Kombinationen af en blå himmel, mørk over himlen, lysere nær horisonten, sammen med en rødlig sol ved… enten solopgang eller solnedgang, kan forklares videnskabeligt. Her er hvordan.
Robert Villalta / Pexels
Et af de første spørgsmål, som et nysgerrigt barn ofte stiller om naturen, er “hvorfor er himlen blå?”. Men på trods af hvor udbredt dette spørgsmål er, er der mange misforståelser og ukorrekte svar, der bliver brugt – fordi det afspejler havet; fordi ilt er en blåfarvet gas; fordi sollys har et blåt skær – mens det rigtige svar ofte bliver overset helt og holdent. I virkeligheden skyldes grunden til, at himlen er blå, tre enkle faktorer tilsammen: at sollys består af lys med mange forskellige bølgelængder, at Jordens atmosfære består af molekyler, der spreder lyset med forskellige bølgelængder i forskellige mængder, og at vores øjne er følsomme. Hvis man lægger disse tre ting sammen, er en blå himmel uundgåelig. Her er hvordan det hele hænger sammen.
Solen udsender lys med mange forskellige bølgelængder, som ikke alle er synlige, og som udsendes af solen. Atmosfæren påvirker hver enkelt bølgelængde forskelligt, hvilket resulterer i alle de optiske fænomener, vi kan observere.
Negative Space / Pexels
Sollyset består af alle de forskellige farver af lys … og lidt til! Vores Sols fotosfære er så varm, næsten 6.000 K, at den udsender et bredt spektrum af lys, fra ultraviolet ved de højeste energier og ind i det synlige, fra violet hele vejen til rødt, og så dybt ind i den infrarøde del af spektret. Det lys med den højeste energi er også det lys med den korteste bølgelængde (og høj frekvens), mens det lys med lavere energi har længere bølgelængder (og lavere frekvenser) end de højenergiske modstykker. Når man ser et prisme splitte sollyset op i dets enkelte bestanddele, skyldes det, at det rødere lys har en længere bølgelængde end det blå lys.
Skematisk animation af en kontinuerlig lysstråle, der spredes af et prisme. Hvis du havde ultraviolette… og infrarøde øjne, ville du kunne se, at ultraviolet lys bøjer endnu mere end det violette/blå lys, mens det infrarøde lys forbliver mindre bøjet end det røde lys.
LucasVB / Wikimedia Commons
Det faktum, at lys med forskellige bølgelængder reagerer forskelligt på interaktioner med stof, viser sig at være ekstremt vigtigt og nyttigt i vores dagligdag. De store huller i din mikrobølgeovn lader synligt lys med kort bølgelængde komme ind og ud, men holder mikrobølgelys med længere bølgelængde inde og reflekterer det. De tynde belægninger på dine solbriller reflekterer ultraviolet, violet og blåt lys, men lader grønt, gult, orange og rødt lys med længere bølgelængder passere igennem. Og de små, usynlige partikler, som vores atmosfære består af – molekyler som nitrogen, ilt, vand, kuldioxid og argonatomer – spreder alle lys af alle bølgelængder, men spreder lyset med kortere bølgelængder meget mere effektivt.
Når solen står højt oppe over himlen, er himlen mod zenit meget mørkere blå, mens himlen … mod horisonten er en lysere, lysere cyanfarvet. Det skyldes den større mængde atmosfære og den større mængde spredt lys, der er synlig ved lave vinkler på himlen.
Karsten Kettermann /
Da disse molekyler alle er meget mindre end selve lysets bølgelængde, spredes lyset bedre, jo kortere lysets bølgelængde er, jo bedre spredes det. Kvantitativt set adlyder det faktisk en lov, der er kendt som Rayleigh-spredning, og som lærer os, at det violette lys ved den korte bølgelængdegrænse for det menneskelige syn spredes mere end ni gange så hyppigt som det røde lys ved den lange bølgelængdegrænse. (Spredningsintensiteten er omvendt proportional med bølgelængden til fjerde potens: I ∝ λ-4). Mens sollyset falder overalt på dagssiden af Jordens atmosfære, er der kun 11 % så stor sandsynlighed for, at de rødere bølgelængder af lyset spredes, og derfor når frem til dine øjne, som det violette lys gør.
Nogle opalescerende materialer, som det her viste, har lignende Rayleigh-spredningsegenskaber som … atmosfæren. Når hvidt lys belyser denne sten fra øverst til højre, spreder stenen selv blåt lys, men lader det orange/røde lys fortrinsvis passere uhindret igennem.
optick / flickr
Når Solen står højt på himlen, er det derfor, at hele himlen er blå. Den fremstår lysere blå, jo længere væk fra Solen man ser, fordi der er mere atmosfære at se (og derfor mere blåt lys) i de retninger. Uanset i hvilken retning du ser, kan du se det spredte lys, der kommer fra sollyset, som rammer hele atmosfæren mellem dine øjne og det sted, hvor det ydre rum begynder. Dette har et par interessante konsekvenser for himlens farve, afhængigt af hvor solen befinder sig, og hvor du kigger hen.
Fra meget store højder i himlen før solopgang eller efter solnedgang kan man se et spektrum af farver,…. forårsaget af, at sollyset spredes flere gange af atmosfæren.
Public domain
Hvis solen er under horisonten, skal lyset alt sammen rejse gennem store mængder af atmosfære. Det blå lys bliver spredt væk i alle retninger, mens det rødlige lys er langt mindre tilbøjeligt til at blive spredt, hvilket betyder, at det kommer frem til dine øjne. Hvis du nogensinde er oppe i et fly efter solnedgang eller før solopgang, kan du få et spektakulært syn af denne effekt.
Atmosfæren på Jorden, som den er set under solnedgang i maj 2010 fra den internationale rumstation.
NASA / ISS
Det er en endnu bedre udsigt fra rummet, ud fra de beskrivelser og også de billeder, som astronauterne har returneret.
Med en stor mængde atmosfære at passere igennem, bliver lyset fra Solen (eller Månen) enormt rødt… når det er tæt på horisonten. Længere væk fra Solen bliver himlen gradvist mere blå.
Max Pixel / FreeGreatPicture.com
Under solopgang/nedgang eller måneopgang/måneafgang skal lyset fra Solen (eller Månen) selv passere gennem enorme mængder atmosfære; jo tættere på horisonten det er, jo mere atmosfære skal lyset passere. Mens det blå lys bliver spredt i alle retninger, spredes det røde lys meget mindre effektivt. Det betyder, at både lyset fra selve solens (eller månens) skive får en rødlig farve, men også lyset fra Solens og månens nærhed – det lys, der rammer atmosfæren og spredes kun én gang, før det når vores øjne – bliver fortrinsvis rødligt på det tidspunkt.
Den totale formørkelse, som ses i Madras, Oregon på dette billede, resulterede ikke kun i en spektakulær…. syn af solen, men også af horisonten omkring alle i totalitetens bane.
Rob Kerr/AFP/Getty Images
Og under en total solformørkelse, når Månens skygge falder over dig og forhindrer direkte sollys i at ramme store dele af atmosfæren i nærheden af dig, bliver horisonten rød, men ingen andre steder. Det lys, der rammer atmosfæren uden for totalitetsbanen, bliver spredt i alle retninger, hvilket er grunden til, at himlen stadig er synligt blå de fleste steder. Men nær horisonten vil det lys, der bliver spredt i alle retninger, med stor sandsynlighed blive spredt igen, inden det når dine øjne. Det røde lys er den bølgelængde af lys, der har størst sandsynlighed for at komme igennem og i sidste ende overgår det mere effektivt spredte blå lys.
Rayleigh-spredning påvirker blåt lys hårdere end rødt, men af de synlige bølgelængder … bliver violet lys spredt mest. Det er kun på grund af vores øjns følsomhed, at himlen fremstår blå og ikke violet.
Dragons flight / KES47 of Wikimedia Commons
Så med alt dette sagt har du sikkert et spørgsmål mere: Hvis det lys med kortere bølgelængder spredes mere effektivt, hvorfor fremstår himlen så ikke violet? Faktisk er der faktisk en større mængde violet lys, der kommer fra atmosfæren end blåt lys, men der er også en blanding af de andre farver. Fordi dine øjne har tre typer af kegler (til at registrere farver) i sig, sammen med de monokromatiske stave, er det signalerne fra alle fire, der skal fortolkes af din hjerne, når den skal tildele en farve.
Det menneskelige øjes lysrespons, normaliseret, i form af de tre typer kegler og (stiplet…. linje) de monokromatiske stave.
George Wald / Hektoen International Journal
Hver type kegle samt stavene er følsomme over for lys af forskellige bølgelængder, men de bliver alle i en vis grad stimuleret af himlen. Vores øjne reagerer stærkere på blå, cyan og grønne bølgelængder af lys end på violet. Selv om der er mere violet lys, er det ikke nok til at overvinde det stærke blå signal, som vores hjerne leverer.
Gravitationens tiltrækningskraft på gasserne i vores atmosfære forårsager et betydeligt overfladetryk, hvilket giver … anledning til flydende oceaner. Image credit: .
NASA Goddard Space Flight Center Billede af Reto Stöckli, Terra Satellite / MODIS-instrument
Det er denne kombination af tre ting sammen:
- det faktum, at sollyset består af lys i mange forskellige bølgelængder,
- at atmosfærens partikler er meget små og spreder lyset med kortere bølgelængder meget mere effektivt end lyset med længere bølgelængder,
- og at vores øjne reagerer som de gør på forskellige farver,
som får himlen til at fremstå blå for mennesker. Hvis vi kunne se meget effektivt i det ultraviolette, ville himlen sandsynligvis fremstå mere violet og ultraviolet; hvis vi kun havde to typer kogler (som hunde), kunne vi se den blå himmel om dagen, men ikke de røde, orange og gule farver i solnedgangen. Men lad dig ikke narre: når du ser på Jorden fra rummet, er den også blå, men atmosfæren har intet med det at gøre!