(Cer albastru senin)
Cerul albastru este albastru deoarece aerul împrăștie lumină cu lungimi de undă scurte mai mult decât lungimile de undă mai lungi. Deoarece lumina albastră este la capătul scurt al lungimii de undă a spectrului vizibil, este mai puternic împrăștiată în atmosferă decât lumina roșie cu lungime de undă lungă. Rezultatul este că atunci când privim cerul, în altă decât spre Soare, ochiul uman îl percepe ca fiind albastru. Culoarea percepută este similară cu cea obținută de un albastru monocromatic cu lungimea de undă de 474-476 nm amestecat cu lumină albă, adică o lumină albastră nesaturată. Explicația culorii albastre dat de Rayleigh în 1871 este unul dintre cele mai cunoscute exemple de aplicare a analizei dimensionale în rezolvarea unei probleme în fizică.
Aproape de răsăritul soarelui și apusul soarelui, cea mai mare parte a luminii solare ajunge aproape tangențial la suprafața Pământului; astfel, traiectoria luminii prin atmosferă este atât de lungă încât o mare parte din lumina albastră și chiar verde este împrăștiată pe parcurs, depărtându-se de razele soarelui și de norii care rămân luminați roșu. Prin urmare, când privim cerul la apusul soarelui și la răsăritul soarelui, vedem culoarea roșie mai mult decât celelalte culori.
(Compararea eficienței de împrăștiere a luminii albastre în atmosferă în comparație cu lumina roșie. )
Împrăștierea și absorbția sunt cauze majore ale atenuării radiației de către atmosferă. Difracția variază în funcție de raportul dintre diametrul particulei și lungimea de undă a radiației. Când acest raport este mai mic decât aproximativ o zecime, se produce împrăștierea Rayleigh. În acest caz, coeficientul de împrăștiere variază invers cu a patra putere a lungimii de undă. La rapoarte mai mari, împrăștierea variază într-un mod complex, descris pentru particulele sferice prin teoria lui Mie; legile opticii geometrice încep să se aplice la un raport de ordinul 10.
În cazul cerului la zenit, acesta este albastru în timpul zilei, datorită împrăștierii Rayleigh care implică gaze diatomice (N2, O2). Aproape de apus și mai ales în timpul crepusculului, absorbția de ozon (O3) contribuie în mod semnificativ la menținerea culorii albastre a cerului.
Radiația difuză a cerului
(Un spectru de cer albastru arată clar liniile solare Fraunhofer și banda de absorbție a apei atmosferice.)
Radiația difuză a cerului este o radiație solară care atinge suprafața Pământului după ce a fost împrăștiată din fasciculul solar direct prin molecule sau particule în atmosferă. De asemenea, este numit radiație celestă, lumină cerească difuză, sau doar lumina cerească, fiind motivul pentru schimbările de culoare ale cerului. Din lumina totală îndepărtată din fasciculul solar direct prin împrăștierea în atmosferă (aproximativ 25% din radiația incidentă când și unde Soarele se găsește sus pe cer, în funcție de cantitatea de praf, ceață și alte particule din atmosferă), aproximativ două treimi ating în cele din urmă pământul ca o radiație difuză a cerului. Când Soarele se află la zenit într-un cer fără nori, la 1361 W/m2 deasupra atmosferei, lumina directă a soarelui este de aproximativ 1050 W/m2, iar iradiația solară totală este de aproximativ 1120 W/m2. Aceasta implică faptul că în aceste condiții radiația difuză este de numai aproximativ 70 W/m2 față de versiunea originală de 1361 W/m2.
Procesele dominante de împrăștiere a radiației în atmosferă (împrăștierea Rayleigh și împrăștierea Mie) sunt de natură elastică, prin care lumina poate fi deviată de la traiectorie fără a fi absorbită și fără nicio schimbare în lungimea de undă.
Împrăștierea Rayleigh
(Împrăștierea Rayleigh determină nuanța albastră a cerului în timpul zilei și înroșirea soarelui la apus.)
Împrăștierea Rayleigh, numită după fizicianul britanic Lord Rayleigh (John William Strutt), este dispersia elastică (dominantă) a luminii sau a altor radiații electromagnetice de particule mult mai mici decât lungimea de undă a radiației. Împrăștierea Rayleigh nu schimbă starea materialului și este, prin urmare, un proces parametric. Particulele pot fi atomi sau molecule individuale. Poate să apară când lumina se deplasează prin solide și lichide transparente, dar este cel mai vizibil în gaze. Rezultatele împrăștierii Rayleigh rezultă din polarizabilitatea electrică a particulelor. Câmpul electric oscilant al unei unde luminoase acționează asupra sarcinilor din interiorul unei particule, determinându-le să se miște la aceeași frecvență. Prin urmare, particula devine un dipol mic radiant a cărui radiație îl vedem ca lumină împrăștiată.
Împrăștierea Rayleigh a luminii solare în atmosferă provoacă radiații difuze ale cerului, care este motivul pentru culoarea albastră a cerului și tonul galben al soarelui însuși.
Pentru frecvențele de undă cu mult sub frecvența de rezonanță a particulelor de dispersie (regimul de dispersie normal), cantitatea de împrăștiere este invers proporțională cu lungimea de undă la puterea a patra.
Împrăștierea Rayleigh a azotului molecular și a oxigenului molecular în atmosferă include împrăștierea elastică, precum și contribuția inelastică a împrăștierii Raman rotaționale în aer, deoarece modificările numărului de cavități ale fotonului împrăștiat sunt de obicei mai mici de 50 cm-1. Acest lucru poate duce la modificări în starea de rotație a moleculelor. Mai mult, contribuția inelastică are aceeași dependență de lungimi de undă ca și partea elastică.
Împrăștierea prin particule similare sau mai mari decât lungimea de undă a luminii este tratată în mod obișnuit prin teoria Mie, aproximarea dipolului discret și alte tehnici de calcul. Împrăștierea Rayleigh se aplică particulelor mici, în ceea ce privește lungimile de undă ale luminii și care sunt optic „ușoare” (adică cu un indice de refracție apropiat de 1). Pe de altă parte, teoria difracției anormale se aplică particulelor optice ușoare, dar mai mari.
De ce e cerul albastru
(Lumina albastră împrăștiată este polarizată. Imaginea din dreapta este luată printr-un filtru polarizator: polarizatorul transmite lumină care este polarizată liniar într-o anumită direcție. )
Dependența puternică a lungimii de undă a dispersiei (~λ-4) înseamnă că lungimile de undă mai scurte (albastre) sunt împrăștiate mai puternic decât lungimile de undă mai lungi (roșii). Aceasta are ca rezultat lumina albastră indirectă provenind din toate regiunile cerului. Împrăștierea Rayleigh este o bună aproximare a modului în care se produce împrăștierea luminii în diverse medii pentru care particulele de dispersie au o dimensiune mică (parametru).
O porțiune a fasciculului de lumină provenit de la soare se împrăștie pe moleculele de gaz și alte particule mici din atmosferă. Aici, împrăștierea Rayleigh apare în primul rând prin interacțiunea soarelui cu molecule de aer localizate la întâmplare. Este această lumină împrăștiată care dă cerului înconjurător strălucirea și culoarea sa. Așa cum s-a afirmat anterior, împrăștierea Rayleigh este invers proporțională cu lungimea de undă la puterea a patra, astfel încât lungimile de undă mai scurte violet și albastru se vor împrăștia mai mult decât lungimile de undă mai lungi (galben și mai ales roșu). În plus, oxigenul din atmosfera Pământului absoarbe lumina la marginea regiunii ultra-violete a spectrului. Culoarea rezultată, care apare ca un albastru pal, este de fapt un amestec de toate culorile împrăștiate, în principal albastru și verde. Dimpotrivă, privind spre soare, culorile care nu sunt împrăștiate – lungimile de undă mai lungi, cum ar fi lumina roșie și galbenă – sunt direct vizibile, dând soarelui o nuanță ușor gălbuie. Privit din spațiu, cerul este negru și soarele este alb.
Înroșirea soarelui este intensificată atunci când este aproape de orizont, deoarece lumina primită direct de la el trebuie să treacă prin mai multă atmosferă. Efectul este și mai puternic, deoarece lumina soarelui trebuie să treacă printr-o proporție mai mare a atmosferei mai aproape de suprafața pământului, unde este mai densă. Aceasta elimină o parte semnificativă a luminii mai scurte (albastru) și a lungimii de undă medie (verde) de pe calea directă spre observator. Lumina rămasă neîmprăștiată este, prin urmare, cea mai mare parte a lungimilor de undă mai lungi, și apare mai roșie.
Unele dintre dispersii pot fi de asemenea datorate particulelor de sulfat. La ani de zile după erupțiile mari din Plinian, culoarea albastră a cerului este în mod special intensificată de încărcătura persistentă de sulfați a gazelor stratosfere.
În locații cu puțină poluare, cerul de noapte luminat de lună este de asemenea albastru, deoarece lumina lunii este lumina soarelui reflectată, cu o temperatură a culorii ușor mai scăzută datorită culorii maronii a lunii. Cerul luminat de lună nu este perceput ca albastru, totuși, deoarece la niveluri scăzute de lumină, viziunea umană provine în principal din celulele tijelor care nu produc nicio percepție a culorii (efectul Purkinje).
Lasă un răspuns