Miért kék az ég?

J. Tyndall (1820-1893) ír fizikus laboratóriumi kísérletei hoztak közel a helyes értelmezéshez. Amennyiben a fény terjedési közegét alkotó részecskék átlagos mérete a fény hullám- hosszának nagyságrendjébe esik, az eredeti terjedési iránytól eltérő irányokba szóródó fény intenzitása a hullámhossz negyedik hatványával lesz arányos – azaz minél rövidebb hullámhosszú fényről van szó, annál jobban csökken az eredeti irányba továbbjutó fény intenzitása. A szórt fény irányfüggő, és van egy jellegzetes eloszlása (a legintenzívebb a fény terjedési iránya közelében, és azzal átellenes irányban – visszaszórás, és leggyengébb arra merőlegesen). Ez szigorúan tekintve csak a kb. 0,06 m átmérőjűnél kisebb részecskékre igaz. A földi légkört alkotó molekulák (N2, O2, CO2, H2O) mérete 0,2 nm körül van, így elvileg ibolyáskék színű az ég. Nagyon tiszta levegőjű helyeken, magashegységekben néha látni ilyet. Ne feledjük: a legtöbb optikai jelenségért, és a földi élet életben maradásáért felelős légkör tömegének 50%-a a felszín feletti 5 km-es magasság alatt található! Ugyanez miatt a horizont közelében látszó (kelő-nyugvó) Nap és Hold színe, a sárgásfehér színkeverékből más irányokba kiszóródó nagymennyiségű kék hiánya miatt vöröses. Természetesen, minél magasabbra emelkednek az égen, egyre kevesebb tömegű levegőn kell áthaladnia fényüknek, így egyre több kék maradhat “benn” az összetett sugárzás-keverékben. Azaz: egyre sárgás-fehérebb. Természetesen a Föld felszínéről nézve még a zenitben álló Nap és Hold színe is eltér a világűr légritka terében megfigyelhető színtől…

Az ég színét nem csupán a felsorolt molekulákon szóródó napfény okozza! Számtalan, nagy molekulájú szennyeződés (ipari, közlekedési égéstermékek), valamint óhatatlanul mindig a légkörbe kerülő természetes (vulkánkitörésekkel, erős szelekkel magasra kerülő finom porszemcsék) és mesterséges szennyeződések alkotta ú.n. aeroszolok (lebegő szilárd és folyékony halmazállapotú szemcsék) szintén szóró hatásúak. Jellemző méretük 1 m körüli, de sokkal nagyobbak is előfordulnak – így ezekre már nem a Rayleigh-szóródás törvényszerűsége érvényesül. Kísérletileg már Tyndall is kimutatta, hogy egyre nagyobb ködrészecskék során a szórt fény kékes színe megszűnik. A szórt fény aránya növekvő részecskemérettel nő, majd újra csökken. Minthogy az első maximum helye kb. a hullámhosszal egyenlő sugarú részecskénél van, ezért a kb. 0,5 m-nél kicsit nagyobb sugarú részecskékre már jobban szóródik az 500 nm –es tartomány, míg a kb. 0,6 m-nél már a színkép mélyvörös része. Ilyenkor a kelő és nyugvó Nap lenne kékes, és az égbolt vöröses. Így nap mint nap, a nappali égbolt színe a Föld különböző pontjain megfigyelve az észlelőhely környezetének pillanatnyi légköri összetételétől függ. Irány szerint és időben is változhat. Mint az előbbiekben láttuk, a nagyobb szennyeződések sárgábbra színezik az eget. Szokásos nyári tapasztalat, hogy a meleg levegőben a levegőben lebegő nagymennyiségű vízpára, és a hozzátapadó finom por miatt fakó, színtelen is lehet az ég. Könnyű egy kvalitatív becslést tenni a környező néhány kilométeres térségben lebegő aeroszol mennyiségre, ha kinyújtott kezünk mutatóujjával kitakarjuk a Napot: tiszta levegő esetén már ujjunk pereme irányában is világoskék színeződésű az ég, viszont minél több aeroszol lebeg fenn, annál nagyobb szögkiterjedésű fényes “burok” övezi a Napot. Szélsőséges esetben egész opálos, tejszerű is tud lenni a kialakuló szín (az ú.n. fotokémiai szmog kialakulásával, pl. nagyvárosokban).

Földön az égbolt ragyogó kék, és az árnyékba húzódva is látjuk a környezetünket.

Mi a különbség oka? Az általunk megszokott földi látványt az okozza, hogy a fénysugarak minden irányba szétszóródnak a levegõ részecskéin, és az így "visszaverõdõ" fény a földi légkörben mindenhová eljut.

A beesõ napfény irányától eltérõ irányokból is nagyon sok fény jut a szemünkbe, ezért az égboltot ragyogóan fényesnek látjuk. A légkörben a szóródás olyan jelentõs, hogy még éjszaka, a Föld árnyékban lévõ oldalán sem teljesen fekete, hanem bársonyosan kék az égbolt. Tökéletes sötétség csak a teljesen zárt helyiségekben lehet.

A Holdnak nincs légköre, ezért fény csak azokra a helyekre érkezik, amelyeket a Nap közvetlenül megvilágít.

Amikor a fény a légkörön vagy más, nagyon apró, lebegõ részecskékbõl álló anyaghalmazon halad át, természetesen kölcsönhatásba lép az anyag részecskéivel. A kölcsönhatás során a részecskék elektromos töltései rezgésbe jönnek, és másodlagos gömbhullámokat bocsátanak ki. Ha a hullámhossz összemérhetõ a részecskék méretével, a "visszaverõdés" hasonló a résen való elhajláshoz: minél kisebb a szóró részecskék mérete, annál nagyobb a szórás.

Amikor tiszta, felhõmentes idõben süt a Nap, az égboltot világoskéknek látjuk. Ez a szín a tiszta, szórt színeknek a keverékeként adódik. Ha a levegõben nagyon apró pl. füst-, por- stb. részecskék vannak, azokon a fény szintén "kéken" szóródik. Ezért láthatjuk például a cigaretta füstjét kékesnek. Ha a szóró részecskék nagyobb méretûek, a felületükrõl visszavert fény fehér lesz. (Ilyen például az apró vízcseppekbõl álló "habos", hófehér gomolyfelhõ. Egészen nagy részecskék már nemcsak visszaverik, hanem el is nyelik a fény jó részét. A nehéz, esetleg jeget is tartalmazó esõfelhõk ezért haragos szürkék, feketék.

2.8.2. A naplemente

A színpompás naplementék oka szintén a fényszórás. Mivel délután nõ a beesõ napsugarak hajlásszöge, a fény egyre nagyobb levegõ- és porrétegen keresztül jut a megfigyelõ szemébe. A napfény ibolya és kék színû sugarai szétszóródnak, a megmaradt zöld, sárga, narancs és vörös színû sugarak "eredõjeként" sárga színt láthatunk. A fény útjában lévõ légréteg vastagodásával a rövidebb hullámhosszak fokozatosan tûnnek el, így a nap és az ég alja egyre vörösebbé válik, miközben az a megfigyelõ fölött az égbolt egyre sötétebb kék lesz.

anyagból kék lett

vagy a nap megvilágitsa