Strona głównaPytania → Skąd się biorą kolory nieba?

Skąd się biorą kolory nieba?

Pytanie

Pyta Katarzyna

Od czego zależy czy wschód i zachód słońca są czerwone bądź fioletowe (skrajne długości fal)? I dlaczego niebo jest niebieskie, a nie fioletowe (fioletowe fale są przecież krótsze)?

Odpowiedź

Odpowiada Prof. Szymon Malinowski

Wschód i zachód Słońca nigdy nie są fioletowe, natomiast często bywają czerwone, czasem na granicy purpury. Żeby to wyjaśnić, przyjrzyjmy się widmu promieniowania słonecznego. Jego maksimum odpowiada światłu zielonemu o długości fali ok. 525 nm, w krótszych i dłuższych długościach fal dochodzi mniej energii. Promieniowanie Słońca w drodze do powierzchni planety przebywa tym dłuższą drogę w atmosferze, im niższe (nad horyzontem) położenie Słońca. Popatrzmy teraz na promieniowanie jak na strumień fotonów o różnych energiach. Prawdopodobieństwo tego, że foton napotka na swojej drodze przeszkodę z którą zareaguje, rośnie wraz z długością drogi przez atmosferę. Są dwa rodzaje możliwych reakcji: pochłanianie (np. daleki nadfiolet jest pochłaniany przez tlen w bardzo wysokich warstwach atmosfery, bliski nadfiolet przez ozon w stratosferze, niektóre długości z zakresu podczerwieni są pochłaniane przez parę wodną) i rozpraszanie. Rozpraszanie może zachodzić na molekułach gazów powietrza (tzw. rozpraszanie Rayleigha), których gęstość fluktuuje w mikroskali (tzw. efekt Einsteina-Smoluchowskiego), oraz na aerozolach (mikroskopijnych cząsteczkach stałych lub ciekłych). Własności rozpraszania zależą od tzw. parametru rozpraszania: stosunku rozmiaru obiektu rozpraszającego do długości fali (dokładniej $x=2\pi d/\lambda$, gdzie $d$ to rozmiar obiektu, natomiast $\lambda$ to długość fali). Dla małych $x$ rozpraszanie jest niemal izotropowe (zachodzi we wszystkich kierunkach), dla dużych $x$ rozpraszanie jest silnie nieizotropowe – najsilniejsze do przodu i do tyłu. Czyli te same obiekty inaczej rozpraszają światło o różnych długościach fali. Gdy patrzymy na Słońce o zachodzie czy wschodzie, prawdopodobieństwo tego, że dotrze do nas foton odpowiadający światłu niebieskiemu, jest skrajnie małe (zostały one rozproszone we wszystkich kierunkach), niewielkie że dotrą fotony odpowiadające światłu zielonemu, znaczne że żółtemu, i duże że czerwonemu. Szczegóły zależą za każdym razem od stanu atmosfery i zawartości aerozolu, jednak w efekcie wschody i zachody widzimy w kolorach od żółtych po ciemnoczerwone.

Jeśli idzie o kolor nieba, to rzeczywiście fotony odpowiadające światłu fioletowemu są silniej rozpraszane we wszystkich kierunkach (docierają do nas z różnych obszarów nieba), ale po pierwsze fotonów odpowiadających światłu niebieskiemu jest więcej (patrz: widmo promieniowania słonecznego), a po drugie oko ludzkie ma niską czułość w zakresie fioletu i słabo odróżnia fiolet or błękitu – stąd niebo widzimy jako niebieskie.