Kolorowe niebo - Świat nauki i techniki

Zbliżające się lato to okres wakacji, wycieczek, wieczornych spotkań w ogrodach. Coraz częściej będziemy spoglądali w niebo, dziwiąc się pięknym czystym kolorom. Będziemy się fotografowali na tle intensywnie błękitnego nieba nad Górami Skalistymi, czerwonego zachodu Słońca nad Pacyfikiem, żółto podświetlonych chmur nad preriami lub w łuku tęczy nad Kanionem Kolorado.

Proponuję dzisiaj zastanowić się, dlaczego w przeźroczystym powietrzu, zawsze tak samo świecące Słońce tworzy tak różne kolory.
W Kosmosie, gdzie nie ma powietrza, niebo jest czarne. Astronauci lądujący na Księżycu mogli widzieć na czarnym niebie jaskrawo świecący krążek Słońca, tak jaskrawy, że bez przyciemnionych szyb nie można byłoby na Słońce popatrzeć. Mogli również oglądać wielką jasnobłękitną tarczę Ziemi tkwiącą prawie nieruchomo nad horyzontem, tarczę, której średnica była czterokrotnie większa niż średnica Księżyca oglądanego z Ziemi. Gdy astronauci popatrzyli w przeciwną stronę niż Słońce i przyzwyczaili wzrok do ciemności, mogli zobaczyć jaśniejsze gwiazdy na tak głęboko czarnym tle nieba, jakiego nie spotyka się nigdzie na Ziemi.

Jak pamiętamy z fizyki, promienie światła biegną w próżni po liniach prostych dobiegając do naszych oczu z tych miejsc, skąd zostały wysłane, a więc ze Słońca, z gwiazd lub od przedmiotów, które odbijają padające na nie światło. Można się zastanawiać, dlaczego krótko po zachodzie Słońca, nadal z nieba dochodzi do nas światło.

Światło jest mieszaniną fal elektromagnetycznych, podobnych w swojej naturze do fal radiowych, lecz różniących się długością. Poglądowo możemy powiedzieć, że różnica długości między falami radiowymi i światłem jest taka jak między falami oceanicznymi i zmarszczkami od wiatru na kałuży. Światłem nazywamy tylko pewien przedział fal elektromagnetycznych, tych, które w specyficzny sposób podrażniają zakończenia nerwów w naszych oczach i dzięki temu możemy „widzieć”.

Te fale, które nasze oczy dostrzegają, mają długość poniżej tysięcznej części milimetra (dokładniej: od 0.4 do 0.8 mikrona). Włos ma grubość kilkudziesięciu mikronów. Najkrótsze fale z zakresu światła postrzegamy jako fioletowo-niebieskie, środkowy zakres jako zielone a dłuższe to czerwień.
Różne substancje różnie reagują z falami świetlnymi. Niektóre przepuszczają tylko pewną grupę fal (np. kolorowe szyby), inne odbijają pewne długości fal pochłaniając inne (kolorowe farby).

Powietrze wydaje się być przeźroczyste, czyli przepuszczające wszystkie fale świetlne. Podobnie jak woda. W szklance wydaje się idealnie przeźroczysta, lecz gdy spoglądamy do głębokiego stawu lub czystego morza, woda jest ciemna. Woda pochłania i tylko częściowo odbija światło.

Podobnie promienie Słońca, zanim dotrą do powierzchni Ziemi, przechodzą przez grubą warstwę powietrza. Na małych drobinach powietrza, fale świetlne mogą ulec odbiciu w przypadkowym kierunku. Prawdopodobieństwo takiego odbicia jest bardzo małe i promień świetlny może wędrować przez powietrze dziesiątki kilometrów bez zmiany kierunku. Lecz im krótsza fala, bliższa długością do rozmiarów cząsteczki powietrza, tym większe prawdopodobieństwo jej odbicia.

W promieniach Słońca są wszystkie możliwe długości fal świetlnych, które przebijają się przez atmosferę dochodząc do naszych oczu. Mieszanina tych kolorów daje wrażenie światła białego. Lecz cząstki powietrza na drodze promieni światła nieco przeszkadzają w rozchodzeniu się światła.
Zgodnie z prawem Rayleigh, obliczonym teoretycznie i sprawdzonym doświadczalnie, jest niewielkie prawdopodobieństwo odbicia (rozproszenia) fali elektromagnetycznej od mikroskopijnej cząsteczki. Tym większe jest to prawdopodobieństwo, im mniejsza jest długość fali. W rezultacie, w głównym strumieniu światła słonecznego jest trochę mniej krótkich fal (niebieskich) – światło Słońca wydaje się trochę żółte. To rozproszone światło niebieskie dochodzi do nas z różnych obszarów nieba – czyste niebo jest niebieskie.
Gdy w powietrzu jest trochę pyłu, dymu lub miniaturowych kropelek mgły, znacznie większych od drobin powietrza, rozpraszane są również inne kolory. Ich wymieszanie daje wrażenie bieli i szarości. W rejonach powietrza zanieczyszczonego, niebo jest blade.

Gdy promienie Słońca docierają na do nas skośnie (o wschodzie i zachodzie), przebywają one w powietrzu znacznie dłuższą drogę i w dodatku przez nisko położone warstwy gęstego powietrza. Odbicie i rozproszenie koloru niebieskiego jest bardzo silne. Częściowo odfiltrowywany jest również kolor zielony. Światło zubożone o te kolory daje efekt pomarańczowo-czerwony.
Innym efektem obserwowanym o wschodzie i zachodzie Słońca jest ugięcie promieni i zmiana kształtu tarczy słonecznej. Kuliste warstwy powietrza otaczające Ziemię działają jak fragmenty soczewki i odchylają promienie światła przechodzące nisko nad horyzontem. Kształt zachodzącego Słońca często przypomina spłaszczone od dołu jajo. Nawet gdy według astronomicznych obliczeń wynika, że Słońce powinno być pod horyzontem, część tarczy widzimy jeszcze na niebie. Dzień jest o kilka minut dłuższy niż teoretycznie powinien być.

Zachodzące tarcze Słońca i Księżyca wydają się dużo większe niż wtedy, gdy oglądamy je wysoko na niebie. Jest to jednak tylko nasze odczucie, złudzenie związane z oceną odległości. Wymiary porównujemy bowiem do przedmiotów, które widzimy w pobliżu tarczy słonecznej. Ptak przelatujący nad naszymi głowami może na chwilę zakryć Słońce, nie mówiąc już o startującym lub lądującym samolocie. Słońce wydaje się małe.

Lecz gdy Słońce lub Księżyc zbliżają się do horyzontu, porównujemy ich rozmiary z oddalonym domem, z grupą drzew, słowem, z obiektami dużo większymi. Przekonajmy się jednak, że tarcze Słońca lub Księżyca zawsze zasłoni paznokieć małego palca na wyciągniętej przed siebie ręce. Obojętne jak duża wydawała się nam przed chwilą tarcza nad horyzontem.

W powietrzu często tkwią drobniutkie kropelki mgły lub kryształki lodu. Są one na tyle małe i lekkie, że powietrze nie pozwala im spaść na dół. Rozproszenie promieni światła na tych drobinach daje ciekawe efekty, kształty świecących figur geometrycznych. Słońce prześwitujące przez korony drzew lub przerwy w chmurach daje w lekko zamglonym powietrzu świetlne stożki zaczynające się gdzieś nad naszymi głowami i rozszerzające się ku dołowi. U niektórych ludzi wywołuje to skojarzenia z sylwetkami w długich sukniach lub powłóczystych szatach.

Przesuwające się na tle tarczy słonecznej strzępki wysokich chmur, gdy nad głowami jest silnie zamglone powietrze, dają wrażenie szybkiego ruchu Słońca lub jego obracania się. Załamywanie się światła na kryształkach lodu, zawieszonych nad horyzontem, może wywoływać wrażenie dwóch dodatkowych zamglonych tarcz słonecznych. Czasem Słońce otoczone jest świetlistą aureolą lub rozciągają się od tarczy w dół, w górę i na boki, świetliste pasma dające obraz krzyża. Wiedząc o tych zjawiskach nazywanych „halo”, można je oglądać na niebie co kilka tygodni.

Pięknym i do niedawna tajemniczym zjawiskiem na niebie jest tęcza. Tęczę widzimy na ścianie oddalającego się deszczu (czasem, ale rzadko, na nadchodzącym deszczu), gdy staniemy tyłem do Słońca. Wiemy obecnie, że jest to efekt załamania i odbicia światła w kroplach wody. Ponieważ kąt załamania zależy od długości fali świetlnej, następuje rozszczepienie i pogrupowanie kolorów.

W tęczy wyróżniamy sześć (lub siedem) kolorów: fioletowy, niebieski (dodajemy turkusowy), zielony, żółty, pomarańczowy i czerwony. W rzeczywistości, ilość tych kolorów można mnożyć do woli, bo płynnie przechodzą jeden w drugi.

Kąt pomiędzy łukiem tęczy a jej geometrycznym środkiem wynosi około 42 stopnie. Ten geometryczny środek tęczy jest tam, gdzie pada cień naszej głowy. Każdy widzi więc swoją własną tęczę. Wyraźnie można to dostrzec, gdy jedziemy samochodem i widzimy jak tęcza w coraz to innym miejscu dotyka horyzontu.

Sfotografowanie całej tęczy jest możliwe tylko aparatem o szerokokątnym obiektywie obejmującym kąt około 90 stopni. Popularne aparaty mają zbyt wąskie pole kadru i można zmieścić na obrazie tylko część tęczy.
Tęczę można obserwować tylko wtedy, gdy Słońce jest blisko horyzontu, po południu lub rzadziej rano. Chyba, że stoimy na szczycie góry a tęcza rozciąga się pod nami w dolinie. Tęczę widzimy też w rozbryzgach wody podczas podlewania trawy i wśród kropel wody unoszących się nad wodospadami. Czasami widać dwa łuki tęczy, ten większy ma odwrócone kolory i jest bardziej blady. Możemy też dostrzec tęczę w świetle Księżyca.

Te występujące w naturze tęcze są zwiastunami dobrej pogody. Aby się ukazały, po odchodzącej chmurze deszczowej musi odsłonić się czyste niebo i zaświecić Słońce. Dzieje się tak zwykle po przejściu frontu chłodnego, po którym nadciąga czyste powietrze i kilka dni prawie bezchmurnego nieba.
Mieszkańcy podbiegunowych terenów, mogą co pewien czas oglądać kolorowe światła na nocnym niebie – zorze polarne. Jest to również zjawisko wywołane przez Słońce, ale nie przez światło słoneczne.

Świecenie górnych warstw atmosfery wywoływane jest przez tak zwany wiatr słoneczny. Wiatr ten to strumienie protonów, elektronów i cząstek alfa wyrzucane przez Słońce z ogromnymi prędkościami i zakrzywiane w pobliżu Ziemi przez ziemskie pole magnetyczne. Do atmosfery mogą wpadać tylko w pobliżu biegunów magnetycznych.

Te naelektryzowane, szybkie cząstki, zderzając się z cząsteczkami gazu, powodują ich świecenie – podobnie jak w rurach neonowych reklam. W atmosferze Ziemi wygląda to jak firanki z blado-różowej i blado-zielonej poświaty, falujące i przesuwające się po niebie. W Kanadzie, szczególnie na północy i na Alasce obserwowane są dość często. Sporadycznie mogą oglądać zorze polarne również mieszkańcy północnych rejonów USA – w Minnesocie, Montanie czy Dakocie.

Intensywne kolory na niebie można dostrzegać tylko w tych rejonach, gdzie dolne warstwy powietrza są czyste. W powietrzu, w którym jest nadmierna ilość pyłów przemysłowych, dymu czy nawet odparowanych drobin soli z rozbryzgów fal morskich, niebo będzie zawsze blado-szare a Słońce będzie się topiło w szarym obłoku nad horyzontem.

Wzmożona od wielu lat troska o czystość naszego powietrza zaowocowała i coraz częściej, wracając pod wieczór autostradą, możemy podziwiać cały zestaw kolorów nieba, jakich nie potrafiłby dobrać nawet znakomity malarz.
(ami)