Jednou z prvních otázek, které zvídavé dítě často klade ohledně světa přírody, je „proč je obloha modrá?“. Avšak navzdory tomu, jak je tato otázka rozšířená, existuje mnoho mylných představ a nesprávných odpovědí – protože odráží oceán; protože kyslík je modře zbarvený plyn; protože sluneční světlo má modrý odstín – zatímco správná odpověď je často důkladně přehlížena. Ve skutečnosti je obloha modrá kvůli třem jednoduchým faktorům dohromady: sluneční světlo je tvořeno světlem mnoha různých vlnových délek, zemská atmosféra je tvořena molekulami, které rozptylují světlo různých vlnových délek v různém množství, a citlivost našich očí. Když tyto tři věci spojíme dohromady, modrá obloha je nevyhnutelná. Zde je vysvětleno, jak to všechno dohromady souvisí.

Sluneční světlo se skládá ze všech různých barev světla… a ještě něco navíc! Fotosféra našeho Slunce je tak horká, má téměř 6 000 K, že vyzařuje široké spektrum světla, od ultrafialového s nejvyššími energiemi a do viditelného spektra, od fialového až po červené a pak hluboko do infračervené části spektra. Světlo s nejvyšší energií má zároveň nejkratší vlnovou délku (a vysokou frekvenci), zatímco světlo s nižší energií má delší vlnovou délku (a nízkou frekvenci) než jeho vysokoenergetické protějšky. Když vidíte, jak hranol rozděluje sluneční světlo na jednotlivé složky, důvodem, proč se světlo vůbec rozdělí, je skutečnost, že červenější světlo má delší vlnovou délku než modřejší světlo.

To, že světlo různých vlnových délek reaguje při interakci s hmotou různě, se ukazuje jako nesmírně důležité a užitečné v našem každodenním životě. Velké otvory v mikrovlnné troubě propouštějí krátkovlnné viditelné světlo dovnitř a ven, ale zadržují mikrovlnné světlo delší vlnové délky a odrážejí ho. Tenké vrstvy na slunečních brýlích odrážejí ultrafialové, fialové a modré světlo, ale propouštějí zelené, žluté, oranžové a červené světlo s delší vlnovou délkou. A drobné neviditelné částice, které tvoří naši atmosféru – molekuly jako dusík, kyslík, voda, oxid uhličitý a také atomy argonu – rozptylují světlo všech vlnových délek, ale mnohem účinněji rozptylují světlo kratších vlnových délek.

Protože všechny tyto molekuly jsou mnohem menší než samotná vlnová délka světla, čím kratší je vlnová délka světla, tím lépe se rozptyluje. Ve skutečnosti se kvantitativně řídí zákonem známým jako Rayleighův rozptyl, který nás učí, že fialové světlo na hranici krátké vlnové délky lidského zraku se rozptyluje více než devětkrát častěji než červené světlo na hranici dlouhé vlnové délky. (Intenzita rozptylu je nepřímo úměrná vlnové délce na čtvrtou mocninu: I ∝ λ-4.) Zatímco sluneční světlo dopadá všude na denní straně zemské atmosféry, červené vlnové délky světla mají jen 11% pravděpodobnost, že se rozptýlí, a tedy se dostane k vašim očím, jako světlo fialové.

Když je Slunce vysoko na obloze, je proto celá obloha modrá. Čím dále od Slunce se díváte, tím se zdá být jasněji modrá, protože v těchto směrech je vidět více atmosféry (a tedy i více modrého světla). V každém směru, kterým se díváte, můžete vidět rozptýlené světlo pocházející ze slunečního světla dopadajícího na celou atmosféru mezi vašima očima a místem, kde začíná kosmický prostor. To má několik zajímavých důsledků pro barvu oblohy v závislosti na tom, kde se Slunce nachází a kam se díváte.

Je-li Slunce pod obzorem, musí všechno světlo projít velkým množstvím atmosféry. Modřejší světlo se rozptýlí do všech směrů, zatímco červenější světlo se rozptýlí s mnohem menší pravděpodobností, což znamená, že dorazí k vašim očím. Pokud se někdy ocitnete v letadle po západu nebo před východem Slunce, můžete mít nádherný výhled na tento efekt.

Je to ještě lepší pohled z vesmíru, z popisů a také ze snímků, které astronauti vrátili.

Při východu/západu Slunce nebo východu/západu Měsíce musí světlo přicházející ze samotného Slunce (nebo Měsíce) projít obrovským množstvím atmosféry; čím blíže je k obzoru, tím více atmosféry musí světlo projít. Zatímco modré světlo se rozptyluje do všech směrů, červené světlo se rozptyluje mnohem méně efektivně. To znamená, že jak světlo ze samotného slunečního (nebo měsíčního) kotouče se zbarví do červena, ale také světlo z okolí Slunce a Měsíce – světlo, které dopadne na atmosféru a rozptýlí se jen jednou, než se dostane k našim očím – je v té době přednostně načervenalé.

A během úplného zatmění Slunce, kdy na vás dopadá stín Měsíce a brání přímému slunečnímu světlu dopadat na velké části atmosféry ve vaší blízkosti, se obzor zbarví do červena, ale nikde jinde. Světlo dopadající na atmosféru mimo dráhu totality se rozptýlí do všech směrů, a proto je obloha na většině míst stále viditelně modrá. Ale v blízkosti obzoru se světlo, které se rozptýlí do všech směrů, s velkou pravděpodobností znovu rozptýlí, než se dostane k vašim očím. Největší pravděpodobnost, že projde, má červené světlo, které nakonec předčí účinněji rozptýlené modré světlo.

Takže s tím vším, co bylo řečeno, vás pravděpodobně napadá ještě jedna otázka: Pokud je světlo kratších vlnových délek rozptýleno účinněji, proč se nám obloha nezdá fialová? Skutečně, z atmosféry skutečně vychází větší množství fialového světla než modrého, ale je zde také směs ostatních barev. Protože vaše oči mají v sobě tři typy čípků (pro detekci barev) spolu s monochromatickými tyčinkami, jsou to signály ze všech čtyř, které musí váš mozek interpretovat, když jde o přiřazení barvy.

Každý typ čípků plus tyčinky jsou citlivé na světlo různých vlnových délek, ale všechny jsou do určité míry stimulovány oblohou. Naše oči reagují silněji na modré, azurové a zelené vlnové délky světla než na fialové. I když je fialového světla více, nestačí to k překonání silného modrého signálu, který náš mozek vydává.

Je to kombinace tří věcí dohromady:

1. skutečnost, že sluneční světlo se skládá ze světla mnoha různých vlnových délek,
2. že atmosférické částice jsou velmi malé a rozptylují světlo kratších vlnových délek mnohem účinněji než světlo delších vlnových délek,
3. a že naše oči reagují na různé barvy tak, jak reagují,

že se lidem zdá obloha modrá. Kdybychom viděli do ultrafialového spektra velmi efektivně, obloha by se nám pravděpodobně jevila spíše fialová a ultrafialová; kdybychom měli pouze dva typy čípků (jako psi), mohli bychom přes den vidět modrou oblohu, ale ne červenou, oranžovou a žlutou při západu slunce. Ale nenechte se zmást: když se podíváte na Zemi z vesmíru, je také modrá, ale atmosféra s tím nemá nic společného!