Dlaczego niebo jest niebieskie?

Światło, jako fala elektromagnetyczna

Światło pochodzące ze Słońca to nic innego jak fala elektromagnetyczna. Promieniowanie elektromagnetyczne jest jednym ze sposobów na propagacje energii w przestrzeni. Jeżeli fale elektromagnetyczne zostaną uporządkowane zgodnie z charakterystycznymi dla nich parametrami, np. częstotliwością, długością itd., to uzyskamy widmo (nazywane także spektrum). Widmo elektromagnetyczne prezentuje wszystkie rodzaje promieniowania, jakie występują we wszechświecie.

Światło widzialne (zakres od 380 nm do 780 nm), czyli to, które jesteśmy w stanie zobaczyć, to tylko niewielki fragment z całego widma elektromagnetycznego. Zachowuje się zarówno jak fala, jak również strumień cząstek. To zjawisko nazywane jest dualizmem korpuskularno-falowym. Światło białe powstaje w wyniku nałożenia na siebie kilku prostych barw, nazywanych kolorami podstawowymi. Widoczne są np. jako tęcza (światło białe rozszczepione na kropelkach wody). We fragmencie widma elektromagnetycznego dla światła białego, najdłuższą długość fali ma barwa czerwona, natomiast najkrótszą – fioletowa.

Dlaczego widzimy określone barwy?

Dla każdego zakresu widma światła białego, przyporządkowane są określone barwy. Promieniowanie takie padając na dany przedmiot, zostanie przez niezaabsorbowane lub odbite. Dla przykładu liść, do którego dociera światło, absorbuje je, ale za wyjątkiem długości fali odpowiadającej barwie zielonej. Niezaabsorbowany fragment widma zostaje rozproszony we wszystkich kierunkach. Część z tego promieniowania dotrze do oka i mózg “powie”, że jest to kolor zielony. Na podobnej zasadzie obserwujemy inne barwy, np. czerwień truskawki. Więcej na ten temat tutaj.

Rozpraszanie Rayleigha

Patrząc na niebo, tak naprawdę obserwujemy część atmosfery, która jest widzialna z powierzchni Ziemi. Docierająca ze Słońca fala świetlna nie przebywa prostoliniowej odległości. Na swojej drodze napotyka szereg przeszkód. Są nimi wszelkie cząsteczki (głównie azotu i tlenu), pyły, kropelki wody i kryształki lodu zawieszone w powietrzu. Powodują one rozpraszanie światła widzialnego, jego odbicie lub zaabsorbowanie. Aby promieniowanie dotarło na Ziemię, musi pokonać wszystkie te przeszkody. Okazuje się, że padając na drobiny zawieszone w atmosferze, światło ulega rozproszeniu, a z całego widma najbardziej barwa niebieska. Efekt ten nazywany jest zjawiskiem rozpraszania Rayleigha i odpowiada za niebieski kolor nieba.

W 1899 roku John Rayleigh dowiódł, że natężenie rozproszonego światła jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali. Z tego wynika, że niebieskie światło (które widzimy na niebie) jest czterokrotnie silniej rozpraszane, niż światło o barwie czerwonej, ponieważ ma krótszy zakres fal w widmie światła białego. Jednak długości fal odpowiadające za barwę fioletową są krótsze, zatem niebo powinno być fioletowe. Dlaczego takie nie jest? Jedną z przyczyn takiego zjawiska jest to, że natężenie promieniowania fioletowego, które dociera do Ziemi jest znacznie mniejsze. Dodatkowo nasze oczy są kilkaset razy mniej wrażliwe na światło fioletowe, w porównaniu do niebieskiego.

Inne kolory nieba

To, jak widzimy niebo jest spowodowane zjawiskiem rozpraszania Rayleigha, które głosi, że fale krótkie, odpowiadające za kolor niebieski, są znacznie bardziej rozproszone niż fale długie. Jednak barwa nieba zmienia się w ciągu doby. Niebieskie niebo jest obserwowane jedynie przez kilka godzin południowych. Dlaczego zmienia się o wschodzie i zachodzie Słońca?

Dlaczego im bardziej Słońce zachodzi, tym zabarwienie nieba zmienia się od niebieskiego, przez żółte, w końcu do intensywnie czerwonego? Związane jest to z drogą, jaką muszą przebyć promienie słoneczne docierające do Ziemi. Im niżej Słońce świeci na sklepieniu, tym odległość ta jest większa. Światło białe więc pada pod niewielkim kątem i fale o mniejszych długościach, czyli przypisane barwie fioletowej i niebieskiej zostają rozproszone i nie docierają do oka obserwatora. Widoczne są jedynie barwy charakterystyczne dla długich fal, czyli żółty i czerwony. One powodują charakterystyczne zabarwienie nieba o zachodzie Słońca.

Jako ciekawostkę warto podać, że formuła zaproponowana przez Rayleigha, odnosi się do rozpraszania na zawieszonych w atmosferze cząsteczkach o niewielkich rozmiarach. Nie odnosi się np. do kropel wody czy kryształków lodu. Rozpraszanie na indywiduach o większych rozmiarach tłumaczy reguła Mie, opisana w 1908 roku. Głosi ona, że padające światło białe np. na chmury, które składają się z cząsteczek wody i lodu, jest rozpraszane jednakowo, bez względu na długość fali. W efekcie tego chmury widoczne są, jako białe obłoki.

Przeczytaj również: jak opisujemy kolory?