Dlaczego niebo jest niebieskie, a zachód słońca czerwony?

Światło słoneczne wcale nie jest tylko białe

Kiedy patrzymy na Słońce — czego oczywiście nie należy robić bez odpowiedniej ochrony wzroku — jego światło wydaje się białe lub lekko żółtawe.

Ale światło słoneczne zawiera wiele kolorów.

Możemy zobaczyć je na przykład wtedy, gdy światło przechodzi przez pryzmat albo kiedy na niebie pojawia się tęcza.

W świetle widzialnym znajdziemy między innymi:

• fiolet,
• niebieski,
• zielony,
• żółty,
• pomarańczowy,
• czerwony.

Każdy z tych kolorów odpowiada innemu zakresowi długości fal.

Światło niebieskie ma krótszą długość fali niż światło czerwone. NOAA podaje dla zobrazowania skali wartości rzędu około 400 nanometrów dla światła niebieskiego lub fioletowego i około 750 nanometrów dla czerwonego.

To właśnie różnica długości fal okaże się kluczowa dla koloru nieba.

Co dzieje się ze światłem, gdy wpada do atmosfery?

Między Słońcem a powierzchnią Ziemi znajduje się atmosfera.

Jest ona zbudowana przede wszystkim z gazów, a w powietrzu znajdują się również między innymi:

• para wodna,
• pył,
• aerozole,
• drobne cząstki zanieczyszczeń.

Światło lecące ze Słońca może przejść przez atmosferę, ale część promieniowania zderza się z jej cząsteczkami i zmienia kierunek.

To właśnie nazywamy rozpraszaniem światła.

NASA wyjaśnia, że krótsze fale światła są rozpraszane przez niewielkie cząsteczki powietrza znacznie skuteczniej niż dłuższe fale. Dlatego światło niebieskie rozchodzi się po atmosferze w wielu różnych kierunkach.

I tutaj pojawia się odpowiedź na nasze główne pytanie.

Dlaczego niebo jest niebieskie?

Wyobraź sobie, że stoisz w słoneczny dzień na otwartej przestrzeni i patrzysz wysoko nad siebie.

Słońce może znajdować się z boku, a mimo to niemal całe niebo wydaje się niebieskie.

Nie patrzysz przecież bezpośrednio na Słońce.

Skąd więc bierze się światło nad twoją głową?

To w dużej części światło słoneczne, które zostało rozproszone przez atmosferę i dopiero potem trafiło do twoich oczu.

Ponieważ krótsze fale są rozpraszane mocniej niż fale czerwone, do obserwatora ze wszystkich stron dociera szczególnie dużo rozproszonego światła z niebieskiej części widma.

Dlatego widzimy błękit.

NASA opisuje, że cząsteczki powietrza są znacznie mniejsze od długości fal światła widzialnego, a w takich warunkach zachodzi rozpraszanie Rayleigha. Niebieskie światło jest rozpraszane znacznie silniej niż czerwone.

Skoro fiolet ma jeszcze krótszą falę, dlaczego niebo nie jest fioletowe?

To bardzo dobre pytanie.

Jeżeli krótsze fale są rozpraszane mocniej, można oczekiwać, że niebo powinno być przede wszystkim fioletowe.

Rzeczywistość jest bardziej złożona.

NASA i NOAA wskazują między innymi na dwa czynniki:

• część światła fioletowego jest pochłaniana w górnych warstwach atmosfery,
• ludzkie oczy są znacznie mniej wrażliwe na fiolet niż na niebieski.

Do naszych oczu dociera mieszanina różnych długości fal, a sposób działania ludzkiego wzroku sprawia, że odbieramy niebo przede wszystkim jako niebieskie.

Nie oznacza to więc, że atmosfera rozprasza wyłącznie niebieskie światło.

Rozprasza również inne kolory — tylko w różnym stopniu.

Dlaczego niebo przy horyzoncie jest jaśniejsze?

Spójrz w pogodny dzień bezpośrednio nad głowę, a następnie w kierunku horyzontu.

Często zauważysz, że głęboki błękit nad tobą stopniowo przechodzi w jaśniejszy, czasami niemal mleczny odcień.

Powodem jest między innymi długość drogi, jaką światło musi przebyć przez atmosferę.

Światło docierające do obserwatora z kierunku horyzontu przechodzi przez większą ilość powietrza niż światło docierające z góry.

Wielokrotne rozpraszanie miesza różne długości fal, dlatego w pobliżu horyzontu widzimy zwykle mniej intensywny błękit i więcej białego światła.

Pył, wilgoć i aerozole mogą dodatkowo wzmacniać ten efekt.

A dlaczego zachód słońca jest czerwony?

Teraz wyobraź sobie tę samą atmosferę wieczorem.

Kiedy Słońce znajduje się wysoko nad horyzontem, jego promienie pokonują stosunkowo krótką drogę przez atmosferę.

Podczas zachodu sytuacja wygląda inaczej.

Słońce znajduje się bardzo nisko, więc jego światło dociera do nas pod małym kątem i musi przejść przez znacznie dłuższy odcinek atmosfery.

To oznacza dużo więcej cząsteczek gazów i aerozoli na drodze światła.

Podczas tej długiej podróży krótsze fale — przede wszystkim niebieskie — są wielokrotnie rozpraszane na boki.

Do obserwatora patrzącego w stronę zachodzącego Słońca dociera więc bezpośrednio proporcjonalnie więcej światła o dłuższych falach:

żółtego, pomarańczowego i czerwonego.

NASA i NOAA właśnie dłuższą drogą światła przez atmosferę tłumaczą dominację czerwieni i pomarańczu podczas wschodu oraz zachodu Słońca.

Można to wyobrazić sobie jak ogromny filtr

Nie jest to dosłownie filtr, ale taka analogia pomaga zrozumieć zjawisko.

W południe

Droga przez atmosferę jest krótsza.

Duża część światła słonecznego dociera bezpośrednio do powierzchni, a rozproszone niebieskie światło widzimy na całym niebie.

Podczas zachodu

Droga przez atmosferę staje się znacznie dłuższa.

Duża część niebieskiego światła zostaje wcześniej rozproszona poza bezpośrednią linię między Słońcem a obserwatorem.

W kierunku Słońca pozostaje więcej czerwieni i pomarańczu.

Dlatego ta sama atmosfera może w południe stworzyć błękitne niebo, a kilka godzin później czerwony zachód.

Dlaczego niektóre zachody są znacznie bardziej czerwone niż inne?

Gdyby liczyły się wyłącznie cząsteczki gazów atmosferycznych, zachody wyglądałyby bardziej podobnie.

Tymczasem jednego wieczoru niebo może być lekko pomarańczowe, a następnego wyglądać niemal jak rozpalone.

Znaczenie ma również to, co znajduje się w atmosferze.

Mogą to być między innymi:

• drobinki pyłu,
• aerozole,
• dym,
• para wodna,
• zanieczyszczenia.

Większe cząstki rozpraszają światło inaczej niż cząsteczki gazów odpowiedzialne za klasyczne rozpraszanie Rayleigha. NOAA wskazuje, że aerozole mogą istotnie wpływać na wygląd czerwonego nieba podczas wschodów i zachodów.

Dlatego wygląd zachodu może zmieniać się w zależności od aktualnego stanu atmosfery.

Czy czerwony zachód oznacza duże zanieczyszczenie powietrza?

Nie można tego stwierdzić wyłącznie na podstawie koloru nieba.

Cząstki w atmosferze mogą sprawiać, że zachód staje się bardziej intensywny, ale ich pochodzenie może być bardzo różne.

Do atmosfery trafiają przecież nie tylko zanieczyszczenia przemysłowe.

Aerozole mogą pochodzić również z naturalnych źródeł, takich jak:

• pył unoszony przez wiatr,
• sól morska,
• dym z pożarów,
• materiały wyrzucone podczas erupcji wulkanicznych.

Dlatego piękny czerwony zachód sam w sobie nie jest prostym wskaźnikiem jakości powietrza.

Dlaczego chmury podczas zachodu robią się różowe?

Chmury nie świecą własnym światłem.

Odbijają i rozpraszają światło słoneczne.

Kiedy Słońce jest nisko nad horyzontem, oświetlające je światło ma już znacznie większy udział żółci, pomarańczu i czerwieni.

Dlatego białe chmury mogą nagle stać się:

• złote,
• różowe,
• pomarańczowe,
• czerwone.

NASA zwraca uwagę, że krople wody w chmurach rozpraszają światło inaczej niż niewielkie cząsteczki gazów, a przy niskim położeniu Słońca same chmury mogą być oświetlane światłem o wyraźnie cieplejszym odcieniu.

Dlaczego czasami po zachodzie kolory są jeszcze piękniejsze?

Słońce może już znajdować się poniżej horyzontu z punktu widzenia osoby stojącej na powierzchni Ziemi, ale jego promienie nadal mogą oświetlać wyższe warstwy atmosfery i chmury.

Dlatego przez pewien czas po zachodzie możemy obserwować intensywne kolory.

To właśnie wtedy niebo często przechodzi przez spektakularną sekwencję:

żółty → pomarańczowy → czerwony → różowy → fioletowy → granatowy.

Zmienia się kąt padania światła oraz wysokość warstw atmosfery, które pozostają jeszcze oświetlone.

Czy wschód słońca działa tak samo jak zachód?

Z punktu widzenia fizyki podstawowy mechanizm jest taki sam.

Rano Słońce również znajduje się nisko nad horyzontem, dlatego światło musi przejść dłuższą drogę przez atmosferę, a krótsze fale są silniej rozpraszane.

Dlatego wschody również mogą być czerwone i pomarańczowe.

Różnice między konkretnym wschodem i zachodem wynikają przede wszystkim z aktualnych warunków atmosferycznych, zachmurzenia, ilości aerozoli oraz miejsca obserwacji.

Czy niebo na innych planetach też jest niebieskie?

Nie.

Kolor nieba zależy od składu atmosfery i znajdujących się w niej cząstek.

Świetnym przykładem jest Mars.

Marsjańska atmosfera jest bardzo cienka i zawiera dużo drobnego pyłu. W ciągu dnia niebo może mieć tam odcień żółtawy, pomarańczowy lub czerwonawy.

A podczas zachodu w pobliżu Słońca może pojawić się… niebieskawa poświata.

Czyli niemal odwrotnie niż na Ziemi.

NASA potwierdza, że marsjański pył rozprasza światło w taki sposób, że okolice zachodzącego Słońca mogą wyglądać niebiesko lub niebieskoszaro.

To świetnie pokazuje jedną rzecz:

niebieskie ziemskie niebo nie jest uniwersalną cechą planet. Jest rezultatem właściwości naszej atmosfery.

A jak wyglądałoby niebo bez atmosfery?

Gdyby Ziemia nie miała atmosfery, praktycznie nie byłoby cząsteczek zdolnych rozpraszać światło słoneczne.

Niebo pozostawałoby więc ciemne nawet w ciągu dnia.

Słońce byłoby bardzo jasnym źródłem światła na czarnym tle.

Podobną sytuację można zobaczyć na zdjęciach wykonanych z powierzchni Księżyca, który nie posiada atmosfery porównywalnej z ziemską.

To właśnie atmosfera wypełnia nasze dzienne niebo rozproszonym światłem.

Eksperyment, który można zrobić w domu

Zjawisko rozpraszania światła można częściowo zobrazować bardzo prostym doświadczeniem.

Potrzebujesz:

• przezroczystego naczynia z wodą,
• latarki,
• niewielkiej ilości mleka.

Dodaj do wody kilka kropli mleka i skieruj przez naczynie światło latarki.

Drobne cząsteczki zawieszone w wodzie zaczną rozpraszać światło.

Patrząc z boku, można zauważyć inne zabarwienie światła niż patrząc bezpośrednio w kierunku źródła.

Nie jest to idealna kopia ziemskiej atmosfery, ale dobrze pokazuje, że kolor obserwowanego światła może zależeć od:

rodzaju cząstek + długości drogi światła + miejsca, z którego patrzymy.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego niebo jest niebieskie, skoro światło Słońca jest białe?

Białe światło słoneczne zawiera różne kolory. Cząsteczki ziemskiej atmosfery rozpraszają krótsze fale, zwłaszcza niebieskie, znacznie skuteczniej niż długie fale czerwone. Rozproszone niebieskie światło dociera do naszych oczu ze wszystkich stron.

Dlaczego zachodzące Słońce jest czerwone?

Gdy Słońce znajduje się blisko horyzontu, jego światło pokonuje znacznie dłuższą drogę przez atmosferę. Duża część niebieskich fal zostaje rozproszona, a do obserwatora bezpośrednio dociera więcej pomarańczowych i czerwonych długości fal.

Dlaczego niebo nie jest fioletowe?

Fiolet również jest silnie rozpraszany, ale ludzkie oczy są mniej wrażliwe na ten zakres, a część fioletowego światła jest pochłaniana w górnych warstwach atmosfery. W rezultacie postrzegamy niebo przede wszystkim jako niebieskie.

Czy zachmurzenie zmienia kolor zachodu?

Tak. Chmury mogą odbijać i rozpraszać światło oświetlające je pod niskim kątem, dlatego podczas zachodu mogą przyjmować czerwone, pomarańczowe lub różowe barwy.

Dlaczego na Marsie zachód może być niebieski?

Marsjański pył ma inne właściwości niż ziemska atmosfera i inaczej rozprasza światło. NASA obserwowała niebieskawe zabarwienie wokół Słońca podczas marsjańskich zachodów.

Na koniec

Niebieskie niebo i czerwony zachód są w rzeczywistości dwoma efektami tego samego zjawiska.

W dzień patrzymy przede wszystkim na niebieskie światło rozproszone przez atmosferę.

Podczas zachodu patrzymy w kierunku światła, które przebyło bardzo długą drogę przez atmosferę i po drodze straciło znaczną część krótszych, niebieskich fal.

Dlatego można zapamiętać prostą zasadę:

krótka droga przez atmosferę → dużo błękitu

długa droga przez atmosferę → więcej czerwieni i pomarańczu

Za jednym z najbardziej codziennych widoków na Ziemi kryje się więc fizyka światła, budowa atmosfery i sposób działania naszych oczu.

A najlepsze jest to, że całe zjawisko można obserwować praktycznie każdego pogodnego dnia — wystarczy spojrzeć w niebo.

Źródła i dalsza lektura

• NASA Space Place — Why Is the Sky Blue?
• NOAA / NESDIS — Why Is the Sky Blue?
• NOAA Global Monitoring Laboratory — materiały o rozpraszaniu światła i czerwonym niebie.
• NASA Science — definicja i opis rozpraszania Rayleigha.
• NASA Earth Observatory — materiały o rozpraszaniu światła przy niskim położeniu Słońca.