Da li ste se ikada zapitali zašto je nebo plavo?
Odgovor leži u prirodi sunčeve svjetlosti i njenoj interakciji sa Zemljinom atmosferom.
Sunčeva svjetlost izgleda bijela sa žućkastim nijansama, ali je zapravo sastavljena od svih duginih boja. Kada svjetlost prođe kroz našu atmosferu, raspršuje se u svim smjerovima plinovima i česticama u zraku. Plava svjetlost se raspršuje više od drugih boja jer ima kraću valnu dužinu. Zbog toga većinu vremena vidimo plavo nebo.
Svetlost je oblik elektromagnetnog zračenja, odnosno talas.
Gornji dijagram prikazuje talasnu dužinu svetlosti. Plave linije pokazuju jačinu električnog polja. Talasna dužina je udaljenost između uzastopnih vrhova, označenih A na grafikonu, ili uzastopnih dolina, označenih sa B na grafikonu. 1 nm je jednak jednom milijarditom dijelu metra. Ljudsko oko je osetljivo na svetlost talasnih dužina od 380 nm do 750 nm, a različite talasne dužine svetlosti vidimo kao različite boje.
Oči vide talasne dužine na sledeći način:
- 380 do 430 nm kao ljubičasta
- 430 do 450 nm kao tamnoplava
- 450 nm do 500 nm kao plava boja
- 500 do 570 nm kao zeleno
- 570 do 600 nm kao žuta
- 600 nm do 630 nm kao narandžasto
- Crvena 630 do 750 nm
Većina izvora svjetlosti, uključujući Sunce, proizvodi svjetlosne valove s mješavinom različitih valnih dužina. Ako je količina svjetlosti na različitim valnim dužinama (ili bojama) prisutna u približno jednakim omjerima, tada oko vidi mješavinu boja kao bijelu.
Rasipanje svetlosti
Krajem devetnaestog veka, britanski fizičar Lord Rayleigh (1842-1919) objasnio je fenomen koji se danas zove Rayleighovo rasejanje.
Rayleigh je uspio pokazati da kada snop svjetlosti prolazi kroz zrak, mala količina svjetlosti se raspršuje u svim smjerovima zbog interakcije s pojedinačnim molekulima u atmosferi. Ovo je prikazano na dijagramu ispod.
Osim toga, uspio je pokazati da udio energije u raspršenom snopu svjetlosti ovisi o dvije stvari:
- Prvo, zavisi od broja molekula vazduha sa kojima se svetlosni snop sudara. Što više molekula zraka ili više atmosfere naiđe na snop svjetlosti, to je raspršenje veće.
- Drugo, što je talasna dužina svetlosti kraća, to je rasejanje veće. Stoga, ako uzmemo snop svjetlosti, poput sunčevog, koji sadrži više boja, tada su kraće valne dužine (ljubičasta i plava svjetlost) raspršene više od dužih valnih duljina, kao što su narančasta i crvena. Ovo je prikazano na grafikonu ispod.
Plavo nebo koje vidimo je plava svjetlost sa Sunca, koju emituju molekuli zraka u svim smjerovima kroz Rayleighovo raspršivanje. Još jedna stvar koju dijagram pokazuje je da ljubičasta svjetlost ima kraću valnu dužinu od plave svjetlosti i da se raspršuje još više. Međutim, nebo na Zemlji nije ljubičasto. To je zato što jačina sunčeve svetlosti nije ista na svim talasnim dužinama, sadrži relativno malo ljubičaste u odnosu na plavu.
Drugi efekat rasejanja je da se boja Sunca posmatraču na Zemlji čini žuto-narandžasta, a ne bijela. Iako je balans boja takav da sunčeva svjetlost postaje bijela kada napusti površinu Sunca, ali kada naiđe na atmosferu, atmosfera raspršuje svjetlost kratkih valnih dužina (ljubičasta, plava i zelena) više nego iz dugih valnih dužina (žuta, narandžasta). i crvena), a u Rezultat je kombinacija boja koja izgleda više žuta nego bijela. Zanimljivo je da kada astronauti gledaju u Sunce iz svemira, ono im se čini bijelim.
Tokom izlaska i zalaska sunca, kada je Sunce pod blagim uglom na nebu, neposredno iznad horizonta, sunčevi zraci moraju putovati kroz stotine kilometara atmosfere pre nego što ih vidite. Budući da sunčeve zrake prolaze kroz mnogo više molekula u atmosferi, stepen raspršenja je takođe mnogo veći.
Kao što je prikazano u tabeli ispod, bukvalno sve kraće i srednje talasne dužine svetlosti (plava, zelena i žuta) su uklonjene iz sunčevih zraka, ostavljajući samo duže talasne dužine (narandžasta i crvena). Ovo objašnjava zašto Sunce izgleda crveno pri izlasku i zalasku sunca.
Nebo na Mesecu
Mjesec nema atmosferu. Stoga se ne događa Rayleighovo raspršivanje sunčeve svjetlosti, a nebo izgleda potpuno crno. Sunce izgleda belje boje jer kratke talasne dužine nisu uklonjene iz njegove svetlosti kao na Zemlji.
Jedan interesantan efekat nedostatka atmosfere je da su astronauti Apolla koji su hodali po Mesecu imali veoma teško vreme da procene koliko su udaljeni objekti. Na Zemlji atmosfera čini da udaljeni objekti izgledaju pomalo maglovito, ali na Mjesecu to nije slučaj.
Nebo na Marsu
Mars ima veoma tanku atmosferu. Pritisak vazduha na Marsu je samo 0,7% od onog na Zemlji. Premalo je atmosfere za Rayleighovo rasipanje. Prije nego što su prve svemirske sonde sletjele na Mars 1976. godine, mnogi svemirski naučnici očekivali su da će nebo na Marsu biti crno. U stvari, nebo na Marsu je crvenkasto smeđe. To je zbog sitnih čestica crvenkasto-smeđe prašine željeznog oksida koja se nalazi u atmosferi Marsa.
Po vedrom sunčanom danu, nebo iznad nas je jarko plavo. Uveče, pri zalasku sunca, nebo poprima tamnocrvenu boju sa brojnim nijansama koje prijaju oku. Pa zašto je nebo plavo tokom dana? Šta čini zalazak sunca crvenim? Kako čisti zrak svjetluca plavim i crvenim nijansama u različito doba dana?
Ovdje ću iznijeti 2 odgovora: prvi je pojednostavljen za šireg čitaoca, drugi je naučniji i tačniji. Odaberite sami koji vam se sviđa.
1. Zašto je nebo plavo, a ne zeleno? Odgovor za lutke
Svjetlost od sunca ili lampe djeluje bijelo, ali bijela je zapravo mješavina svih 7 postojećih boja: crvene, narandžaste, žute, zelene, plave, indigo i ljubičaste (slika 1). Nebo (atmosfera) je ispunjeno vazduhom. Vazduh je mešavina sićušnih molekula gasa i malih komada čvrstog materijala kao što je prašina. Kako sunčeva svjetlost prolazi kroz zrak, ona se sudara sa česticama zraka. Kada snop svjetlosti udari u molekule plina, može se "odbiti" u drugom smjeru (raspršiti se).
Neke od sastavnih boja bijele svjetlosti, kao što su crvena i narandžasta, prolaze direktno sa Sunca u naše oči bez raspršivanja. Ali većina plavih zraka se „odbija“ od čestica zraka u svim smjerovima. Tako je cijelo nebo bukvalno prožeto plavim zracima. Kada pogledate gore, dio ove plave svjetlosti dopire do vašeg oka i vidite plavo svjetlo po cijeloj glavi! Ovdje, u stvari, zašto je nebo plavo!
Naravno, sve je maksimalno pojednostavljeno, ali ispod je paragraf koji fundamentalnije opisuje svojstvo našeg voljenog neba iznad i razloge koji objašnjavaju zašto je boja neba plava, a ne zelena!
2. Zašto je nebo plavo? Odgovor za napredne
Pogledajmo bliže prirodu svjetlosti i boje. Boja je, kao što svi znaju, svojstvo svjetlosti koje naše oči i mozak mogu uočiti i otkriti. Sunčeva svjetlost je veliki broj bijelih zraka koje se sastoje od svih 7 duginih boja. Svetlost ima svojstvo disperzije (slika 1). Sve je obasjano Suncem, ali neki objekti reflektuju zrake samo jedne boje, na primer plave, a drugi samo žute zrake itd. Ovako osoba određuje boje. Dakle, Sunce obasjava Zemlju svojim bijelim zracima, ali je obavijeno atmosferom (debeo sloj zraka), a kada ovaj bijeli (sastoji se od svih boja) zraka prođe kroz atmosferu, zrak se raspršuje. (širi se) svih 7 obojenih zraka bijelog sunčevog zraka, ali sa većom snagom to su njegovi plavo-plavi zraci (drugim riječima, atmosfera doslovno počinje svijetliti plavo). Ostale boje dolaze direktno od Sunca do naših očiju (slika 2).
Zašto je plava boja koja je najviše rasuta u atmosferi? Ovo je prirodni fenomen i opisan je Rayleighovim fizičkim zakonom. Da to jednostavnije objasnimo, postoji formula koju je Rayleigh izveo 1871. godine, a koja određuje kako rasipanje svjetlosti (zraka) ovisi o boji ovog zraka (odnosno o takvom svojstvu zraka kao što je njegova valna dužina). I jednostavno se dešava da nebesko plava boja ima najkraću talasnu dužinu i, shodno tome, najveće rasipanje.
Zašto je nebo crveno tokom izlaska i zalaska sunca? Pri zalasku ili izlasku Sunce je nisko iznad horizonta, zbog čega sunčevi zraci padaju koso
do Zemlje. Dužina snopa se, naravno, višestruko povećava (slika 3) i stoga je na tako velikoj udaljenosti gotovo cijeli kratkotalasni (plavo-plavi) dio spektra raspršen u atmosferi i ne doseže površine Zemlje. Samo dugi talasi, žuto-crveni, dopiru do nas. Upravo takvu boju nebo poprima tokom izlaska i zalaska sunca. Zato je nebo, pored plavog i plavog, i žuto i crveno!
A sada, da bismo u potpunosti razumjeli sve navedeno, nekoliko riječi o tome kakva je atmosfera.
Kakva je atmosfera (firmament)?
Atmosfera je mješavina molekula plina i drugih materijala koji okružuju Zemlju. Atmosfera se uglavnom sastoji od plinova dušika (78%) i kisika (21%). Gasovi i voda (u obliku pare, kapljica i kristala leda) su najčešći sastojci atmosfere. Tu su i male količine drugih gasova, kao i mnogo malih čestica kao što su prašina, čađ, pepeo, so iz okeana itd. Sastav atmosfere mijenja se ovisno o geografskom položaju, vremenu i još mnogo toga. Negdje može biti više vode u zraku nakon kišne oluje ili blizu okeana, negdje vulkani izbacuju velike količine čestica prašine visoko u atmosferu.
Atmosfera je gušća u svom donjem dijelu, blizu Zemlje. S visinom postepeno postaje tanji. Nema oštrog prekida između atmosfere i svemira. Zbog toga vidimo svjetlucave plave i plave na nebu, upravo zato što je atmosfera na nebu svuda različita, ima drugačiju strukturu i svojstva.
Jedno od obeležja osobe je radoznalost. Vjerovatno su svi, kao dijete, gledali u nebo i pitali se: "Zašto je nebo plavo?" Kako se ispostavilo, odgovori na tako naizgled jednostavna pitanja zahtijevaju određenu bazu znanja iz područja fizike, pa stoga neće svaki roditelj moći ispravno objasniti svom djetetu razlog ove pojave.
Razmotrimo ovo pitanje sa naučne tačke gledišta.
Opseg talasnih dužina elektromagnetnog zračenja pokriva gotovo čitav spektar elektromagnetnog zračenja, što uključuje i zračenje vidljivo ljudima. Na slici ispod prikazana je zavisnost intenziteta sunčevog zračenja o talasnoj dužini ovog zračenja.
Analizirajući ovu sliku, možemo uočiti činjenicu da je vidljivo zračenje predstavljeno i neujednačenim intenzitetom za zračenje različitih talasnih dužina. Dakle, ljubičasta boja daje relativno mali doprinos vidljivom zračenju, a najveći doprinos daju plava i zelena boja.
Zašto je nebo plavo?
Prije svega, ovo pitanje je potaknuto činjenicom da je zrak bezbojan plin i ne bi trebao emitovati plavo svjetlo. Očigledno, uzrok takvog zračenja je naša zvijezda.
Kao što znate, bijela svjetlost je zapravo kombinacija zračenja svih boja vidljivog spektra. Pomoću prizme, svjetlost se može jasno razdvojiti u cijeli niz boja. Sličan efekat se javlja na nebu nakon kiše i formira dugu. Kada sunčeva svjetlost uđe u Zemljinu atmosferu, ona počinje da se raspršuje, tj. zračenje menja svoj pravac. Međutim, posebnost sastava zraka je takva da kada svjetlost uđe u njega, zračenje kratke talasne dužine se raspršuje jače od dugovalnog zračenja. Dakle, uzimajući u obzir prethodno prikazani spektar, možete vidjeti da crvena i narandžasta svjetlost praktički neće promijeniti svoju putanju prilikom prolaska kroz zrak, dok će ljubičasto i plavo zračenje primjetno promijeniti smjer. Iz tog razloga se u zraku pojavljuje određena „lutajuća“ kratkotalasna svjetlost koja se stalno raspršuje u ovoj sredini. Kao rezultat opisanog fenomena, čini se da se kratkotalasno zračenje u vidljivom spektru (ljubičasto, cijan, plavo) emituje iz svake tačke na nebu.
Dobro poznata činjenica percepcije zračenja je da ljudsko oko može uhvatiti, vidjeti zračenje samo ako direktno uđe u oko. Tada ćete, gledajući u nebo, najvjerovatnije vidjeti nijanse tog vidljivog zračenja čija je valna dužina najkraća, jer se upravo ono najbolje raspršuje u zraku.
Zašto ne vidite jasno crvenu boju kada gledate u Sunce? Prvo, malo je vjerovatno da će osoba moći pažljivo ispitati Sunce, jer intenzivno zračenje može oštetiti vidni organ. Drugo, uprkos postojanju takvog fenomena kao što je raspršivanje svjetlosti u zraku, većina svjetlosti koju emituje Sunce dospijeva do površine Zemlje, a da se ne rasprši. Zbog toga se kombinuju sve boje vidljivog spektra zračenja, formirajući svetlost sa izraženijom belom bojom.
Vratimo se na svjetlost raspršenu zrakom, čija boja, kako smo već utvrdili, treba da ima najkraću talasnu dužinu. Od vidljivog zračenja, ljubičasta ima najkraću talasnu dužinu, zatim plava, a plava ima nešto dužu talasnu dužinu. Uzimajući u obzir neujednačen intenzitet sunčevog zračenja, postaje jasno da je doprinos ljubičaste boje zanemarljiv. Dakle, najveći doprinos zračenju raspršenom vazduhom dolazi od plave boje, a zatim od plave.
Zašto je zalazak sunca crven?
U slučaju kada se Sunce skriva iza horizonta, možemo uočiti isto dugotalasno zračenje crveno-narandžaste boje. U ovom slučaju, svjetlost sa Sunca mora prijeći primjetno veću udaljenost u Zemljinoj atmosferi prije nego što stigne do oka posmatrača. Na mestu gde sunčevo zračenje počinje da stupa u interakciju sa atmosferom, plava i plava boja su najizraženije. Međutim, sa rastojanjem, kratkotalasno zračenje gubi na intenzitetu, jer se značajno raspršuje duž puta. Dok dugotalasno zračenje odlično pokriva tako velike udaljenosti. Zato je Sunce crveno pri zalasku.
Kao što je ranije spomenuto, iako je dugovalna radijacija slabo raspršena u zraku, raspršivanje se ipak događa. Dakle, nalazeći se na horizontu, Sunce emituje svetlost, od koje do posmatrača dopire samo zračenje crveno-narandžastih nijansi, koje ima vremena da se rasprši u atmosferi, formirajući prethodno pomenutu „lutajuću“ svetlost. Potonji boji nebo u šarenim nijansama crvene i narandžaste.
Zašto su oblaci bijeli?
Govoreći o oblacima, znamo da se oni sastoje od mikroskopskih kapljica tečnosti koje skoro ravnomerno raspršuju vidljivu svetlost, bez obzira na talasnu dužinu zračenja. Tada se raspršena svjetlost, usmjerena u svim smjerovima od kapljice, ponovo raspršuje na druge kapljice. U ovom slučaju je sačuvana kombinacija zračenja svih valnih dužina, a oblaci "sjaju" (reflektuju se) u bijeloj boji.
Ako je vrijeme oblačno, tada malo sunčevog zračenja dopire do površine Zemlje. U slučaju velikih oblaka, ili velikog broja njih, dio sunčeve svjetlosti se apsorbira, zbog čega se nebo zamrači i poprimi sivu boju.
Jednostavno rečeno, nebo je plavo jer kada se svjetlost razgradi, ljubičasta se raspršuje najviše, a crvena najmanje.
Svetlost kroz prizmu
Kao što znate, bijela svjetlost se sastoji od sedam osnovnih boja koje se mijenjaju kako se valna dužina svjetlosti smanjuje: crvena, narandžasta, žuta, zelena, cijan, indigo i ljubičasta. I, na primjer, astronauti u orbiti vide blistavo bijelo Sunce na pozadini crnog neba. Ovako i treba da bude: komponente bele svetlosti do njih dopiru u bezvazdušnom prostoru bez izobličenja, dok do Zemlje dospevaju kroz „filter“ atmosfere.
Ako pogledamo detaljnije, moramo razumjeti šta je to difuzno zračenje neba- Sunčevo zračenje koje dopire do površine Zemlje nakon što je raspršeno molekulima ili česticama u atmosferi. Od ukupnog sunčevog zračenja raspršenog u atmosferi, oko dvije trećine na kraju stigne do Zemlje kao difuzno zračenje (ako je Sunce visoko iznad horizonta, najmanje 25% upadnog zračenja se raspršuje).
Glavni mehanizmi raspršenja svjetlosti u atmosferi (Rayleighovo raspršivanje, Mie raspršenje) su elastični, odnosno mijenja se smjer zračenja bez promjene valne dužine.
Razlog zbog kojeg nebo izgleda plavo je zato što zrak raspršuje svjetlost kratkih valova više od svjetlosti dugih valova. Intenzitet Rayleighovog raspršenja, uzrokovan fluktuacijama u broju molekula vazdušnih gasova u zapreminama srazmernim talasnim dužinama svetlosti, proporcionalan je 1/λ 4, λ je talasna dužina, tj. ljubičasti deo vidljivog spektra je približno raspršen 16 puta intenzivnije od crvenog. Budući da plava svjetlost ima kraću valnu dužinu, na kraju vidljivog spektra se više raspršuje u atmosferu nego crvena svjetlost. Zbog toga područje neba izvan pravca Sunca ima plavu boju (ali ne i ljubičastu, jer je sunčev spektar neujednačen i intenzitet ljubičaste boje u njemu manji, a takođe i zbog niže osjetljivosti oka na ljubičastu boju i veću osjetljivost na plavu, što iritira ne samo one osjetljive na plavu boju čunjića u retini, već i osjetljive na crvene i zelene zrake).
Tokom zalaska sunca i svitanja, svjetlost putuje tangencijalno prema zemljinoj površini, tako da put kojim svjetlo prolazi u atmosferi postaje mnogo duži nego tokom dana. Zbog toga se većina plave, pa čak i zelene svjetlosti raspršuje od direktne sunčeve svjetlosti, pa su direktna sunčeva svjetlost, kao i oblaci koje obasjava i nebo blizu horizonta obojeni crvenom bojom.
Vjerovatno, s drugačijim sastavom atmosfere, na primjer, na drugim planetama, boja neba, uključujući i zalazak sunca, može biti drugačija. Na primjer, boja neba na Marsu je crvenkasto ružičasta
Rasipanje i apsorpcija su glavni razlozi za slabljenje intenziteta svjetlosti u atmosferi. Rasipanje varira kao funkcija odnosa prečnika čestice raspršivanja i talasne dužine svetlosti. Kada je ovaj omjer manji od 1/10, dolazi do Rayleighovog raspršenja, u kojem je koeficijent raspršenja proporcionalan 1/λ 4 . Pri velikim vrijednostima omjera veličine čestica raspršivanja i valne dužine, zakon raspršenja se mijenja prema jednadžbi Gustave Mie; kada je ovaj omjer veći od 10, zakoni geometrijske optike se primjenjuju sa dovoljnom preciznošću za praksu.
Gledajući u nebo po lijepom danu, od djetinjstva se navikavamo na njegovu plavu boju danju i grimiznu pri zalasku i izlasku sunca. Plava boja neba toliko je poznata našim očima da se često ne postavlja pitanje zašto je boja neba plava, a ne, na primjer, zelena ili žuta. Zaista, zašto je nebo plavo ako je glavni izvor svjetlosti za Zemlju Sunce koje sija žuto? (Samo nemojte žuriti da provjerite koje je boje Sunce bez zaštite za oči).
Koje je boje sunce zaista?
Ispostavilo se da svjetlost koja dolazi od Sunca ima različite boje. U stvari, Sunce sija plavom, zelenom, žutom i crvenom svetlošću. Ovo je otkrio Njutn još u 17. veku. Sunce vidimo kao žuto jer ono najjače emituje žutu, a druge boje možemo vidjeti samo uz pomoć posebne opreme. Žuto svjetlo je toliko intenzivno da osoba ne može razlikovati druge boje na njegovoj pozadini. To je kao da pokušavate da primetite malu zelenu ili plavu baterijsku lampu naspram ogromnog žutog reflektora.
Kako svjetlost dopire do površine Zemlje?
Zamislite zrake svih duginih boja koje dolaze od Sunca do Zemlje. U vakuumu svemira, između Sunca i Zemlje, sunčevi zraci lete u istom pravcu i istom brzinom. Ali sve se mijenja kada sunčeva svjetlost dopre do Zemljine atmosfere. Sunčeve zrake sudaraju se s molekulima zraka (sastoje se uglavnom od kisika i dušika) i mijenjaju svoj smjer – raspršuju se. Pogledajmo proces raspršivanja svjetlosti. Evo malog "komadića" sunčeve svjetlosti - fotona - koji leti u Zemljinu atmosferu; i odmah mu se na putu nađe neki molekul zraka. Foton "udara" u ovaj molekul i malo odstupa od prvobitne putanje. Proletevši još malo, foton će se ponovo sudariti sa molekulom vazduha i ponovo promeniti smer. Dok takav “nasilnik” stigne do našeg oka, imat će vremena da se sudari s milijardama molekula i promijeni smjer kretanja otprilike isti broj puta. Svjetlost koja prolazi kroz Zemljinu atmosferu mijenja svoj smjer toliko da se fotoni počinju kretati u svim smjerovima, čak i prema Suncu. Zato je tokom dana nebo sjajno čak i na strani suprotnoj od Sunca.
Zašto je nebo plavo?
Ispostavilo se da boja svjetlosti uvelike utječe na sposobnost pojedinačnih "komadića svjetlosti" da promijene smjer nakon sudara s molekulima zraka. Što je svjetlo plavije, to lakše mijenja smjer svog kretanja kada se rasprši u atmosferi. To znači da se plavo svjetlo najbolje raspršuje, a tirkizno nešto lošije. Zeleno i žuto svjetlo mijenjaju svoj smjer gore od tirkiznog. Pa, najmanje od svega, kada prolazi kroz atmosferu, crveno svjetlo mijenja svoj smjer. Rasipa se oko 10 puta lošije od plave boje. Stoga se ispostavlja da je plava svjetlost koja dolazi od Sunca raspršena po nebu, a nama se čini da nebo postaje plavo. Kada bi priroda bila drugačije strukturirana i, na primjer, zeleno svjetlo bilo najbolje raspršeno, onda bi naše nebo bilo zeleno.
Zašto nebo postaje crveno pri zalasku i izlasku sunca?
Kada Sunce zalazi ili izlazi, sunčeva svjetlost mora proći kroz deblji sloj zraka prije nego što dođe do našeg oka. To znači da će fotoni koji udare u Zemlju pri zalasku ili izlasku sunca doživjeti mnogo više sudara s molekulima zraka nego oni koji udare u Zemlju tokom dana. Povećani broj sudara uzrokuje da se čak i crvena svjetlost počne rasipati, uzrokujući da nebo blizu sunca postane grimizno pri zalasku ili izlasku sunca.
Konstantin Kudinov
Dragi prijatelji! Ako vam se svidjela ova priča i želite biti u toku s novim publikacijama o astronautici i astronomiji za djecu, pretplatite se na vijesti iz naših zajednica
