich przy sobie utrzymać - wszystkie uciekłyby w przestrzeń kosmiczną!

Czasami, w nocy, na Ziemi możemy zobaczyć zorzę polarną

Słońce wysyła w naszym kierunku nie tylko światło ale też bardzo, bardzo dużo niezauważalnych dla nas cząsteczek. W niektóre dni (albo noce) jest ich więcej niż zwykle. Wtedy mogą zderzać się z cząsteczkami w ziemskiej atmosferze. Każde takie zderzenie sprawia, że cząsteczka zyskuje trochę energii, której nie potrzebuje. Potrafi się jej pozbyć „zamieniając ją w światło” - dzięki temu my możemy oglądać piękne, świecące wzory na niebie, a gazy w naszej atmosferze nie muszą się zastanawiać co z nadmiarem energii zrobić.

Wiemy dokładnie jak każda cząsteczka może świecić

O cząsteczkach czasami dobrze jest myśleć jak o szafach - serio. Szafach na piłki. Każda cząsteczka składa się z wielu mikroskopijnych elementów. Są wśród nich elektrony. Możemy je sobie wyobrazić jak piłki, które trzeba porozkładać na półkach, które naukowcy nazywają poziomami energetycznymi. Im wyżej jest piłka, tym ma wyższą energię. Wiemy przecież, że im z wyższej wysokości piłki spadają tym się wyżej odbijają.

Każda cząsteczka ma trochę inny rozkład tych półek. Cząsteczka tlenu jest więc inną szafą nić cząsteczka azotu czy wody. Nie musimy wiedzieć jak dokładnie wyglądają - ważne jest to, że każda z nich ma swoje „ulubione” ułożenie piłek na półkach - takie podstawowe (możemy to nazwać poziomem podstawowym), bo zwykle lubi je trzymać nisko. Przy swojej podstawie… Jeżeli ktoś poprzekładałby te piłki, powkładał je na wyższe półki, to taka cząsteczka chciałaby wrócić do swojego podstawowego poziomu. 

Żeby włożyć piłkę na wyższą półkę potrzeba było do szafy dostarczyć energii. Piłki przecież, choć lekkie, to coś ważą. Żeby ją „zdjąć” trzeba energię pobrać. Jak dużo energii? To zależy jak duża jest różnica w wysokości pomiędzy półkami między którymi przemieszcza się piłka. Im większa tym więcej.

I teraz - te „szafy-cząsteczki” mają niezwykłą zdolność. Zamiast prosić kogoś, żeby im te piłki poprzekładał tak, jak chcą, mogą zrobić to same, a różnicę energii oddać do otoczenia jako światło. A to, jakie to będzie światło zależy od budowy szafy - wysokości półek. Możemy więc dokładnie przewidzieć jak będzie na przykład świeciła w takiej sytuacji cząsteczka azotu, a jak cząsteczka tlenu.

Niebo w nocy bardzo, bardzo słabo świeci - nazywa się to poświata niebieska

Do naszej planety dociera z kosmosu bardzo dużo potwornie małych i szybkich cząsteczek. Uderzają one w te, które budują naszą atmosferę. Takie zderzenia mogą sprawiać, że niektóre cząsteczki się rozpadną, a potem znowu połączą w całość. Inne mogą wykorzystać tę energię do wejścia w reakcję chemiczną i zamiany w nową substancję. Jeszcze inne zostaną wzbudzone, jak piłka z poprzedniego przykładu, i po chwili wrócą na swoją ulubioną półkę. Każde z tych wydarzeń może być źródłem światła - także w nocy, gdy nie widać już Słońca! Takie świecenie nieba w nocy naukowcy nazwali poświata niebieską.

To świecenie jest wszędzie takie samo, ale my widzimy je w niektórych miejscach wyraźniej

Każdy fragment nieba ma taką samą poświatę niebieską, czyli świeci tak samo jasno. Można powiedzieć, że każdy jego fragment jest tak samo jasną żarówką. Ale kiedy patrzymy na niebo nad horyzontem, to w tym miejscu widzimy więcej atmosfery. Czyli dostrzeżemy świecenie większej ilości żarówek. Stąd poświata niebieska będzie tam wyraźniejsza.

Opublikowano w dziale Lelony odkrywają dlaczego niebo jest niebieskie, nauki przyrodnicze dnia 16 paź 2023