Perché è il cielo blu - Una domanda molto difficile con una risposta difficile. Se si evita un linguaggio scientifico, il cielo è blu perché la luce rossa è dispersa meno di altre e il viola è il più grande.
Molte persone sanno che la luce bianca consiste di 7 colori primari: rosso, arancione, giallo, blu, blu, verde e viola. Ogni colore può cambiare al diminuire della lunghezza dell'onda luminosa. Così, per esempio, gli astronauti che sono in orbita possono vedere un Sole piuttosto bianco su uno sfondo nero. Il fatto è che gli astronauti vedono la luce senza distorsioni nel normale spazio senz'aria, e noi sulla Terra guardiamo il Sole con il "filtro" creato dalla nostra atmosfera.
E la luce blu è meglio dispersa sulle più piccole molecole d'aria, più che su altre lunghezze d'onda, perché viaggiava come onde più corte, che hanno maggiori probabilità di distorcere e modificare i loro percorsi. Questa è una ragione comune che vediamo cielo blu sopra la terra.
Questo effetto è chiamato effetto Tyndall, ma è più spesso chiamato scattering di Rayleigh. Rayleigh è stato colui che ha studiato il problema in modo più dettagliato e ha formulato la sua descrizione matematica. In questo caso, la quantità totale di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda, se le molecole considerate qui sono sufficientemente piccole. Nell'atmosfera media della Terra, la luce blu è sparsa più della luce rossa, 4 volte, che è vicina a dieci. Ma in realtà, tutto non è così semplice. Oggi noi "sappiamo" che il colore del cielo sorge direttamente dai frammenti su piccole gocce di vapore acqueo.
Di tutti i 7 colori dello spettro, il rosso è il meno sparpagliato, un po 'più arancione, giallo, ecc. Per questo motivo, al tramonto e all'alba, vediamo il sole arancione-rosso. Ma quando sale più in alto e lo strato dell'atmosfera diventa sempre più sottile, la dispersione della luce sarà minore, il che significa che il Sole diventerà più bianco e più giallo.
Questa idea è ancora molto popolare, ma errata. La luce deve essere dispersa su molecole più piccole di ossigeno e azoto. Infatti, colui che lo dimostrò e mostrò che questo risultato era in buon accordo con le osservazioni era famoso per Albert Einstein. Ha anche suggerito che il fenomeno della diffusione della luce non è un effetto puramente meccanico, ma piuttosto elettromagnetico o addirittura quantistico, in cui i fotoni dispersi di luce cambiano la loro energia. Questo processo, se osservato a livello molecolare, implica un'eccitante modalità vibratoria delle molecole.
Tie colore e lunghezza d'onda
Cosa succede se guardiamo il cielo, lontano da esso? Quindi i raggi rossi passeranno di lato e praticamente non si dissiperanno. I raggi arancioni si dissiperanno un po ', quelli gialli più, e così via, fino a quando la luce violetta non sarà dissipata al massimo. Quindi possiamo vedere con voi qualcosa tra una luce viola troppo forte e un rosso molto debole, e in altre parole un'atmosfera che verrà pronunciata con luce blu.
Ciò accade, ad esempio, quando l'ossigeno fornisce energia aggiuntiva a un fotone sparpagliato più piccolo o spargendo uno stato vibrazionale precedentemente eccitato della molecola, che quindi trasferisce la sua energia vibrazionale al fotone incidente. In breve, alcune particelle atmosferiche diffondono la luce a causa della presenza di un campo elettromagnetico di onde luminose, che induce momenti di dipolo elettrico in queste molecole.
Allora perché a volte il cielo occidentale o orientale si illumina di colori diversi? A causa di un cambiamento temporaneo nella composizione dell'atmosfera. Se, ad esempio, nell'aria c'è molto vapore acqueo, le molecole dell'aria media sono più grandi e possono disperdere efficacemente anche la luce rossa. Inoltre, quando il sole è basso nel cielo, la sua luce deve passare attraverso una massa d'aria più densa prima di raggiungere l'osservatore. Quindi numerose particelle d'aria possono non solo disperdere una sola volta, ma anche ri-diffondere la luce molte volte. Il risultato finale di questo processo è una miscela completa di molte diverse lunghezze d'onda e direzioni del fascio, così l'illuminazione efficace appare più bianca del blu.
- Questo è interessante -
L'intero processo è molto complesso e richiede alcune conoscenze scientifiche. L'intera natura di questo fenomeno fu spiegata dall'inglese John William Strett, Lord Rayleigh III nel 1899.
Perché il cielo è blu? - video
Si scopre che pochissime persone conoscono la risposta a questa domanda apparentemente "sempre sospesa nell'aria". Spesso i bambini lo chiedono, ma gli adulti non sono pronti a dare una spiegazione. Molti credono che questa domanda provenga da una serie di quelli a cui non possiamo rispondere affatto, come "dove è la fine dell'universo". Ci sono persone che credono che questo sia il colore di una miscela di azoto e ossigeno, quando c'è un sacco di questi gas e sono evidenziati dal sole. Ci sono quelli che associano il colore del cielo alla rifrazione della luce negli strati dell'atmosfera. Coloro che erano eccellenti allievi a scuola diranno che, dicono, l'aria disperde il colore blu più intensamente di tutti gli altri colori dello spettro secondo la legge di Rayleigh, spesso senza comprendere l'essenza di questa dispersione. A proposito, la questione del colore del cielo è stata risolta dai fisici solo nel ventesimo secolo. Pertanto, non dovremmo essere particolarmente vergognosi.
Se l'aria è ulteriormente inquinata da piccole particelle, il tramonto sembra più rosso. Ciò accade molto spesso sul mare o nelle grandi aree industriali. 
Tuttavia, un po 'diverso, questa è la situazione nel caso di altri pianeti. Gli scienziati ritengono che il colore rossastro del cielo marziano sia il risultato della presenza di polvere rossa ricca di ferro nelle tempeste di polvere. Il colore accurato dipende dalle condizioni meteorologiche reali e sembra più blu quando l'atmosfera di Marte è relativamente calma. Questo corpo celeste non ha quasi atmosfera, quindi la luce non si diffonde affatto.
E sebbene questo problema non sia direttamente correlato alla temperatura, proviamo a capirlo. Non scaveremo molto in profondità nella fisica, ma ti ricorderemo le principali disposizioni sulla luce e l'aria.
La luce solare è una miscela di radiazioni di tutti i colori dell'arcobaleno, vale a dire onde elettromagnetiche con frequenze di oscillazioni tali che possono influenzare la retina dell'occhio umano. Il colore viola corrisponde alla lunghezza d'onda di emissione di 380 nm, rosso - 720 nm. Nella retina ci sono coni responsabili della percezione del colore. Coni di tre tipi: blu (responsabile della gamma delle alte frequenze), verde (responsabile delle frequenze medie) e rosso (per le basse frequenze). Le gamme di sensibilità dei coni si sovrappongono, ma il massimo cade su un determinato colore.
Ecco perché il cielo lunare sembra quasi nero e le sue ombre sono molto nitide. La luce che si sposta a terra dal sole sembra bianca o gialla. Ma in realtà consiste di tutti i colori dell'arcobaleno. Puoi vederlo usando un prisma o un vetro. Rompe la luce del sole nelle sue parti arcobaleno.
La luce del sole che passa attraverso il vetro dell'angolo mostrerà che è fatto da tutti i colori. Tenendo il libro bianco vicino al prisma mostra un arcobaleno. Usando un bicchiere di vino pieno d'acqua si creano alcuni arcobaleni alla luce del sole. Quando guardi il cielo, guardi veramente l'atmosfera della Terra. Questi sono miliardi di piccole molecole di ossigeno e azoto che galleggiano nel cielo. Queste molecole costituiscono l'aria che respiriamo.
Le molecole d'aria in uno stato normale non hanno carica, sono neutre. Tuttavia, sono costituiti da particelle cariche - elettroni e nuclei. Sotto l'influenza del campo elettrico, i nuclei si spostano in una direzione, gli elettroni nell'altra e un dipolo con il proprio campo elettromagnetico. Se un dipolo cade in un campo elettromagnetico alternato, allora inizia a oscillare, cioè le cariche positive e negative vengono spostate avanti e indietro e il dipolo stesso inizia a irradiare un'onda elettromagnetica. Nel nostro caso, l'onda elettromagnetica della luce solare fa sì che le molecole d'aria si trasformino in dipoli che emettono onde elettromagnetiche. Inoltre, la direzione dello studio dei dipoli può essere di ogni tipo. Secondo la legge di conservazione dell'energia, l'onda luminosa perde la sua intensità nella direzione originale. Questo è il principale meccanismo di diffusione della luce nell'aria. Piuttosto, non si tratta nemmeno di diffusione, ma dell'emissione di molecole d'aria dall'azione della luce. Guardiamo attraverso l'atmosfera e vediamo effettivamente la luce proveniente dal sole e dalla luce emessa dalle molecole della nostra atmosfera. Perché non è bianco, ma blu?
Quando la luce solare entra nell'atmosfera terrestre, la luce blu si riflette in tutte le direzioni. Illustrazione della dispersione del sole a causa delle molecole nell'atmosfera. Altri colori - rosso, arancione, giallo - rimbalzano anche sulle molecole, ma la luce blu è più dispersa. L'occhio è sensibile alla luce blu e questa energia riflessa fa apparire il cielo blu quando lo guardiamo.
Se vuoi esplorare questo argomento affascinante in modo più dettagliato, prova a passare attraverso le sezioni principali di questo sito per vedere perché il cielo è blu. Durante il giorno, il cielo senza nuvole appare blu, ma al mattino o alla sera diventa arancione al rosso. Il segreto di questo duo di colori è come la luce del sole si disperde nell'atmosfera.
Il fatto è che l'intensità della radiazione di un dipolo è proporzionale alla quarta potenza della frequenza di radiazione. Il più intensamente emesso dai dipoli dell'onda con la massima frequenza ed energia, corrispondente alla luce blu. Le onde di luce rossa interagiscono meno con le molecole d'aria. ie mentre passa attraverso l'atmosfera, il filtraggio bianco avviene attraverso lo spettro. Le molecole d'aria emettono per lo più il colore blu, cioè la luce che eccita i coni retinici blu e verdi è molto più forte dei coni rossi.
La tavolozza del cielo ha molto da offrire: in alternativa blu, bianco e grigio, giallo, rosso e arancione, e se aggiungi un arcobaleno, la gioia del colore sembra senza limiti. Il cielo pazzo domina il giorno in blu, anche se dietro di esso c'è l'oscurità dell'universo. Nelle belle serate, il cielo sprofonda in uno spettacolare colore rosso, anche se il sole splende con lo stesso colore del giorno. Il segreto di una tale varietà di colori è come la luce del sole si diffonde nell'atmosfera.
La luce del sole ci sembra bianco-giallastro, ma consiste in tutti i colori dell'arcobaleno, dal viola al blu, verde, giallo, arancione al rosso. Ognuno di questi colori corrisponde alla radiazione elettromagnetica di una specifica lunghezza d'onda. Questa lunghezza d'onda è la più breve per il blu e la più lunga per il rosso.
Il primo a fare un passo verso la corretta spiegazione del colore del cielo fu John Tindal nel 1865. Scoprì che con il passaggio dei raggi luminosi attraverso un ambiente in cui sono sospese piccole particelle di impurità, il colore blu si dissipa più intensamente del rosso. Di conseguenza, vediamo la colorazione della luce trasmessa in una tonalità blu. Questo può essere osservato osservando il lato del raggio di luce che attraversa l'acqua, leggermente appannato dal latte. Se non guardi da un lato, ma nella direzione del raggio, la luce diventa di colore rossastro, perché il componente blu è dissipato.
Diverse lunghezze d'onda svolgono ora un ruolo importante quando la luce si scontra con le molecole di gas che attraversano l'atmosfera, cambiando la sua direzione. I fisici dicono: la luce si è diffusa. Ogni volta che non guardiamo direttamente il sole, vediamo solo la luce diffusa che è venuta a sapere nei nostri occhi su diversi raggi solari. Pertanto, è il colore della luce diffusa che determina il colore del cielo.
La luce è dispersa nell'atmosfera, più piccola è la sua lunghezza d'onda. La luce blu è quindi più diffusa del rosso. Quando il sole è alto, il percorso della luce solare nell'atmosfera è piuttosto breve, è prevalentemente blu, quindi il cielo appare blu nel pomeriggio. A basse altitudini, il percorso della luce attraverso l'atmosfera è molto più lungo. A causa della dispersione, la componente blu diminuisce così tanto che quella rossa vince. Pertanto, il cielo nuvoloso è blu durante il giorno e rosso all'alba e al tramonto.
Pochi anni dopo, lo scienziato britannico Lord Rayleigh ha studiato questo effetto in modo più dettagliato. Ha mostrato che l'intensità della diffusione della luce su particelle di dimensioni molto piccole è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda della radiazione. Da ciò seguì che la luce blu è dispersa 10 volte più intensamente del rosso.
Tyndall e Rayleigh pensavano che l'azzurro del cielo fosse dovuto alla presenza di piccole particelle di polvere e vapore acqueo nell'atmosfera. Più tardi, gli scienziati si sono resi conto che se ciò fosse vero, osserveremmo significativamente più variazioni nel colore del cielo con cambiamenti di umidità, nebulosa e inquinamento atmosferico di quanto non si veda ora. Il problema è stato risolto da Einstein, che nel 1911 ha derivato una formula che descrive la dispersione della luce da parte delle molecole. La formula ha confermato tutti gli esperimenti precedenti. È stato dimostrato che non polvere e vapore, ma le molecole d'aria diffondono la luce, perché (come detto sopra) il campo elettromagnetico di luce avvia momenti di dipolo elettrico nelle molecole.
Nel caso di diffusione della luce nell'atmosfera, parliamo di diffusione di Rayleigh, dal nome del fisico britannico Lord Rayleigh. Lo scattering di Rayleigh è sempre presente quando la radiazione è dispersa su particelle che sono molto più piccole della lunghezza d'onda della radiazione. Questo è il caso delle molecole di gas nell'atmosfera. Le gocce d'acqua o i cristalli di ghiaccio nelle nuvole, d'altra parte, sono molto più lunghe della lunghezza d'onda della luce. Non c'è diffusione di Rayleigh qui, ma tutte le lunghezze d'onda della luce solare si riflettono su di esso, quindi le nuvole ci sembrano bianche.
A proposito, quando si valutano i dati di misurazione dei satelliti, anche la dispersione di Rayleigh dovrebbe essere presa in considerazione, ad esempio, se vengono utilizzati per misurare le onde del mare o lo spessore delle nubi. Lo scattering di Rayleigh si riferisce alla dispersione di onde elettromagnetiche su particelle piccole rispetto alla lunghezza d'onda delle onde disperse. Le particelle sono eccitate dalla radiazione elettromagnetica per vibrare e produrre come un'antenna trasmittente - il cosiddetto dipolo di Herzian - a sua volta, radiazione. I calcoli esatti mostrano che la potenza della radiazione è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda.
Perché il cielo non è viola, ma blu? Dopotutto, le onde viola sono più corte di quelle blu. La prima ragione è che lo spettro della radiazione solare non è uniforme. Il colore viola ce n'è di meno. Inoltre, i raggi viola sono sparsi negli strati più alti dell'atmosfera. La seconda ragione: la sensibilità dei nostri coni al viola è inferiore rispetto al blu. Il terzo motivo è che il colore blu irrita non solo i coni blu nella retina, ma anche un po 'di rosso e verde. Pertanto, il colore del cielo non è pallido, ma blu saturo, soprattutto quando l'aria è limpida.
Il cielo è blu solo quando l'aria è il più bassa possibile in termini di polvere e gas di scarico. Il nostro cielo è blu perché la terra è circondata dall'atmosfera, la cosiddetta atmosfera. L'atmosfera è costituita da una miscela di gas, principalmente azoto, seguita dall'aggiunta di ossigeno, vapore acqueo, anidride carbonica, metano e altri gas in piccole quantità. Sotto forma di minuscole particelle, le cosiddette molecole, questi gas formano la nostra busta d'aria. Sui corpi celesti che non hanno atmosfera, per esempio, sulla luna, il cielo è nero anche durante il giorno.
Il colore del tramonto è anche spiegato dalla dispersione della luce da parte delle molecole d'aria. Avendo viaggiato molto lontano dal Sole verso la Terra, il raggio perde tutte le sfumature blu. Solo i toni gialli e rossi raggiungono l'occhio. Intorno al mare, il tramonto può persino essere arancione, grazie alle particelle di sale nell'aria, che sono responsabili della dispersione di Tyndall.
Si noti che la composizione dell'atmosfera, ad es. la presenza di azoto e ossigeno, il colore del cielo è quasi indipendente. Se il pianeta ha un'atmosfera trasparente di sufficiente spessore e densità, illuminato da un luminare, il cui spettro è bianco, come quello del Sole, allora il cielo sarà blu.
Luce - Radiazione elettromagnetica
Per fare l'azzurro per noi, non c'è ancora alcuna radiazione solare, che ci raggiunge sotto forma di onde elettromagnetiche. Ciò che percepiamo come luce visibile è una piccola parte dello spettro elettromagnetico. La luce blu ha una lunghezza d'onda corta, sia verde che rossa. Si può anche immaginare che la luce blu si muova con molti piccoli passi veloci, il verde impieghi diversi grandi passi e infine la luce rossa si muova con passi ampi e ampi. Ora c'è un bianco, complesso raggio di luce del sole che cade nel terreno.
Come, quindi, spiegare che le immagini provenienti dalle astronavi che atterrano su Marte indicano che il cielo è rosa e rosso? Questo perché l'atmosfera di Marte è molto sottile e inquinata dalla polvere. La dispersione della luce solare non si verifica sulle molecole, ma principalmente sulla polvere sospesa. Molte particelle di polvere sono più grandi delle lunghezze d'onda della luce e sono costituite da ossido di ferro, che è di colore rosso.
Così, mentre affrettandosi lungo il suo percorso blu si scontra con le molecole dell'atmosfera, la luce rossa è in qualche modo molto migliore perché richiede grandi passi. Si dice anche che le parti blu della luce solare sono sparse in modo particolarmente forte, proprio a causa delle numerose collisioni. Tuttavia, le parti rosse sono molto meno inclini a scontrarsi con le molecole e potrebbero essere più semplici. Il cielo è blu perché la parte blu della luce solare è dispersa in modo particolarmente forte.
Questo effetto è chiamato diffusione di Rayleigh dopo il britannico Lord Rayleigh, che ha scoperto questo fenomeno. Lo scattering di Rayleigh descrive come le onde elettromagnetiche, inclusa la luce, si rompono su atomi o molecole. Il cielo appare particolarmente blu quando l'aria è completamente libera e priva di particelle di polvere. Perché la luce del sole non viene solo distrutta dalle molecole dell'aria, ma anche dalle sostanze in sospensione nell'atmosfera: fumo dai vulcani, gas di scarico delle piante, polvere e sabbia dai deserti.
Ora sai che rispondere alla domanda "perché il cielo è blu" non è molto semplice. Capiamo qualcosa, ma cosa dire ai bambini? Probabilmente, la nostra bella atmosfera è costituita da un'aria che emette luce blu quando il Sole lo riscalda. Perché il blu è il più forte di tutti i colori dell'arcobaleno.