Warto przeczytać

Niebo czasem jawi nam się jako bezchmurne i niebieskie, innym razem ciemne i budzące grozę, a o zachodzie Słońca bywa zaś czerwone. Czym jest to spowodowane? Zanim wyjaśnimy istotę tego zjawiska, przypomnijmy sobie kilka podstawowych informacji na temat rozchodzenia się światła w przyrodzie.

RxnaZe4384W2q

Rys. 1. przedstawia wykres widma promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez Słońce. Widmo przedstawiono w układzie współrzędnych, jako zależność natężenia od długości fali. Oś pozioma jest wyskalowana od 200 do 1000 nanometrów, a oś pionowa od 0 do 100 miliwatów na metr kwadrat na nanometr. Widoczne linie siatki pomocniczej w postaci jasnoszarych linii przerywanych. Wyróżniono kolorem ciemnoróżowym trzy pionowe proste – dwie w okolicach 300, trzecią w punkcie 400 na osi poziomej. Te linie wskazują granice poszczególnych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego. Od 200 do 280 nanometrów UVC, od 280 do 315 UVB oraz od 315 do 400 UVA. Powyżej 400 nanometrów mamy spektrum widzialne. Fale o długości od 100 do 380 nm mają barwę ciemnofioletową i w sposób gradientowy przechodzą w widmo widzialne w postaci pionowych pasów w barwach od niebieskiej do czerwonej, w zakresie 380‑780 nm, zaś powyżej 780 nm – pas ciemnoczerwony przechodzi w brąz. Górny brzeg widma ma postać poszarpanej linii wznoszącej się stromo od 0 do wartości 100 w okolicach 450 nm i dalej opadającej łagodnie.

Fale elektromagnetyczne z zakresu od około 380 nm do około 780 nm nazywamy światłem widzialnym (Rys. 1.). Fale te rozchodzą się prostoliniowo, dopóki nie natrafią na przeszkody. Kiedy tak się stanie, światło może się odbić, zostać zaabsorbowaneabsorpcjazaabsorbowane lub rozproszonerozproszenie światłarozproszone. Na przykład światło białe padające na liść sałaty zostaje w większości pochłonięte. Jedynie kolor zielony, zawierający się w widmie światła białego, nie zostaje zaabsorbowanyabsorpcjazaabsorbowany, lecz rozproszyrozproszenie światłarozproszy się we wszystkich kierunkach. Część z tych promieni dotrze do oka. Wówczas mózg „powie” nam, że liść jest zielony, ponieważ światło takiego koloru rozproszyłorozproszenie światłarozproszyło się od niego i dotarło do naszych oczu. Natomiast kiedy światło spotka na swojej drodze przezroczystą dla niego przeszkodę, na przykład kroplę wody, ulegnie załamaniu, a czasem nawet rozszczepieniu na barwy składowe, które widoczne są w widmie przedstawionym na Rys. 1.

Powróćmy teraz do postawionych wcześniej pytań i zastanówmy się najpierw, dlaczego niebo jest niebieskie. Jak wiemy, atmosfera składa się z dużej ilości małych cząsteczek – głównie azotu (NIndeks dolny 2₂) i tlenu (OIndeks dolny 2₂). Okazuje się, że światło spotykając na swojej drodze takie cząsteczki, może rozproszyćrozproszenie światłarozproszyć się na nich (podobnie jak miało to miejsce w przypadku opisywanego wyżej liścia sałaty). Jednak, w przeciwieństwie do powyższego przykładu, to nie zielone światło rozprasza się najbardziej, lecz niebieskie. Mówimy tutaj o tak zwanym rozpraszaniu Rayleigha. Zachodzi ono dużo bardziej intensywnie dla fal krótkich (niebieskich) niż dla fal długich (czerwonych). W związku z tym, gdy spojrzymy w niebo, dostrzeżemy, że do naszych oczu dobiega światło o kolorze niebieskim, bo właśnie ono rozproszyłorozproszenie światłarozproszyło się na tych cząsteczkach najbardziej.

Przyjrzyjmy się temu bliżej. Rozchodząca się fala elektromagnetyczna przenosi energię. Chcąc ilościowo opisać to zjawisko używa się pojęcia natężenia fali. Natężenie rozpraszanego światła jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali:

gdzie R jest promieniem cząsteczki, na której rozprasza się światło, zaś $\lambda$ – długością fali świetlnej. Długość fali świetlnej jest o kilka rzędów większa od R, z tego względu efekt rozproszeniarozproszenie światłarozproszenia, który silnie zależy od $\lambda$, będzie intensywniejszy dla fal krótkich. To właśnie jest przyczyna niebieskiego koloru nieba. Chcąc zobaczyć to z nieco innej perspektywy, narysujmy jeszcze wykres zależności natężenia światła od długości fali (Rys. 2.). Widać na nim, że światło niebieskie (o mniejszej długości fali) jest rozpraszane znacznie silniej niż światło czerwone (o większej długości fali).

RyQU4lcJoQ1eB

Rys. 2. przedstawia wykres zależności natężenia światła od długości fali. Oś pozioma oznaczona jako: długość fali [nm – w nanometrach] jest wyskalowana od 300 nm do 800 nm. Oś pionowa oznaczona jako: natężenie światła słonecznego [lx – w luksach] jest wyskalowana od 0 do 0,7 lx. Widoczne poziome linie siatki, co 0,1. Linia niebieska zaczyna się w punkcie (350, 0,42) i kończy w punkcie (750, 0,42) i ma kształt grzbietu. Linia czerwona zaczyna się w punkcie (350, 0,55) i kończy w punkcie (750, 0,02) i ma kształt hiperboli.

Pozostaje pytanie – dlaczego nie widzimy jednak fioletu, który cechuje mniejsza $\lambda$? Po pierwsze, w widmie słonecznym jest stosunkowo mało fioletu, po drugie zaś – nasze oczy są bardziej wrażliwe na kolor niebieski.

Należy zwrócić jeszcze uwagę, że barwa nieba nie jest czystą barwą niebieską, lecz zawiera w sobie trochę wszystkich kolorów z widma ciągłego – aczkolwiek to niebieski jest tym dominującym. Jeśli jednak pojawi się jakiś czynnik, który spowoduje wyeliminowanie niebieskiej barwy, kolor nieba ulegnie zmianie – stanie się żółtawy. Jeśli usuniemy również zielony, to kolor przybierze odcienie pomarańczowego, a zabierając barwę żółtą – okaże się czerwony. Tak właśnie zmienia się kolor nieba w ciągu dnia. Im niżej Słońce świeci na sklepieniu, tym droga promieni biegnących do oka obserwatora przez atmosferę wydłuża się. Aby to lepiej zrozumieć, przyjrzyjmy się Rys. 3. O zachodzie światło słoneczne będzie ulegało wielokrotnie rozproszeniomrozproszenie światłarozproszeniom. Nawiązując do tego, co zostało powiedziane wcześniej – najczęściej rozpraszają się fale krótkie, w związku z tym, po pewnym czasie w obserwowanym widmie światła nie będzie już niebieskiego, a w świetle, które dotrze nad nasze głowy będzie dominowała czerwień.

R5uDxjdksBkqg

Rys. 3. przedstawia drogę promienia świetlnego przez atmosferę o różnych porach dnia. Po prawej stronie żółta kula obrazuje Słońce, po lewej stronie niebiesko‑zielona kula obrazuje Ziemię. Na czerwono zaznaczono dwa promienie: jeden biegnie poziomo od Słońca w kierunku Ziemi i jest podpisany "zachód Słońca"; drugi, również biegnący od Słońca w kierunku Ziemi jest odchylony od poziomu skośnie w dół i jest podpisany "południe".

Słowniczek