Co jest przyczyną różnych kolorów nieba?

Co jest przyczyną różnych kolorów nieba: fizyka światła

Zastanawiasz się czasami, co jest przyczyną różnych kolorów nieba o poranku lub o zmierzchu? Zrozumienie tego zjawiska pozwala odkryć tajemnice optyki i uchronić się przed błędnymi teoriami. Poznaj fascynujące mechanizmy atmosferyczne, aby świadomie podziwiać codzienne spektakle nad swoją głową.

Co jest przyczyną różnych kolorów nieba i jak działa ta podniebna magia?

To, co jest przyczyną różnych kolorów nieba, to przede wszystkim zjawisko rozpraszania światła słonecznego przez cząsteczki gazów oraz pyły zawieszone w atmosferze. W zależności od pory dnia, czystości powietrza i kąta padania promieni, nasze oczy rejestrują całą paletę barw - od błękitu, przez krwistą czerwień, aż po stalową szarość.

Kiedyś myślałem - zresztą jak wielu moich znajomych w czasach szkolnych - że niebo jest niebieskie, bo po prostu odbija barwę oceanów. To niesamowicie popularny mit. Pamiętam moment, gdy podczas studiów fizyk rzucił nam proste pytanie o kolor nieba na pustyni, tysiące kilometrów od jakiejkolwiek wody. Poczułem wtedy lekkie zakłopotanie. Prawda okazała się zupełnie inna i o wiele bardziej fascynująca niż teoria o lustrzanym odbiciu wody w chmurach.

Światło docierające do nas ze Słońca wydaje się białe, ale w rzeczywistości składa się z fal o różnych długościach, które odpowiadają wszystkim kolorom tęczy. Kluczem do zagadki są cząsteczki azotu i tlenu stanowiące większość składu naszej atmosfery. Są one na tyle małe, że działają jak mikroskopijne przeszkody, z którymi zderzają się fale świetlne. Ale nie wszystkie fale reagują tak samo - i tu zaczyna się cała zabawa.

Dlaczego niebo jest niebieskie w słoneczny dzień i co ma z tym wspólnego ludzkie oko?

Za idealnie błękitny nieboskłon odpowiada fizyczny proces znany jako rozpraszanie Rayleigha. Cząsteczki gazów w powietrzu rozpraszają fale o krótkiej długości, czyli niebieskie i fioletowe, znacznie silniej niż długie fale czerwone. To sprawia, że niebieskie światło zostaje dosłownie rozrzucone we wszystkich kierunkach i dociera do nas z każdej strony nad naszymi głowami.

Skoro fioletowe fale są jeszcze krótsze i rozpraszają się najsilniej, to dlaczego w południe nie widzimy fioletowego nieba? Odpowiedź kryje się w biologii naszego wzroku, o czym rzadko wspominają podręczniki. Ludzkie siatkówki posiadają trzy rodzaje czopków odpowiedzialnych za widzenie barw - reagujące na kolor czerwony, zielony i niebieski. Nasze oczy są ewolucyjnie zaprogramowane tak, że wykazują minimalną wrażliwość na fiolet, za to niezwykle silnie reagują na pasmo niebieskie. Słońce emituje też po prostu znacznie więcej fotonów o barwie niebieskiej niż fioletowej. Ponadto wyższe warstwy atmosfery pochłaniają część fioletowego promieniowania, zanim w ogóle zbliży się ono do powierzchni Ziemi.

Od czego zależy barwa nieba podczas malowniczych wschodów i zachodów Słońca?

Podczas wschodu i zachodu sytuacja ulega drastycznej zmianie, ponieważ Słońce znajduje się nisko nad horyzontem. W tej pozycji jego promienie muszą pokonać ekstremalnie długą drogę przez warstwę atmosfery - nawet do dziesięciu razy dłuższą niż w południe. Na tak gigantycznym dystansie niemal cały błękit i fiolet ulegają całkowitemu rozproszeniu i uciekają w innych kierunkach, zanim w ogóle dotrą do poziomu naszych oczu.

Do naszych oczu przedzierają się wtedy głównie fale najdłuższe, czyli czerwone, pomarańczowe i różowe. Spektakularne, ogniste barwy są więc efektem ubocznym tego, że błękit został po prostu odfiltrowany przez potężną masę powietrza. Ale jest tu pewien haczyk, o którym rzadko się mówi - czysta atmosfera daje ładne, ale stosunkowo pastelowe zachody. Prawdziwą eksplozję nasyconych czerwieni i fioletów wywołują dopiero dodatkowe zanieczyszczenia.

Większe cząsteczki, takie jak pył wulkaniczny, aerozole czy dym z pożarów lasów, modyfikują proces rozpraszania światła. Blokują one i załamują promienie w taki sposób, że potęgują wrażenie purpury i złota. Z tego powodu najpiękniejsze, najbardziej dramatyczne zachody Słońca można zaobserwować po wielkich erupcjach wulkanicznych na świecie, gdy pył unosi się w stratosferze przez wiele miesięcy.

Szarość, biel i miejski smog - jak cząsteczki wody i zanieczyszczenia gaszą kolory

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja, gdy niebo staje się jednolicie białe, szare lub wręcz brudnożółte nad dużymi aglomeracjami. W grę wchodzi wtedy zupełnie inny mechanizm fizyczny, zwany rozpraszaniem Mie lub rozpraszaniem nieselektywnym. Zachodzi ono wtedy, gdy średnica cząsteczek w powietrzu jest większa lub równa długości fali światła słonecznego.

Kropelki wody tworzące mgłę lub chmury, kryształki lodu oraz grube cząstki pyłu zawieszonego rozpraszają wszystkie długości fal świetlnych dokładnie po równo. Kiedy kolory czerwony, zielony i niebieski mieszają się w identycznych proporcjach, ludzkie oko rejestruje po prostu czystą biel lub całą gamę szarości. Światło traci swoją wybiórczość, a niebo zamienia się w matowy ekran.

W miastach sytuację dodatkowo komplikuje obecność smogu, tlenków azotu oraz sadzy węglowej. Te sztuczne zanieczyszczenia nie tylko rozpraszają, ale też silnie pochłaniają konkretne pasma światła. Wynikiem tego jest charakterystyczne, mdłe, brązowawo-szare niebo, które odbiera krajobrazowi jakikolwiek naturalny kontrast i głębię.

W nocy z kolei, z powodu braku głównego źródła światła, jakim jest Słońce, niebo staje się czarne. Podobna wieczna czerń panuje w otwartej przestrzeni kosmicznej. Wynika to z prostego faktu - w próżni nie ma atmosfery ani żadnych cząsteczek, które mogłyby w jakikolwiek sposób rozpraszanie światła w atmosferze kolory nieba czy inne zjawiska optyczne generować.

Zestawienie kolorów nieba i wywołujących je zjawisk

Różne stany atmosfery i położenie Słońca diametralnie zmieniają sposób, w jaki światło dociera do naszych oczu. Poniższa lista pokazuje, co dokładnie odpowiada za konkretne barwy nad naszymi głowami.

⭐ Błękitny (klasyczne niebo w południe)

Silne rozpraszanie najkrótszych fal niebieskich we wszystkich kierunkach

Czopki w ludzkim oku są znacznie bardziej czułe na błękit niż na fiolet

Mikroskopijne cząsteczki azotu oraz tlenu

Rozpraszanie Rayleigha na cząsteczkach gazów

Czerwony i pomarańczowy (wschód / zachód)

Całkowite odfiltrowanie błękitu, do oka docierają tylko fale długie

Wzrok rejestruje wyłącznie pasmo czerwono-pomarańczowe blisko horyzontu

Gazy atmosferyczne wspierane przez aerozole i pyły

Wydłużona droga światła przez gęste warstwy atmosfery

Biały i szary (chmury, mgła, smog)

Jednakowe rozproszenie wszystkich barw widma, dające efekt bieli

Mieszanina wszystkich fal stymuluje równomiernie wszystkie trzy typy czopków

Duże krople wody, kryształki lodu, pyły zawieszone

Rozpraszanie Mie (nieselektywne rozpraszanie światła)

Doświadczenie Kamila z fotografią krajobrazową w Krakowie

Kamil, fotograf amator z Krakowa, od dłuższego czasu próbował uchwycić na zdjęciach idealnie czyste, pastelowe i różowe niebo tuż po zachodzie Słońca. Każda próba w okresie zimowym kończyła się jednak frustracją, ponieważ niebo na jego fotografiach miało dziwny, brudnożółty odcień.

Kamil początkowo myślał, że to wina złego balansu bieli w jego aparacie lub tanich filtrów obiektywowych. Spędził kilkanaście wieczorów na zmianie ustawień sprzętu i testowaniu drogich akcesoriów, jednak matowy, bury kolor nad horyzontem nie znikał.

Przełom nastąpił, gdy Kamil porównał mapy jakości powietrza z czystością nieba w zimowe wieczory i zorientował się, że winowajcą jest wysokie stężenie pyłów zawieszonych PM10. Zrozumiał, że grube cząstki smogu blokują naturalne rozpraszanie Rayleigha.

Kamil zmienił swoją strategię i zaczął polować na kadry wyłącznie wietrznym rankiem po przejściu frontu deszczowego, który całkowicie oczyścił miejską atmosferę. Efektem były perfekcyjne, kryształowo czyste kadry z głębokim błękitem i czystym różem, o jakich marzył od roku.