Proč je nebe modré?

Tuto klasickou otázku si kladou už malé děti. „Proč je nebe modré?“ Umíte na ni svým dětem odpovědět? Ve hře jsou sluneční paprsky a molekuly vzduchu. 

Už v roce 1810 tvrdil Goethe (který se zabýval kromě jiného také systematikou barev), že by barva naší oblohy mohla mít něco společného s dopadajícím světlem. Správné fyzikální vysvětlení ovšem nabídl lord John William Rayleigh o 61 let později.

Sluneční světlo, které vnímáme jako bílé, obsahuje ve skutečnosti všechny barvy duhy. Každý jistě ví, že se dá světlo rozložit na jednotlivé komponenty pomocí skleněného hranolu. Tomuto barevnému pásu, obsahujícímu všechny známé barvy, se říká spektrum.

Různé zdroje – různá spektra

Tento oblíbený a jednoduchý pokus odhaluje, čím se liší různé zdroje světla v našem okolí. Denní, sluneční světlo se skládá ze všech barev duhy. Pokud rozložíte světlo rtuťové výbojky, uvidíte fialovo-modré, zelené a žluté světlo (viz obrázek dole). 

Sodíkové výbojky vyzařují světlo převážně žluté, oranžové a červené. Kadmiové zdroje naopak žluté světlo „neumí“. V jejich spektru se nachází modré a červené komponenty.

Jen pro zajímavost – není spektrum jako spektrum

Spektrum v sobě nese množství zajímavých informací. Dá se díky němu určit nejen povaha zdroje, ale také chemické složení plynu, kterým světlo procházelo při cestě k pozorovateli. Další obrázek ukazuje různé druhy spekter. Horní část je věnována slunečnímu světlu. Slunce vyzařuje různé vlnové délky (barvy) ve spojitém spektru, které vypadá jako barevný pás.

Prostřední část ukazuje vyzařování určitého plynu nebo směsi plynů. Spektrum se omezuje na jednotlivé barvy, které jsou typické pro vyzařující prvek (plyn).

Ve spodní části vidíte spektrum, které je naopak výsledkem pohlcování určitých vlnových délek plynem.

Situace na naší obloze

Při dopadu bílého slunečního světla do naší atmosféry, nastává situace, která se nejvíce podobá situaci  ve spodní části obrázku. Z určitého zdroje (Slunce) je vysíláno světlo, které prochází plynem (atmosférou). Na obrázku molekuly plynu pohlcují určité vlnové délky, takže ve spektru zůstávají prázdná místa. Atmosféra kromě toho může světlo navíc ještě i rozptylovat – a to je právě důvod, proč je naše bezoblačné nebe krásně modré.

Rozptyl

je fyzikální jev, který se dá popsat následovně: kvanta dopadajícího světla mají různou energii, v závislosti na vlnové délce světla. Když dopadnou na molekulu plynu, předají této molekule svou energii, takže molekula začíná vibrovat. Molekula se pak přebytečné energie zbavuje tím, že energii opět vyzáří ve formě fotonu. Přitom má vyzářený foton stejnou vlnovou délku, jakou mělo původní světlo – nemá ale nutně stejný směr.

Modré části spojitého, viditelného slunečního spektra mají nejkratší vlnovou délku, červené části spektra mají vlnovou délku nejdelší. Rozptyl světla na molekulách vzduchu je závislý právě na této vlnové délce světla. Na začátku našeho povídání zmíněný John W. Rayleigh vypočetl, že je rozptyl nepřímo úměrný čtvrté mocnině vlnové délky. Modré světlo se tedy v naší atmosféře rozptyluje více než červené.

Směr, kterým je nové (rozptýlené) světelné kvantum vyzářeno, je víceméně náhodný. Nejčastěji bývá ovšem toto kvantum vyzářeno směrem k Zemi nebo zpět do vesmíru. Ta část světla, která je molekulami vzduchu vyzářena směrem k Zemi, způsobuje, že se nám zdá nebe modré. Ta část, která je vyzářena opačným směrem, způsobuje, že je Země z vesmíru vnímána jako „modrá planeta“.

Když světlo konečně prošlo celou naší atmosférou, je prakticky veškerá modrá frakce rozptýlena, zatímco ostatní vlnové délky prošly atmosférou bez problémů. Proto se nám Slunce jeví z povrchu Země jako žlutá (při západu Slunce dokonce červená) koule. Čím výše stoupáme nad zemský povrch (například během letu letadlem), tím bělejší a zářivější nám Slunce připadá. Ve velkých výškách totiž sluneční paprsky nemusely projít silnou vrstvou atmosféry a neměly proto čas, „ztratit“ svou modrou frakci.

Vodní pára v atmosféře mění barevný tón nebe

Jistě jste si všimli, že je nebe někdy temně modré a někdy spíše mléčně modré. Na vině jsou maličké částečky, kapičky vody. Protože jsou na rozdíl od molekul vzduchu větší než je vlnová délka viditelného světla, reagují s kapičkami vody paprsky světla jinak než s molekulami vzduchu. Na nepatrných molekulách vzduchu se světelné paprsky rozptylují, zatímco jim předávají svou energii, kterou pak molekuly znovu vyzařují. U částeček, které jsou daleko větší než vlnová délka světla, se světlo může odrážet od jejich povrchu.

Tento odraz už není (jako je tomu u rozptylu) závislý na vlnové délce světla, takže se všechny zúčastněné vlnové délky odrážejí stejně. Podobně je tomu se směrem záření. Světlo se od částice odráží všemi směry, žádný z nich není upřednostněn (na rozdíl od situace, která nastává při rozptylu modré frakce na molekulách vzduchu).

Protože je odráženo světlo všech vlnových délek, je výsledná barva bílá – a ta se mísí s nebeskou modří. Nebe, které pozorujeme v době, kdy v atmosféře není moc vodních par, je tedy modřejší, zatímco nebe s velkým podílem rozptýlené vodní páry je spíše mléčně modré.

Extrémním případem jsou pak mraky. Lehké obláčky, nezbarvené přítomností cizorodých částic (prachu) se nám zdají úplně bílé, i když jsou tvořeny bezbarvými kapičkami obyčejné vody.