Zakaj je nebo modro - Zelo težko vprašanje z neugodnim odgovorom. Če se izogibate znanstvenemu jeziku, potem je nebo modro, ker je rdeča luč razpršena najmanj od drugih, in škrlatna je največja.
Veliko ljudi ve, da belo svetlobo sestavlja 7 osnovnih barv: rdeča, oranžna, rumena, modra, modra, zelena in vijolična. Vsaka barva se lahko spremeni, ko se valovna dolžina zmanjša. Tako lahko na primer astronavti, ki so v orbiti, na črnem ozadju vidijo precej belo sonce. Dejstvo je, da astronavti vidijo svetlobo brez popačenja v navadnem brezzračnem prostoru, mi pa na Zemlji gledamo Sonce s "filtrom", ki ga ustvarja naše vzdušje.
In modra svetloba je bolje razpršena na najmanjših molekulah zraka, bolj kot na drugih valovnih dolžinah, ker je potovala kot krajši valovi, ki so bolj verjetno izkrivili in spremenili svoje poti. To je običajen razlog, ki ga vidimo modro nebo nad zemljo.
Ta učinek se imenuje Tyndallov učinek, vendar ga pogosteje imenujemo Rayleighovo sipanje. Rayleigh je bil tisti, ki je podrobneje preučil problem in formuliral svoj matematični opis. V tem primeru je skupna količina razpršene svetlobe obratno sorazmerna s četrto močjo valovne dolžine, če so le obravnavane molekule dovolj majhne. V srednjem vzdušju Zemlje je modra svetloba razpršena več kot rdeča, 4-krat, kar je skoraj deset. Toda v resnici ni vse tako preprosto. Danes »vemo«, da se barva neba pojavi neposredno iz fragmentov na majhnih kapljicah vodne pare.
Od vseh 7 barv spektra je rdeča barva najmanj razpršena, malo bolj oranžna, rumena itd. Iz tega razloga, ob sončnem zahodu in zori, vidimo sonce oranžno-rdeče. Toda ko se dvigne višje in sloj ozračja postane tanjši in tanjši, bo razpršitev svetlobe manjša, kar pomeni, da bo Sonce postalo bolj belo in rumeno.
Ta ideja je še vedno zelo priljubljena, vendar napačna. Svetloba mora biti razpršena na manjše molekule kisika in dušika. Pravzaprav je tisti, ki je to dokazal in pokazal, da je ta rezultat v dobrem soglasju z opazovanji, znan po Albertu Einsteinu. Predlagal je tudi, da fenomen sipanja svetlobe ni zgolj mehanski, temveč elektromagnetni ali celo kvantni učinek, v katerem razpršeni fotoni svetlobe spremenijo svojo energijo. Ta proces, če ga gledamo na molekularni ravni, vključuje razburljiv tako imenovani vibracijski način molekul.
Barva kravate in valovna dolžina
Kaj se zgodi, če pogledamo v nebo, stran od njega? Nato bodo rdeči žarki prešli na stran in se praktično ne bodo razpršili. Oranžni žarki se bodo malo razpršili, rumeni več, in tako naprej, dokler se vijolična svetloba ne razprši čim bolj. Torej lahko vidimo z vami nekaj med premočno vijolično svetlobo in zelo šibko rdečo, torej ozračje, ki bo jasno izraženo z modro svetlobo.
To se zgodi, na primer, ko kisik dodaja dodatno energijo manjšemu razpršenemu fotonu ali s sipanjem predhodno vzbujenega vibracijskega stanja molekule, ki nato prenese svojo vibracijsko energijo na incidentni foton. Skratka, nekateri atmosferski delci razpršijo svetlobo zaradi prisotnosti elektromagnetnega polja svetlobnih valov, ki inducira električne dipolne momente v teh molekulah.
Zakaj včasih zahodno ali vzhodno nebo žari z različnimi barvami? Zaradi začasne spremembe v sestavi ozračja. Če je na primer v zraku veliko vodne pare, so srednje molekule zraka večje in lahko učinkovito razpršijo tudi rdečo svetlobo. Poleg tega, ko je sonce nizko na nebu, mora njegova svetloba skozi debelejšo maso zraka doseči opazovalca. Nato številni zračni delci ne morejo samo enkrat razpršiti, temveč tudi večkrat razpršiti svetlobo. Končni rezultat tega procesa je popolna mešanica različnih valovnih dolžin in smeri žarka, tako da je učinkovita osvetlitev bolj bela kot modra.
- To je zanimivo -
Celoten proces je zelo zapleten in potrebuje nekaj znanstvenega znanja. Celotno naravo tega pojava je razložil Anglež John William Strett, lord Rayleigh III leta 1899.
Zakaj je nebo modro? - video
Izkazalo se je, da zelo malo ljudi pozna odgovor na to na videz "vedno visi vprašanje v zraku". Pogosto se o tem sprašujejo otroci, vendar odrasli niso pripravljeni pojasniti. Mnogi verjamejo, da je to vprašanje iz vrste tistih, ki jih sploh ne moremo odgovoriti, kot je "kje je konec vesolja." Obstajajo ljudje, ki verjamejo, da je to barva mešanice dušika in kisika, ko je veliko teh plinov in so izpostavljeni soncu. Obstajajo tisti, ki barvo neba povezujejo z lomom svetlobe v slojih ozračja. Tisti, ki so bili odlični učenci v šoli, bodo povedali, da, po njihovem mnenju, zrak razprši modro barvo bolj intenzivno kot vse druge barve spektra po Rayleighovem zakonu, pogosto brez razumevanja bistva tega razprševanja. Mimogrede, vprašanje barve neba so se odločili fiziki le v dvajsetem stoletju. Zato se ne smemo posebej sramovati.
Če se zrak še bolj onesnažuje z majhnimi delci, se zdi sončni zahod bolj rdeč. To se dogaja zelo pogosto na morju ali v velikih industrijskih območjih. 
Vendar je to nekoliko drugačno, to je stanje v primeru drugih planetov. Znanstveniki menijo, da je rdečkasta barva marsovskega neba posledica prisotnosti rdeče železom bogatega prahu v prašnih nevihtah. Natančna barva je odvisna od dejanskih vremenskih razmer in je videti bolj modra, ko je ozračje na Marsu relativno mirno. To nebesno telo nima skoraj nobenega ozračja, zato se svetloba sploh ne razprši.
In čeprav to vprašanje ni neposredno povezano s temperaturo, poskusimo ugotoviti. Ne bomo globoko kopali v fiziko, ampak vas bomo spominjali na glavne točke o svetlobi in zraku.
Sončna svetloba je mešanica sevanja vseh barv mavrice, tj. elektromagnetna valovanja s frekvencami nihanj, ki lahko vplivajo na mrežnico človeškega očesa. Vijolična barva ustreza valovni dolžini 380 nm, rdeči - 720 nm. V mrežnici so stožci, ki so odgovorni za zaznavanje barv. Obstajajo tri vrste stožcev: modra (odgovorna za visoko frekvenčno območje), zelena (odgovorna za srednja) in rdeča (za nizke frekvence). Območja občutljivosti stožčkov se prekrivajo, največja pa pade na določeno barvo.
Zato se zdi, da je lunino nebo skoraj črno, njegove sence pa so zelo ostre. Svetloba, ki se iz sonca premika na tla, je bela ali rumena. V resnici pa je sestavljena iz vseh barv mavrice. Vidite ga lahko s prizmo ali steklom. Razbija sončno svetlobo v mavrične dele.
Sončna svetloba, ki prehaja skozi vogalno steklo, bo pokazala, da je izdelana iz vseh barv. Držanje belega papirja v bližini prizme prikazuje mavrico. Z vinsko steklo, napolnjeno z vodo, nastanejo mavrice na sončni svetlobi. Ko pogledate v nebo, resnično pogledate v ozračje Zemlje. To so milijarde majhnih molekul kisika in dušika, ki plavajo po nebu. Te molekule tvorijo zrak, ki ga dihamo.
Zračne molekule v normalnem stanju so brezplačne, nevtralne. Vendar pa so sestavljeni iz nabitih delcev - elektronov in jeder. Pod vplivom električnega polja se jedra premaknejo v eno smer, elektroni v drugem in dobimo dipol z lastnim elektromagnetnim poljem. Če dipol pade v izmenično elektromagnetno polje, se začne nihati, to pomeni, da se pozitivni in negativni naboji premikajo naprej in nazaj, sam dipol pa začne sevati elektromagnetni val. V našem primeru elektromagnetni val sončne svetlobe povzroči, da se molekule zraka spremenijo v dipole, ki oddajajo elektromagnetne valove. Poleg tega je lahko smer študija dipolov vse vrste. Z zakonom ohranjanja energije svetlobni val izgubi svojo intenzivnost v prvotni smeri. To je glavni mehanizem sipanja svetlobe v zraku. Namesto tega ne gre niti za sipanje, temveč za emisijo molekul zraka z delovanjem svetlobe. Pogledamo skozi ozračje in dejansko vidimo svetlobo sonca in svetlobo, ki jo oddajajo molekule naše atmosfere. Zakaj ni bele, ampak modre?
Ko sončna svetloba vstopi v Zemljino atmosfero, se modra svetloba odraža v vseh smereh. Ilustracija sipanja sončne svetlobe zaradi molekul v atmosferi. Druge barve - rdeča, oranžna, rumena - prav tako odbijajo molekule, modra svetloba pa je najbolj razpršena. Vaše oko je občutljivo na modro svetlobo, ta odbita energija pa naredi nebo modro, ko ga gledamo.
Če želite podrobneje raziskati to zanimivo temo, poskusite skozi glavne dele tega spletnega mesta, da vidite, zakaj je nebo modro. Čez dan je nebeško nebo videti modro, vendar zjutraj ali zvečer postane oranžno do rdeče. Skrivnost tega barvnega dueta je razpršitev sončne svetlobe v ozračju.
Dejstvo je, da je jakost sevanja dipola sorazmerna s četrto močjo sevalne frekvence. Najbolj intenzivno oddajajo dipoli vala z največjo frekvenco in energijo, ki ustrezajo modri svetlobi. Valovi rdeče svetlobe manj vplivajo na molekule zraka. Tj pri prehodu skozi ozračje obstaja nekakšno filtriranje bele barve po vsem spektru. Zračne molekule oddajajo predvsem modro barvo, kar pomeni, da je svetloba, ki vzbuja modre in zelene mrežaste stožce, veliko močnejša od rdečih stožcev.
Paleta neba ima veliko za ponuditi: kot alternativno modro, belo in sivo, rumeno, rdečo in oranžno barvo, če pa dodate mavrico, je barva veselja neomejena. Madžarsko nebo dominira čez dan v modri barvi, čeprav za njim leži črna vesolja. Na čudovitih večerih se nebo potopi v spektakularno rdečo barvo, čeprav sonce sije v enaki barvi kot čez dan. Skrivnost takšnih raznovrstnih barv je, kako se razprši sončna svetloba v ozračju.
Svetloba sonca se nam zdi rumeno-bela, vendar je sestavljena iz vseh barv mavrice, od vijolične do modre, zelene, rumene, oranžne do rdeče. Vsaka od teh barv ustreza elektromagnetnemu sevanju določene valovne dolžine. Ta valovna dolžina je najmanjša za modro in najdaljša za rdečo.
John Tindal je bil prvi, ki je naredil korak k pravilni razlagi barve neba leta 1865. Odkril je, da ko svetlobni žarki preidejo v okolje, v katerem so suspendirani majhni delci nečistoč, se modra barva bolj intenzivno razprši kot rdeča. Posledično vidimo obarvanost prenesene svetlobe v modri barvi. To lahko opazimo, če pogledamo stran svetlobnega pramena, ki prehaja skozi vodo, ki se rahlo megli z mlekom. Če ne gledate s strani, temveč v smeri žarka, postane svetloba rdečkasta, ker modra komponenta se je zmanjšala.
Različne valovne dolžine imajo sedaj pomembno vlogo, ko svetloba trči s plinskimi molekulami na poti skozi atmosfero in spreminja smer. Fiziki pravijo: razsvetljena svetloba. Kadarkoli ne gledamo neposredno na sonce, vidimo le razpršeno svetlobo, ki je prišla v naše oči na več krogih sonca. Zato barva razpršene svetlobe določa barvo neba.
Svetloba se razprši v atmosferi, manjša je njena valovna dolžina. Modra svetloba je zato bolj razpršena kot rdeča. Ko je sonce visoko, je sončna svetloba v ozračju precej kratka, večinoma modra, zato je popoldne nebo videti modro. Na majhnih višinah je pot svetlobe skozi ozračje veliko daljša. Zaradi sipanja se modra komponenta toliko zmanjša, da rdeča zmaga. Tako je oblačno nebo čez dan modro in rdeče ob sončnem vzhodu in sončnem zahodu.
Nekaj let kasneje je britanski znanstvenik Lord Rayleigh podrobneje preučil ta učinek. Pokazal je, da je intenzivnost sipanja svetlobe na delcih zelo majhnih velikosti obratno sorazmerna s četrto močjo valovne dolžine sevanja. Iz tega sledi, da je modra svetloba razpršena desetkrat bolj intenzivno kot rdeča.
Tyndall in Rayleigh sta menila, da je modro nebo posledica prisotnosti majhnih delcev prahu in vodnih hlapov v atmosferi. Kasneje so znanstveniki spoznali, da če bi bilo to res, bi opazili bistveno več odstopanj v barvi neba s spremembami vlažnosti, meglice in onesnaženosti zraka, kot ga vidimo zdaj. Problem je rešil Einstein, ki je leta 1911 izpeljal formulo, ki opisuje sipanje svetlobe z molekulami. Formula je potrdila vse predhodne poskuse. Dokazano je bilo, da ne razpršijo svetlobe prah in para, temveč zračne molekule, ker (kot je navedeno zgoraj) elektromagnetno polje svetlobe sproži električne dipolne momente v molekulah.
V primeru sipanja svetlobe v atmosferi govorimo o Rayleighovem sipanju, poimenovanem po britanskem fiziku Lordu Rayleighu. Rayleighovo sipanje je vedno prisotno, ko je sevanje razpršeno na delcih, ki so veliko manjše od valovne dolžine sevanja. To velja za molekule plina v atmosferi. Vodne kapljice ali ledeni kristali v oblakih pa so veliko daljši od valovne dolžine svetlobe. Tu ni nobenega Rayleighjevega razprševanja, ampak se vse valovne dolžine sončne svetlobe odražajo na njem, zato se nam oblaki zdijo beli.
Mimogrede, pri ocenjevanju satelitskih merilnih podatkov je treba upoštevati tudi Rayleighovo sipanje, na primer, če se uporabljajo za merjenje morskih valov ali debeline oblakov. Rayleighovo sipanje se nanaša na sipanje elektromagnetnih valov na delce, ki so majhni v primerjavi z valovno dolžino razpršenih valov. Delce vzbuja elektromagnetno sevanje, da vibrira in proizvaja kot oddajno anteno - tako imenovani herzijski dipol - po drugi strani sevanje. Natančni izračuni kažejo, da je moč sevanja obratno sorazmerna s četrto močjo valovne dolžine.
Zakaj nebo ni vijolično, ampak modro? Navsezadnje so vijolični valovi krajši od modrih. Prvi razlog je, da spekter sončnega sevanja ni enoten. Vijolična barva je manj. Poleg tega so vijolični žarki razpršeni v najvišjih slojih atmosfere. Drugi razlog - občutljivost naših stožcev na vijolično je nižja kot modra. Tretji razlog je, da modra barva draži ne le modre stožce v mrežnici, temveč tudi malo rdeče in zelene. Zato barva neba ni bleda, temveč nasičena modra, še posebej, če je zrak čist.
Nebo je samo modro, ko je zrak čim nižji v smislu prahu in izpušnih plinov. Naše nebo je modro, ker je Zemlja obdana z atmosfero, tako imenovano atmosfero. Okolje je sestavljeno iz mešanice plinov, predvsem dušika, ki mu sledi dodajanje kisika, vodne pare, ogljikovega dioksida, metana in drugih plinov v majhnih količinah. Ti plini v obliki majhnih delcev, tako imenovanih molekul, tvorijo naš zračni ovoj. Na nebesnih telesih, ki nimajo atmosfere, na primer na luni, je nebo celo dneve črno.
Barvo sončnega zahoda je razloženo s sipanjem svetlobe na molekule zraka. Že dolgo pot od Sonca do Zemlje je žarek izgubil vse modre odtenke. V oči segajo samo rumeni in rdeči toni. Okoli morja je sončni zahod lahko celo oranžna, zaradi delcev soli v zraku, ki so odgovorni za razpršitev Tyndalla.
Upoštevajte, da sestava ozračja, tj. zaradi prisotnosti dušika in kisika je barva neba skoraj neodvisna. Če ima planet prozorno atmosfero zadostne debeline in gostote, ki jo osvetljuje svetilo, katerega spekter je bel, kot je Sonce, bo tam nebo modro.
Svetloba - Elektromagnetno sevanje
Da bi za nas naredili modro, še vedno ni sončnega sevanja, ki nas doseže v obliki elektromagnetnih valov. Kar vidimo kot vidno svetlobo, je majhen del elektromagnetnega spektra. Modra svetloba ima kratko valovno dolžino, tako zeleno kot rdečo. Prav tako si lahko predstavljamo, da se modra svetloba premika s številnimi majhnimi hitrimi koraki, zelena traja več velikih korakov in končno se rdeča svetloba premika s širokimi, širokimi stopnicami. Zdaj je beli, kompleksni svetlobni žarek sonca, ki pade v zemljo.
Kako torej razložiti, da slike iz vesoljskega plovila, ki pristajajo na Marsu, kažejo, da je nebo rožnato in rdeče? To je zato, ker je ozračje Marsa zelo tanko in onesnaženo s prahom. Sipanje sončne svetlobe se ne pojavi na molekulah, temveč predvsem na suspendiranih nečistočah prahu. Mnogi prašni delci so večji od valovnih dolžin svetlobe in so sestavljeni iz železovega oksida, ki je rdeče barve.
Medtem ko se na njeni poti zelo modro na poti zelo pogosto srečuje z molekulami atmosfere, je rdeča svetloba na nek način veliko boljša, ker je potreben velik napredek. Pravijo tudi, da so modri deli sončne svetlobe razpršeni posebej močno, prav zaradi številnih trkov. Vendar pa so rdeči deli veliko manj nagnjeni k trčenju z molekulami in so lahko enostavnejši. Nebo je modro, ker je modri del sončne svetlobe razpršen posebej močno.
Ta učinek se imenuje Rayleighovo sipanje po britanskem Lordu Rayleighu, ki je odkril ta pojav. Rayleighovo sipanje opisuje, kako se elektromagnetna valovanja, vključno s svetlobo, razgradijo na atome ali molekule. Nebo je videti še posebej modro, ko je zrak popolnoma čist in brez prašnih delcev. Ker sončno svetlobo ne uničujejo le molekule zraka, temveč tudi suspendirane snovi v ozračju: dim iz vulkanov, izpušni plini iz rastlin, prah in pesek iz puščav.
Zdaj veste, da odgovor na vprašanje, zakaj je nebo modro, ni zelo preprost. Nekaj razumemo, toda kaj naj rečemo otrokom? Verjetno je naše čudovito ozračje sestavljeno iz zraka, ki žari z modro svetlobo, ko jo Sonce ogreje. Ker je modra najmočnejša od vseh barv mavrice.