Mechanizm rozpraszania Rayleigha
Codziennie, gdy spoglądamy w górę w pogodny dzień, widzimy błękitne niebo. To pozornie banalne zjawisko ma swoje źródło w fizyce, a konkretnie w rozpraszaniu światła słonecznego przez atmosferę ziemską. Kluczową rolę odgrywa tu tzw. rozpraszanie Rayleigha, nazwane na cześć brytyjskiego fizyka lorda Rayleigha. Światło słoneczne, które dociera do Ziemi, nie jest jednolite – składa się z promieniowania o różnych długościach fal. Oko ludzkie interpretuje je jako barwy od fioletu i niebieskiego (krótsze fale) po pomarańcz i czerwień (dłuższe fale). Gdy wiązka światła napotyka cząsteczki gazów w atmosferze – głównie azot i tlen – ulega rozproszeniu. Zgodnie z prawem Rayleigha intensywność rozpraszania jest odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi długości fali. Oznacza to, że fale krótkie, czyli fioletowe i niebieskie, są rozpraszane znacznie silniej niż fale długie – czerwone. Ponieważ Słońce znajduje się wysoko na niebie, a my patrzymy w bok od jego tarczy, dociera do nas przede wszystkim światło rozproszone, a w nim dominuje barwa niebieska. Fiolet byłby rozpraszany jeszcze silniej, ale nasze oczy są na niego mniej wrażliwe, a poza tym część fioletu jest pochłaniana przez ozon. Stąd właśnie błękit nieba w ciągu dnia.
Dlaczego zachód słońca jest czerwony?
Gdy Słońce zbliża się do horyzontu, jego promienie muszą przebyć znacznie dłuższą drogę przez atmosferę niż w zenicie. W efekcie światło napotyka po drodze więcej cząsteczek i aerozoli. Zwiększona grubość atmosfery sprawia, że niebieskie i fioletowe fale są już całkowicie rozproszone na boki – zanim dotrą do naszego oka, ich intensywność jest znikoma. Tymczasem fale dłuższe, zwłaszcza pomarańczowe i czerwone, ulegają rozproszeniu w znacznie mniejszym stopniu. W rezultacie wiązka światła biegnąca bezpośrednio z tarczy słonecznej zachowuje głównie składowe czerwone. Dodatkowym czynnikiem jest obecność w niższych warstwach atmosfery pyłów, kropelek wody i innych zanieczyszczeń. Cząstki te jeszcze skuteczniej pochłaniają i rozpraszają krótsze fale, wzmacniając efekt czerwieni. Dlatego właśnie zachody słońca bywają szczególnie intensywnie zabarwione na pomarańczowo i czerwono. Warto dodać, że podobny mechanizm odpowiada za barwę wschodu Słońca, choć często jest ona mniej nasycona ze względu na różnice w wilgotności i zawartości pyłów.
Czynniki wpływające na intensywność barw zachodu
Nie każdy zachód słońca wygląda tak samo – zdarzają się spektakularne, krwiste łuny, a innym razem niebo przybiera jedynie blady odcień różu. Na to, jak głębokie będą kolory, wpływa kilka elementów:
- Zawartość aerozoli i pyłów – po wybuchach wulkanów lub w rejonach silnie zanieczyszczonych częste są wyjątkowo czerwone zachody, ponieważ drobiny te skutecznie rozpraszają niebieskie światło.
- Wilgotność powietrza – większa ilość pary wodnej sprzyja powstawaniu delikatnych, pastelowych barw, natomiast suche powietrze daje ostrzejsze, pomarańczowe odcienie.
- Wysokość Słońca nad horyzontem – im niżej, tym dłuższa droga promieni przez atmosferę, a więc efekt czerwieńszy.
- Zachmurzenie – chmury mogą odbijać i rozpraszać światło, tworząc dodatkowe wzory kolorystyczne, od złotego po purpura.
- Kąt padania promieni na cząstki – decyduje o tym, które długości fal są najsilniej usuwane z wiązki bezpośredniej.
Zrozumienie tych mechanizmów pozwala przewidywać, kiedy spodziewać się najpiękniejszych zachodów – zwykle po przejściu frontów atmosferycznych, gdy powietrze jest czyste, ale zawiera wystarczająco dużo drobnych cząstek. Co ciekawe, podobne procesy zachodzą na innych planetach: niebo Marsa jest czerwonawe, a zachody tam przybierają odcień błękitu, co wynika z dominacji innego rodzaju pyłu w atmosferze.