Każdy widzi niebo codziennie, ale mało kto potrafi jednym zdaniem wyjaśnić, dlaczego jest niebieskie. Odpowiedź nie ma nic wspólnego z kolorem powietrza ani odbiciem od oceanu, tylko z fizyką światła i tym, jak zachowuje się w atmosferze. Wystarczy kilka prostych pojęć: światło białe, rozpraszanie i długość fali, żeby cała zagadka stała się logiczna. Po przeczytaniu tego tekstu uczeń bez problemu wytłumaczy to zjawisko na klasówce, a przy okazji zrozumie, czemu niebo bywa też czerwone, białe albo szare.
Światło białe wcale nie jest białe
Na początek trzeba uporządkować jedną rzecz: światło Słońca, które na co dzień nazywa się „białym”, w rzeczywistości jest mieszaniną wielu kolorów. To widać chociażby w tęczy albo w pryzmacie na lekcji fizyki.
Światło, które dociera ze Słońca, składa się z fal o różnych długościach. Różne długości fal są odbierane przez oko jako różne kolory:
- najdłuższe fale – czerwone, pomarańczowe
- średnie – żółte, zielone
- krótkie – niebieskie, fioletowe
Dla prostoty, zwykle mówi się o kilku głównych barwach: czerwonej, pomarańczowej, żółtej, zielonej, niebieskiej, granatowej i fioletowej. W normalnych warunkach wszystkie te fale docierają razem do oka, więc mózg „skleja” je w jedną barwę – białą.
Atmosfera – scena, na której gra światło
Ziemia nie jest otoczona pustką. Wokół znajduje się atmosfera, czyli warstwa gazów: głównie azot, tlen i domieszki innych składników. Dla zrozumienia koloru nieba wystarczy wiedzieć, że:
- powietrze składa się z miliardów cząsteczek na każdy centymetr sześcienny
- światło lecące ze Słońca musi przez tę warstwę przejść
- podczas tego „przelotu” część światła zderza się z cząsteczkami gazu
Niebo nie ma własnego koloru jak np. ściana w pokoju. To, co widać nad głową, to po prostu rozproszone światło. Żeby zrozumieć, dlaczego akurat niebieskie, trzeba przyjrzeć się bliżej temu rozpraszaniu.
Rozpraszanie Rayleigha – główny winowajca niebieskiego nieba
Najważniejsze zjawisko, które odpowiada za kolor nieba, nosi nazwę rozpraszania Rayleigha. Brzmi poważnie, ale da się to wytłumaczyć bez wzorów.
Co to znaczy, że światło się rozprasza?
Gdy światło leci prosto, a nic go nie zatrzymuje, kieruje się w jedną stronę – jak wiązka latarki w ciemnym pomieszczeniu. Kiedy jednak trafi na małe cząsteczki (np. gaz w atmosferze), część tego światła odbija się w różnych kierunkach. To właśnie rozpraszanie.
W przypadku atmosfery:
- cząsteczki gazu są znacznie mniejsze niż długość fali światła
- w takiej sytuacji krótsze fale (niebieskie, fioletowe) rozpraszają się dużo silniej niż dłuższe (czerwone)
- różnica jest ogromna – krótsze fale mogą rozpraszać się nawet kilkanaście razy mocniej
To właśnie nazywa się rozpraszaniem Rayleigha: światło o krótszej długości fali jest wyraźnie mocniej rozpraszane przez małe cząsteczki niż światło o dłuższych falach.
Światło niebieskie i fioletowe rozprasza się w atmosferze nawet ok. 10 razy mocniej niż światło czerwone. Dlatego niebo jest niebieskie, a nie np. żółte.
Dlaczego widać niebieski, a nie fioletowy?
Skoro najbardziej rozprasza się światło fioletowe, mogłoby się wydawać, że niebo powinno być fioletowe. Tak się jednak nie dzieje, z kilku powodów:
- oko ludzkie jest mniej czułe na fiolet niż na niebieski
- część światła fioletowego jest pochłaniana w wyższych warstwach atmosfery
- resztki fioletu wymieszane z mocnym niebieskim dają w efekcie kolor, który odbierany jest właśnie jako niebieski
Dlatego na co dzień widoczne jest czyste, mniej lub bardziej intensywne niebo w odcieniach niebieskiego, a nie fioletowa kopuła nad głową.
Dlaczego Słońce jest żółte, a nie białe?
Ciekawostką jest to, że gdy niebo jest bezchmurne, Słońce postrzegane jest zwykle jako żółte. A przecież wcześniej pojawiła się informacja, że jego światło jest z natury białe.
Dzieje się tak dlatego, że:
- po drodze przez atmosferę część niebieskiej i fioletowej składowej światła została rozproszona na boki
- do oka patrzącego bezpośrednio na Słońce (czego i tak nie należy robić!) dociera więc mniej krótkich fal
- przeważa to, co zostało: żółcie, pomarańcze i czerwień, które razem wyglądają jak lekko żółte światło
Można to porównać do sytuacji, w której z białej farby „wyjmuje się” niebieski pigment. Mieszanka, która zostaje, nie jest już biała, tylko lekko żółtawa.
Dlaczego niebo zmienia kolor o wschodzie i zachodzie?
Rano i wieczorem niebo nagle robi się czerwone, pomarańczowe lub różowe. To ciągle to samo rozpraszanie Rayleigha, ale zmieniają się warunki.
Dłuższa droga przez atmosferę
Kiedy Słońce jest wysoko na niebie, jego światło przechodzi przez stosunkowo cienką warstwę atmosfery – lecą prawie „na skróty”. O wschodzie i zachodzie Słońce jest nisko nad horyzontem, więc promienie muszą przejść przez znacznie dłuższą drogę w powietrzu.
Efekt:
- krótkie fale (niebieskie, fioletowe) po drodze rozpraszają się „na boki” prawie całkowicie
- do obserwatora patrzącego w stronę Słońca dociera głównie to, co zostało: czerwień, pomarańcz, żółć
Dlatego tarcza Słońca i okolica przy horyzoncie mają ciepłe barwy, a wyżej na niebie mogą jeszcze być widoczne resztki niebieskiego.
Chmury, pył i zanieczyszczenia
Kolor nieba o wschodzie i zachodzie mocno zależy też od tego, co znajduje się w powietrzu:
- pył i aerozole (np. po wybuchu wulkanu, pożarach, w dużych miastach) potrafią wzmacniać czerwienie i pomarańcze
- chmury odbijają i rozpraszają światło dodatkowo, co może dać spektakularne, „płonące” niebo
Im dłuższa droga światła przez atmosferę, tym więcej niebieskich fal „gubi się” po drodze, a tym silniej podkreślone są czerwienie i pomarańcze.
Dlaczego niebo jest czasem białe lub szare?
Niebo wcale nie musi być niebieskie. Bywa białe, mleczne albo zwyczajnie szare. Wtedy główną rolę grają już nie pojedyncze cząsteczki gazu, tylko krople wody i pył.
Rozpraszanie na większych cząstkach
Jeśli w powietrzu pojawia się dużo większych cząstek niż pojedyncze cząsteczki gazu – krople mgły, kropelki chmur, pyły – zaczyna dominować inny rodzaj rozpraszania. Tego typu cząstki:
- rozpraszają prawie wszystkie kolory podobnie
- nie „faworyzują” już niebieskiego tak bardzo
- w rezultacie do oka trafia mieszanina światła, która pokrywa całe niebo jednolitą bielą lub szarością
Chmury są więc białe lub szare właśnie dlatego, że silnie rozpraszają całe światło, a nie konkretny kolor. Gdy niebo jest całkowicie zachmurzone, praktycznie nie ma szans zobaczyć klasycznego błękitu.
Co by było, gdyby nie było atmosfery?
Dla pełnego obrazu warto zadać proste pytanie: co byłoby widać, gdyby atmosfera zniknęła? Odpowiedź można podejrzeć na zdjęciach z Księżyca lub z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
- bez atmosfery nie byłoby cząsteczek, na których mogłoby się rozpraszać światło
- niebo w dzień byłoby czarne, choć Słońce świeciłoby tak samo
- widziane byłyby gwiazdy, nawet gdy jest jasno
Kolor nieba to w dużej mierze „efekt uboczny” obecności atmosfery. Bez niej dzień wyglądałby zupełnie inaczej.
Podsumowanie – krótkie wyjaśnienie dla ucznia
Całą historię o niebieskim niebie da się streścić w kilku zdaniach, nadających się do powtórki przed klasówką.
- Światło Słońca jest białe, czyli złożone z wielu kolorów o różnych długościach fali.
- Atmosfera Ziemi zawiera ogromną liczbę małych cząsteczek gazu, na których światło się rozprasza.
- Krótkofalowe światło niebieskie i fioletowe rozprasza się znacznie mocniej (rozpraszanie Rayleigha) niż fale czerwone.
- Przez to z każdej strony nieba do oka dociera głównie rozproszone światło niebieskie, więc niebo wydaje się niebieskie.
- O wschodzie i zachodzie Słońca światło przechodzi dłuższą drogę przez atmosferę, niebieskie fale są prawie całkiem rozproszone, a do obserwatora docierają głównie czerwienie i pomarańcze.
- Gdy w powietrzu jest dużo chmur, mgły lub pyłów, wszystkie kolory rozpraszają się podobnie i niebo robi się białe lub szare.
Po zrozumieniu tego mechanizmu kolor nieba przestaje być „magiczny”. Zostaje czysta fizyka światła i bardzo praktyczny przykład na to, że w szkole nie uczy się wzorów dla samych wzorów – tylko po to, żeby lepiej rozumieć świat, który widać za oknem.