Kolor nieba

Kolor nieba i znajdujących się na nim chmur zależy od kilku zjawisk optycznych. Najważniejszymi z nich jest rozpraszanie światła widzialnego przez molekuły powietrza, znajdujące się w powietrzu kropelki wody, kryształki lodu oraz pyły zawieszone w powietrzu.

Czyste niebo w dzień

Niebo widziane za dnia

Czyste niebo widoczne jest jako rozproszone przez powietrze promieniowanie słoneczne. Gdyby światło słoneczne nie było rozpraszane przez atmosferę, to niebo byłoby czarne i w dzień widoczne byłyby gwiazdy.

Zamglenie - zawiesina mikroskopijnych kropelek wody lub zwilżonych cząsteczek hygroskopijnych w powietrzu przy powierzchni ziemi, powodująca obniżenie widzialności od 1 km do 8 km.

Widnokrąg – granica widoczności w płaszczyźnie horyzontu. Linia pozornego zetknięcia nieboskłonu z powierzchnią Ziemi. W terenie otwartym widnokrąg jest zbliżony kształtem do okręgu. W terenie zabudowanym lub pofałdowanym, widnokrąg stanowią najdalsze widoczne elementy krajobrazu.

Cząsteczki gazów wchodzących w skład powietrza są znacznie mniejsze od długości fali światła słonecznego. Światło oddziałujące z małymi cząsteczkami powietrza ulega rozproszeniu (rozpraszanie Rayleigha) we wszystkich kierunkach.

W takim przypadku wielkość rozproszenia jest odwrotnie proporcjonalna do 4 potęgi długości fali. Oznacza to, że np. dla dwukrotnie mniejszej długości fali, rozpraszanie jest 16-krotnie większe. Dlatego też rozpraszanie jest największe dla fioletu, a najmniejsze dla czerwieni (które dzieli około dwukrotna długość fali). Mimo to kolor nieba nie jest fioletowy – wynika to z małej intensywności fioletu w widmie słonecznym oraz z charakterystyki czułości oka ludzkiego, stąd wypadkowa światła rozproszonego w całym widmie widzialnym daje wrażenie koloru niebieskiego.

Rozpraszanie Rayleigha (od nazwiska Lorda Rayleigha) to rozpraszanie światła na cząsteczkach o rozmiarach mniejszych od długości fali rozpraszanego światła. Występuje przy rozchodzeniu się światła w przejrzystych ciałach stałych i cieczach, ale najbardziej efektownie objawia się w gazach. Rozpraszanie Rayleigha na cząsteczkach atmosfery jest przyczyną błękitnego koloru nieba.

Sfera niebieska (firmament, sklepienie niebieskie) - abstrakcyjna sfera o nieokreślonym promieniu otaczająca obserwatora znajdującego się na Ziemi, utożsamiana z widzianym przez niego niebem. Dawniej wierzono, że sfera niebieska jest rzeczywistą kopułą, dziś wiadomo, że jest to tylko złudzenie optyczne, a sformułowanie to jest używane jedynie w zwrotach językowych, jak np.:

Niebo szare lub zamglone

Białawy lub szary kolor nieba (nie chmur) wynika z innych zjawisk. W powietrzu takim, znajdują się kropelki wody, kryształki lodu oraz ziarenka pyłów. Krople te czy też kryształy lodu mają średnice około 10 mikrometrów (lub więcej) i są duże w porównaniu z długością światła widzialnego (0,3-0,7 mikrometra) dlatego rozpraszanie jest nieselektywne, wszystkie kolory są rozpraszane podobnie w wyniku czego kolor światła rozproszonego jest taki sam jak kolor światła padającego czyli biały. Warto dodać, że szary czy czarny kolor chmur nie wynika z absorbujących własności kropel (pojedyncze krople są przezroczyste) ale z faktu, że ciemny obszar chmury jest słabo oświetlony.

Rozwiązania Mie - dokładne rozwiązanie problemu rozpraszania światła na sferycznych cząstkach w postaci nieskończonego, ale zbieżnego szeregu. Rozwiązania Mie dają informacje o ilości promieniowania zaabsorbowanego lub rozproszonego przez cząstkę. Właściwości rozproszeniowe cząstki obliczone zgodnie z tym rozwiązaniem noszą kolokwialną (ale nieprawidłową) nazwę rozpraszanie Mie.

Promieniowanie słoneczne – strumień fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych (promieniowanie korpuskularne) docierający ze Słońca do Ziemi. Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery określone jest przez stałą słoneczną. Wielkość ta jest zdefiniowana dla średniej odległości Ziemia-Słońce i wynosi około 1366,1 W/m2. Natężenie promieniowania słonecznego zmienia się w cyklu rocznym ze względu na zmiany odległości pomiędzy Ziemią a Słońcem w zakresie ±3,4%. Chwilowa wartość natężenia promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery może być wyznaczona ze wzoru

Aerozole atmosferyczne, takie jak siarczany, aerozol soli morskiej, i mineralne pyły (piaski) są podobne do kropli wody i w większości wypadków są przezroczyste (czyli nie absorbują promieniowania widzialnego). Jednak ich wielkość jest znacznie mniejsza niż kropli chmurowych. Dlatego wytłumaczenie barwy w świetle przechodzącym przez tego typu aerozole opiera się zazwyczaj na rozproszeniu Mie'ego (Gustaw Mie), opisującego poprawnie, w przeciwieństwie do teorii Rayleigha, rozpraszanie światła na obiektach kulistych o rozmiarach porównywalnych lub większych niż długość fali światła widzialnego.

Zenit - w astronomii punkt na niebie dokładnie ponad pozycją obserwatora. Jest jednym z dwóch miejsc przecięcia lokalnej osi pionu ze sferą niebieską. Drugim punktem przecięcia, przeciwległym do zenitu, czyli znajdującym się pod obserwatorem jest nadir.

Pyły zawieszone sadzy i inne pyły węglowo-grafitowe absorbują światło i mogą one w świetle przechodzącym powodować ciemny kolor.

Gdyby powietrze było pozbawione aerozoli i pyłów oraz miało jednakową temperaturę, to widoczność przekraczałaby 100 km - w sprzyjających warunkach dochodzi jednak tylko do 50 km.

Podczas występowania mgły przy powierzchni ziemi mówi się o zamgleniu.

Niebo czerwone

Czerwone niebo podczas zachodu słońca

Niebo (chmury) w okolicach słońca przybiera kolor czerwieni tuż przed lub po zachodzie lub wschodzie słońca, zaś samo słońce jest czerwone tuż przed zachodem.

Ten efekt jest też wywołany przez rozpraszanie promieni słonecznych. Gdy Słońce jest nisko nad horyzontem, lub poniżej niego, chmury mogą być oświetlone przez promienie słoneczne, które przeszły przez grubą warstwę powietrza (promienie padają pod małym kątem w stosunku do powierzchni ziemi). W świetle tym fale o mniejszej długości (niebieski, fiolet) są rozproszone i nie trafiają do oka obserwatora patrzącego w kierunku słońca, a pozostają głównie fale o największej długości (czerwone). Światło to jest rozpraszane przez kropelki chmur i nadaje im czerwony kolor (ale efekt rozpraszania przez krople chmurowe nie odgrywa już znaczenia w określeniu koloru).

Nie ma różnicy w opisie fizycznym czerwonego koloru słońca dla wschodu i zachodu słońca ponieważ w jednym i w drugim wypadku promienie słońca przechodzą przez grubą warstwę atmosfery. Różnica polega na tym, że wieczorem może być więcej aerozoli atmosferycznych (pyłów zawieszonych w powietrzu), które także przyczyniają się do rozpraszania światła.

Im dalej od słońca, a bliżej zenitu, tym niebo jest mniej czerwone, a bardziej niebieskie. Najbardziej głęboki niebieski kolor nieboskłonu występuje w płaszczyźnie przebiegającej prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych. Przykładowo - o zachodzie jest to pas od północnego krańca widnokręgu przez zenit do południowego krańca widnokręgu. Z kierunku prostopadłego do promieni słonecznych jest największa intensywność promieniowania rozproszonego (a więc krótkofalowego), a najmniejsza - długofalowego, które jest słabo rozpraszane. Ten efekt występuje przez cały dzień, ale jest najlepiej widoczny właśnie o wschodzie lub zachodzie Słońca, ponieważ grubość rozpraszającej warstwy atmosfery jest największa. Patrząc dalej ku wschodowi niebo ponownie przybiera kolor jaśniejszy, bardziej piaskowy. Wynika to z większego udziału dłuższych fal (pomarańczowe, żółte) w świetle dochodzącym do obserwatora. Jest to efektem jednej z właściwości rozpraszania Rayleigha, jaką jest to, iż światło rozpraszane w przód ma takie samo natężenie, jak światło rozpraszane wstecz.

Wikimedia Commons ma galerię ilustracji związaną z tematem:
Kolor nieba

Linki zewnętrzne

Zdjęcia nieba