Dlaczego niebo jest niebieskie – czyli wyjaśnienie zagadki dzieciństwa

Dlaczego niebo jest niebieskie? Na to pytanie udało się odpowiedzieć dopiero w XIX w. Początkowo uważano, że kolor nieba ma związek z występowaniem zanieczyszczeń w atmosferze. Jednakże, w 1859 John Tyndall podczas badań nad promieniowaniem podczerwonym zauważył, że światło rozproszone przez oczyszczone powietrze ma kolor lekko niebieski. Zatem to nie zanieczyszczenia były przyczyną charakterystycznej barwy. Po publikacji dowodu na to, iż światło jest falą elektromagnetyczną, Lordowi Rayleighowi udało się opisać prawdziwą przyczynę barwy nieba. Przede wszystkim zależy ona od składu atmosfery oraz od długości fali świetlnej.

Skład atmosfery ziemskiej

Otóż jak powszechnie wiadomo, atmosfera Ziemi składa się głównie z azotu i tlenu. Cząsteczki atomów tych pierwiastków mają dużo mniejsze średnice niż długość fali, zatem zachodzi na nich zjawisko nazwane na cześć swojego odkrywcy – rozpraszanie Rayleigha. Polega ono na tym, że drgające cząsteczki wypromieniowują we wszystkich kierunkach falę elektromagnetyczną o takiej samej długości, jaka je pobudziła. A dlaczego właśnie niebieski? Tu właśnie należy odnieść się do wspomnianego odkrycia. Rayleigh zauważył, że rozproszenie światła silnie zależy od długości jego fali – jest odwrotnie proporcjonalne do jej czwartej potęgi. Światło niebieskie ma jedną z mniejszych długości fali – od 450 do 500 nm. Zostanie więc najsilniej rozproszone, przez co dotrze do ludzkich oczu ze wszystkich stron nieba. Większych długości fal będzie to dotyczyło w znacznie mniejszym stopniu, zatem inne kolory nie będą widoczne.

Wyjaśnienie odmiennych barw nieba

Jak zatem wytłumaczyć to, że podczas zachodu słońca niebo staje się czerwono-pomarańczowe? Gdy słońce znajduje się blisko horyzontu, fala świetlna musi się przedostać przez warstwy atmosfery bliższe powierzchni planety, które są gęstsze w porównaniu z wyższymi. Wtedy, światło niebieskie i zielone, czyli przyczyna dziennego błękitu, zostanie rozproszone wcześniej i nie dotrze do odbiorcy. Pozostanie tylko światło o większej długości fali – czerwone i pomarańczowe, które wtedy widzimy.

Dotychczasowe przemyślenia nie przyniosły odpowiedzi na jeszcze jedno pytanie. Jak wytłumaczyć biały bądź szary kolor nieba, kiedy jest pochmurno? Tu wyjaśnienia dostarczy rozpraszanie Mie. Dotyczy ono cząstek, których promień jest tylko nieznacznie mniejszy, lub wręcz równy długości fali świetlnej. Ponadto, zjawisko to jest mniej zależne od długości fali niż rozpraszanie Rayleigha. Zatem takie cząsteczki rozpraszają światło w przybliżeniu w jednakowy sposób, co powoduje, że docierające do oczu światło ma kolor biały.

Na początku artykułu wspomnieliśmy o tym, iż odcień nieba jest wypadkową dwóch czynników – długości fali świetlnej i składu atmosfery. Zatem, gdy w atmosferze znajduje się duża ilość metanu, niebo przybierze kolor zielony – tak dzieje się na Uranie i Neptunie. A co w sytuacji, gdy ciało niebieskie ma szczątkową atmosferę? Niebo z niego widoczne będzie czarne. Można takie zaobserwować z powierzchni Księżyca bądź Merkurego. Mam nadzieję, że teraz każdy z was będzie już znał odpowiedź na pytanie: dlaczego niebo jest niebieskie?