Dlaczego chmura jest biała?

Dlaczego chmura jest biała?

Chmury są białe, ponieważ składają się z milionów mikroskopijnych kropel wody i kryształków lodu, które odbijają i rozpraszają światło słoneczne we wszystkich kierunkach. Ponieważ światło słoneczne zawiera wszystkie kolory tęczy, ich równomierne zmieszanie daje w efekcie czystą biel widoczną dla dlaczego chmura jest biała.

Bądźmy szczerzy - fizyka atmosfery bywa skomplikowana. Ale ten konkretny mechanizm jest dość logiczny. Zjawisko to nazywa się rozpraszaniem Mie. Kiedy światło słoneczne trafia na krople wody o wielkości około 10-15 mikrometrów, rozprasza się równomiernie niezależnie od długości fali. Grube chmury potrafią odbić nawet 90% padającego na nie światła słonecznego z powrotem w przestrzeń kosmiczną.

Zawsze myślałem, że chmury są zrobione z jakiegoś lekkiego gazu, niemal nic nie ważącego dymu. Prawda okazała się zupełnie inna. Przeciętna chmura cumulus - ta puszysta, biała struktura - waży około 500 ton. To waga blisko stu słoni. Zawieszona prosto nad twoją głową.

Jak powstaje kolor chmur w ciągu dnia?

Większość z nas zakłada, że chmura ma swój własny, stały kolor. Błąd. Chmura działa bardziej jak gigantyczne lustro lub przestrzenny pryzmat. W godzinach południowych kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię chmur jest duży, a światło dociera niemal prostopadle.

Promienie słoneczne (wszystkie ich barwy jednocześnie) są rozpraszane przez krople wody równomiernie. Rzadko kiedy zastanawiamy się nad tym procesem - po prostu patrzymy w górę i widzimy biel.

Jednak grubość warstwy wodnej ma kluczowe znaczenie. Chmura burzowa (cumulonimbus) może osiągać wysokość nawet 15 kilometrów. Kiedy jest tak niesamowicie gruba, promienie słoneczne po prostu nie są w stanie przebić się przez całą warstwę chmury do jej dna.

Górna część skutecznie odbija światło, ale podstawa pozostaje w głębokim cieniu, przez co wydaje się nam ciemnoszara lub niemal czarna. To właśnie ten brak światła - a nie zmiana właściwości chemicznych - zwiastuje nadchodzący deszcz.

Dlaczego chmury zmieniają kolor na czerwony o zachodzie słońca?

Kiedy słońce chyli się ku zachodowi, zasady optycznej gry ulegają całkowitej zmianie. Słońce znajduje się w pobliżu horyzontu. Promienie słoneczne muszą pokonać około 38 razy dłuższą drogę przez atmosferę niż w samo południe. To krytyczny moment dla kolorów.

Wkracza tu rozpraszanie Rayleigha, które działa w czystym powietrzu (zupełnie inaczej niż rozpraszanie w samych chmurach). Cząsteczki powietrza intensywnie rozpraszają krótkie fale - niebieskie i fioletowe - we wszystkich kierunkach, zanim w ogóle dotrą one do chmur. Długie fale, czyli odcienie czerwieni, żółci i pomarańczu, z łatwością przebijają się przez tę gęstą zupę powietrzną.

Docierają one w końcu do dolnej części chmur i oświetlają je od spodu. Widok bywa spektakularny. Kiedyś próbowałem sfotografować ten idealny moment na plaży, ale spóźniłem się dosłownie o kilka minut.

Zrozumiałem wtedy, że okno czasowe na idealne czerwone chmury wynosi zazwyczaj zaledwie 15-20 minut przed samym zachodem słońca.

Rozpraszanie światła: W chmurach vs W czystym powietrzu

Rozpraszanie Mie (W chmurach)

- Względnie duże krople wody i kryształki lodu

- Rozprasza wszystkie długości fal światła widzialnego równomiernie

- Wyłącznie wewnątrz struktury chmury lub we mgle

- Tworzy idealnie biały kolor (zmieszanie wszystkich barw)

Rozpraszanie Rayleigha (W czystym powietrzu)

- Mikroskopijne cząsteczki gazów w atmosferze (azot, tlen)

- Silnie rozprasza krótkie fale (niebieskie), przepuszcza fale długie (czerwone)

- W całej atmosferze Ziemi, przestrzeni między chmurami

- Nadaje niebu niebieski kolor w dzień i czerwony o zachodzie

Fotografowanie chmur nad Bałtykiem

Marek, 32-letni fotograf krajobrazu z Gdyni, chciał stworzyć minimalistyczną serię zdjęć idealnie białych chmur kontrastujących z mocnym błękitem nieba. Zaczynał swoje sesje bardzo wcześnie rano, ale efekty były mizerne - chmury na zdjęciach uparcie wychodziły płaskie, posępne i szarawe, psując całą artystyczną koncepcję.

Początkowo myślał, że to wina złego balansu bieli w jego nowym aparacie. Próbował wymuszać ekspozycję o dwa stopnie w górę, by rozjaśnić obraz. Zamiast perfekcyjnie białych chmur, otrzymywał przepalone, nienaturalne plamy pozbawione jakiejkolwiek struktury wodnej.

Przełom nastąpił, gdy podczas frustrującej edycji przeczytał artykuł o właściwościach optycznych zjawisk meteorologicznych. Zrozumiał, że kąt padania światła to absolutny klucz. Zamiast robić zdjęcia o 8 rano, zaczął polować na chmury cumulus dokładnie między godziną 11 a 14, kiedy mocne promienie słoneczne oświetlały je z góry, maksymalizując efekt odbicia.

Zmiana pory fotografowania zwiększyła kontrast o 65%. Marek przestał wreszcie tracić długie godziny na ratowanie cieni w edytorach graficznych, a jego seria zdjęć ostatecznie zdobyła wyróżnienie w lokalnym konkursie, udowadniając mu dobitnie, że wiedza o fizyce światła jest ważniejsza niż najdroższy obiektyw.