Varför är himlen blå?

Anonim

Hjärnan är bredare än himlen skriver Emily Dickinson i en av hennes namnlösa dikter. Cherished för hennes sublima korthet, valet av hennes ord är varken överdrivet eller för ringt för att lämna en otillfredsställd. De rätta ordenen limnar alltid de mest levande bilderna. Tänk på hur hennes jämförelse omedelbart drar en rymlig himmel, en himmel som strålar med blått.

Den blå himmelen går genom en skiva av bländande ljusstyrka som strålar gult i början av sin klättring, vit vid toppmötet och en viskös blandning av blodröd och orange när den slutligen sätter. Skivan döljer sig ofta bakom akromatiska moln som oregelbundet blivit utspridda över himlen. Liksom slutet av en tjock borste glider skivan över och målar hela himlen med sina skiftande nyanser. Med undantag för molnen, som upprätthåller deras achromaticitet.

Den ljusblå himlen. (Foto Kredit: Aleksander Niz / Shutterstock)

De mest uppenbara frågorna uppstår - varför är dessa naturelement färgade på det här sättet? Låt oss skära till jakten och fråga omedelbart vilken fysisk mekanism som ledde till denna konvention? Den berömda mekanismen är känd som Rayleigh-spridning.

Tyndal effekt och Rayleigh spridning

En regnbåge bildas av regndroppar som beter sig som prismor. (Foto Kredit: Universitet Space Research Association)

Vitt ljus, som Newton så övertygande visat, kan delas upp i sju olika färger. Vitt ljus är en del av det elektromagnetiska spektret i sig. Det representerar det enda bandet av våglängder som det mänskliga ögat kan upptäcka. Dess beståndsdelar delar vidare detta band av våglängder i sju tunnare band. Rayleigh upptäckte att när partiklar i luften kolliderar med solens ljus sprider de dessa våglängder i alla riktningar. Vissa av dessa våglängder sprids emellertid mer intensivt än andra våglängder.

Han fann ett förhållande enligt vilket mängden en våglängd är utspridd är omvänd proportionell mot våglängden som höjdes till den fjärde kraften. Detta innebär att färger som karakteriseras av mindre våglängder sprids mer effektivt. Även om våglängden mäter i nanometerernas skala, förstärker den exponentiella operationen även en liten skillnad - en snabbberäkning skulle förmedla att våglängden associerad med blått sprids nästan tio gånger mer än våglängden associerad med röd.

Spridningen av våglängder av partiklar på detta sätt är ganska allmänt känt. Det finns emellertid en missuppfattning om de enheter som sprider dem. En stor del av folket antar och förklara att denna spridning utförs av gas- eller dammpartiklar. Även Rayleigh och Tyndall förfördes av denna tro. Detta är dock inte sant. Samspelet mellan ljus och partiklar kan antingen få den tidigare att reflektera, böja, som prisman gör, eller sprida det slumpmässigt. Vi vet att skyens blå är orsakad av spridning, i synnerhet Rayleigh-spridning.

Rayleigh-spridning kan dock ske om och endast om storleken på partiklarna som ljuset kolliderar med är jämförbara eller mindre än dess våglängd. Damm- eller gaspartiklar, naturliga eller på annat sätt, är större i storlek. Faktum är att om dammpartiklar var de sanna konspirrerna, så skulle himmelens färg ständigt variera med vädret. Det var Einstein som senare upptäckte att molekyler var ansvariga för en sådan spridning av ljus. Det är deras dipolmoment som induceras av interaktionen med ett EM-fält som sprider dessa våglängder. Forskare har nu minskat arten av molekyler till kväve och syre.

Men himlen förråder sin blå och antar en plysch röd när solen sätter. Detta beror på att ljuset från solen krävs för att resa längre än när det ligger nära horisonten än när det ligger direkt ovanför oss. Detta medför att ljuset rör sig genom mer luft, vilket får den att kollidera med fler och fler partiklar, så att allt blå är utspridda. allt som finns kvar är våglängderna som är behagliga till röda. Följaktligen passerar den röda, orange och gula rakt igenom till vårt öga.

Solnedgångar över havet är ofta orange på grund av att saltpartiklarna är upphängda i luften ovanför dem. Krediter: Diana Savich / Shutterstock

När det gäller molnens blekhet fortsätter de att vara täckta i gråtoner, eftersom deras beståndsdelar, som är större än ljusets våglängd, upplever en annan typ av spridning. Detta fenomen sprider varje våglängd lika, vilket reflekterar nyanser från bomull vit till introspektiv grå. Spridning ses också på Mars, där himlen ofta är helt röd. Detta beror på att gluten av järn i sin luft sprider sig kraftigt i dammstor.

Men man skulle misstänka att generalisera från bilderna och antar att Marshimman är ständigt röd. Ibland, i avsaknad av stormer, är Marshimman färgad en viss blå, en som är mörkare än vår himmelblå, för dess atmosfär är tunnare än vår.

Varför inte violett?

Kottarna är sammanslagna så att våglängderna överlappar och kombinerar sig med varandra asymmetriskt för att producera den mängd olika färger vi hittar runt oss.

Det visuella systemet är inte som en mynt sorterare, där varje våglängd separeras och samlas in av en kon. Kottarna är sammanslagna så att våglängderna överlappar och kombinerar sig med varandra asymmetriskt för att producera en mängd olika färger som vi ser omkring oss. Faktum är att de tre primära färgerna är allt som en tv kräver för att simulera de utsökta nyanserna och uppfattningarna om djup som vi observerar i verkligheten!

När vi blickar mot himlen stimuleras den röda konen av de röda, gula och orange våglängderna, den gröna konen svarar på några gula och starkt spridda grönblå våglängder, och slutligen matar den blå konen den mest rikligt spridda våglängder av blå. Men eftersom stimuleringen inte är absolut, men oproportionerlig, indigo och violett sondar samtidigt den blå och den röda konen också. Nettoeffekten är att dessa färger "bleknar bort", vilket gör himlen ljusblå med ett snitt av rött.

Röd himmel

I huvudsak är våra ögon inte helt känsliga för violett och indigo och istället gör en generalisering för att säkra noggrann, kraftkrävande beräkning. Att vara så skickligt vant vid miljön har fenomenet fått vård och ingrepp i oss. Denna generalisering för att uppleva himlen som en ren nyans är kanske inte enbart en slump; förmågan att skilja naturliga färger är förmodligen en evolutionär fördel.