Proč je nebe modré?

Světlo jako elektromagnetická vlna

Světlo přicházející ze Slunce není nic jiného než elektromagnetická vlna . Elektromagnetické záření je jedním ze způsobů, jak se energie šíří vesmírem. Pokud jsou elektromagnetické vlny seřazeny podle jejich charakteristických parametrů, např. frekvence, délky atd., získáme spektrum. Elektromagnetické spektrum představuje všechny druhy záření, které existují ve vesmíru. Viditelné světlo (rozsah od 380 nm do 780 nm) je jen malá část celého elektromagnetického spektra, konkrétně ta část, kterou jsme schopni vidět. Chová se jako vlna i jako proud částic. Tento jev se nazývá dualita vlna-částice. Bílé světlo vzniká kombinací několika jednoduchých barev, nazývaných primární barvy. Jsou viditelné například jako duha (bílé světlo rozptýlené v kapičkách vody). V rámci elektromagnetického spektra, které odpovídá bílému světlu, má červené světlo nejdelší vlnovou délku a fialové světlo nejkratší.

Proč vidíme konkrétní barvy?

Každému rozsahu spektra bílého světla jsou přiřazeny specifické barvy. Takové záření dopadající na určitý předmět bude absorbováno nebo odraženo. Například list, který přijímá světlo, jej pohlcuje, s výjimkou zelené vlnové délky. Neabsorbovaný fragment spektra je rozptýlen ve všech směrech. Část tohoto záření se dostane do oka a mozek „řekne“, že list je zelený. Podobně pozorujeme i další barvy, např. jahodově červenou. Více čtěte zde .

Rayleighův rozptyl

Při pohledu na oblohu vlastně pozorujeme tu část atmosféry, která je viditelná z povrchu Země. Světelná vlna přicházející ze Slunce se nešíří přímočaře. Na své cestě naráží na řadu překážek. Jedná se o mnoho molekul (hlavně dusíku a kyslíku), prachu, kapiček vody a ledových krystalků suspendovaných ve vzduchu. Způsobují rozptyl viditelného světla, jeho odraz nebo absorpci. Aby se záření dostalo na Zemi, musí projít všemi těmito překážkami. Ukazuje se, že při dopadu na částice suspendované v atmosféře se světlo rozptyluje a z celého spektra je nejvíce ovlivněna modrá barva. Tento efekt se nazývá Rayleighův rozptyl a je zodpovědný za modrou barvu oblohy. V roce 1899 John Rayleigh dokázal, že intenzita rozptýleného světla je nepřímo úměrná čtvrté mocnině vlnové délky. To znamená, že modré světlo (které vidíme na obloze) je čtyřikrát více rozptýleno než červené světlo, protože má kratší vlnovou délku ve spektru bílého světla. Vlnové délky odpovídající fialové barvě jsou však kratší, proto by obloha měla být fialová. Proč tomu tak není? Jedním z důvodů tohoto jevu je, že intenzita fialového záření, které dopadá na Zemi, je mnohem nižší. Kromě toho jsou naše oči několik setkrát méně citlivé na fialové světlo ve srovnání s modrým.

Jiné barvy oblohy

Způsob, jakým vidíme oblohu, je způsoben jevem Rayleighova rozptylu, který říká, že krátké vlnové délky, zodpovědné za modrou barvu, jsou mnohem silněji rozptýleny než dlouhé vlnové délky. Barva oblohy se však během dne mění. Modrá obloha je pozorována jen několik hodin odpoledne. Proč se mění při východu a západu slunce? Čím to je, že když slunce zapadne, barva oblohy se změní z modré, přes žlutou a nakonec na intenzivně červenou? Souvisí to s cestou, kterou musí sluneční paprsky urazit, aby dosáhly Země. Čím níže Slunce svítí v nebeské klenbě, tím větší je tato vzdálenost. Bílé světlo tedy dopadá pod malým úhlem a kratší vlnové délky, tedy ty, které jsou přiřazeny fialové a modré barvě, jsou příliš rozptýleny a nedosahují k oku pozorovatele. Viditelné jsou pouze barvy charakteristické pro dlouhé vlnové délky, tedy žlutá a červená. Způsobují charakteristickou barvu oblohy při západu slunce. Pro zajímavost stojí za zmínku, že vzorec navržený Rayleighem se týká rozptylu na malých částicích suspendovaných v atmosféře. Nevztahuje se např. na vodní kapky nebo ledové krystalky. Rozptyl na větších druzích vysvětluje Mieův roztok, popsaný v roce 1908. Říká, že bílé světlo dopadající například na mraky, které se skládají z vodních a ledových částic, se rozptyluje rovnoměrně bez ohledu na vlnovou délku. V důsledku toho se mraky zdají bílé. Čtěte také:jak popisujeme barvy ?