Sinisen taivaan yhdistelmä, tumma yläpuolella, vaaleampi lähellä horisonttia, sekä punertava Aurinko… joko auringonnousun tai -laskun aikaan, voidaan kaikki selittää tieteellisesti. Näin se onnistuu.
Robert Villalta / Pexels
Yksi ensimmäisistä kysymyksistä, joita utelias lapsi usein kysyy luonnosta, on ”miksi taivas on sininen?”. Huolimatta siitä, kuinka yleinen tämä kysymys on, on kuitenkin monia väärinkäsityksiä ja vääriä vastauksia, joita levitetään – koska se heijastaa merta; koska happi on sinisen värinen kaasu; koska auringonvalo on sinisävyistä – kun taas oikea vastaus jätetään usein perusteellisesti huomiotta. Todellisuudessa syy siihen, että taivas on sininen, johtuu kolmesta yksinkertaisesta tekijästä yhdessä: siitä, että auringonvalo koostuu monien eri aallonpituuksien valosta, siitä, että maapallon ilmakehä koostuu molekyyleistä, jotka hajottavat eri aallonpituista valoa eri määrän, ja silmiemme herkkyydestä. Kun nämä kolme asiaa yhdistetään, sininen taivas on väistämätön. Näin kaikki menee yhteen.
Aurinko säteilee valoa monilla eri aallonpituuksilla, joista kaikki eivät ole näkyviä. … ilmakehä vaikuttaa jokaiseen ainutlaatuiseen aallonpituuteen eri tavalla, minkä seurauksena syntyy koko joukko havaitsemiamme optisia ilmiöitä.
Negative Space / Pexels
Auringonvalo koostuu kaikista valon eri väreistä… ja vähän enemmänkin! Aurinkomme fotosfääri on niin kuuma, lähes 6 000 K, että se säteilee valon laajaa spektriä, ultravioletista korkeimmilla energioilla näkyvään, violetista aina punaiseen asti ja sitten syvälle spektrin infrapunaosaan. Korkeimman energian valo on myös lyhimmän aallonpituuden (ja korkean taajuuden) valoa, kun taas matalamman energian valo on pidemmän aallonpituuden (ja matalan taajuuden) valoa kuin korkea-energiset vastineensa. Kun näet prisman jakavan auringonvalon sen yksittäisiin komponentteihin, syy siihen, miksi valo ylipäätään jakautuu, on se, että punaisemmalla valolla on pidempi aallonpituus kuin sinisellä valolla.
Kaavamainen animaatio jatkuvasta valonsäteestä, jonka prisma hajottaa. Jos sinulla olisi ultravioletti-… ja infrapunasilmät, voisit nähdä, että ultraviolettivalo taipuu vielä enemmän kuin violetti/sininen valo, kun taas infrapunavalo pysyy vähemmän taipuneena kuin punainen valo.
LucasVB / Wikimedia Commons
Tosiasiassa se, että valon eri aallonpituudet reagoivat eri tavoin vuorovaikutuksessa materian kanssa, osoittautuu erittäin tärkeäksi ja hyödylliseksi jokapäiväisessä elämässämme. Mikroaaltouunin suuret reiät päästävät lyhyen aallonpituuden näkyvän valon sisään ja ulos, mutta pitävät pidemmän aallonpituuden mikroaaltovalon sisällä heijastaen sitä. Aurinkolasien ohuet pinnoitteet heijastavat ultraviolettia, violettia ja sinistä valoa, mutta päästävät läpi pidemmän aallonpituuden vihreän, keltaisen, oranssin ja punaisen valon. Ja ilmakehämme muodostavat pienet, näkymättömät hiukkaset – molekyylit, kuten typpi, happi, vesi, hiilidioksidi sekä argon-atomit – hajottavat valoa kaikilla aallonpituuksilla, mutta hajottavat lyhyemmän aallonpituuden valoa paljon tehokkaammin.
Kun Aurinko on korkealla yläpuolellamme, taivas zeniitin suunnassa on paljon tummemman sininen, kun taas taivas… horisonttiin päin on vaaleampi, kirkkaamman syaanin värinen. Tämä johtuu suuremmasta ilmakehän määrästä ja suuremmasta sironneen valon määrästä, joka näkyy matalalla taivaalla.
Karsten Kettermann /
Koska nämä kaikki molekyylit ovat paljon pienempiä kuin itse valon aallonpituus, mitä lyhyempi valon aallonpituus on, sitä paremmin se siroaa. Itse asiassa kvantitatiivisesti se noudattaa Rayleighin sironnaksi kutsuttua lakia, joka opettaa meille, että ihmisen näkökyvyn lyhyellä aallonpituusrajalla oleva violetti valo siroaa yli yhdeksän kertaa useammin kuin pitkän aallonpituuden rajalla oleva punainen valo. (Sironnan voimakkuus on kääntäen verrannollinen aallonpituuteen neljänteen potenssiin: I ∝ λ-4.) Vaikka auringonvalo osuu kaikkialle Maan ilmakehän päivän puolella, punaisemmat valon aallonpituudet siroavat ja siten pääsevät silmiisi vain 11 % todennäköisemmin kuin violetti valo.
Joidenkin opaalinhohtoisten materiaalien, kuten kuvassa olevan, Rayleighin sirontaominaisuudet ovat samanlaiset kuin… ilmakehällä. Valkoisen valon valaistessa tätä kiveä oikealta ylhäältä, kivi itsessään siroaa sinistä valoa, mutta päästää oranssin/punaisen valon mieluummin esteettä läpi.
optick / flickr
Kun aurinko on korkealla taivaalla, siksi koko taivas on sininen. Se näyttää sitä kirkkaamman siniseltä, mitä kauemmas Auringosta katsoo, koska niissä suunnissa on enemmän ilmakehää (ja siksi enemmän sinistä valoa). Mihin tahansa suuntaan katsotkin, näet hajavalon, joka tulee auringonvalosta, joka osuu koko ilmakehään silmiesi ja ulkoavaruuden alkupisteen välissä. Tällä on muutamia mielenkiintoisia seurauksia taivaan väriin riippuen siitä, missä aurinko on ja mihin katsot.
Hyvin korkeilta korkeuksilta auringonnousua edeltävältä tai auringonlaskun jälkeiseltä taivaalta voidaan nähdä värien kirjo,… joka johtuu auringonvalon sironnasta, moninkertaisesti, ilmakehässä.
Public domain
Jos aurinko on horisontin alapuolella, valon on kaikki kuljettava suurten ilmakehämäärien läpi. Sinisempi valo hajoaa pois, kaikkiin suuntiin, kun taas punaisempi valo hajoaa paljon harvemmin, eli se saapuu silmiisi. Jos olet joskus lentokoneessa auringonlaskun jälkeen tai ennen auringonnousua, voit saada upean näkymän tästä efektistä.
Maailman ilmakehä nähtynä auringonlaskun aikana toukokuussa 2010 kansainväliseltä avaruusasemalta.
NASA / ISS
Näkymä avaruudesta on vieläkin parempi, kuvausten ja myös astronauttien palauttamien kuvien perusteella.
Koska ilmakehän läpäisevän ilmakehän määrä on suuri, Auringon (tai Kuun) lähettämä valo punertaa valtavasti… kun se on lähellä horisonttia. Kauempana Auringosta taivas muuttuu vähitellen sinisemmäksi.
Max Pixel / FreeGreatPicture.com
Auringon noustessa/auringon laskiessa tai kuun noustessa/kuun laskiessa Auringosta (tai Kuusta) tulevan valon on itse läpäistävä valtavasti ilmakehää; mitä lähempänä horisonttia se on, sitä enemmän ilmakehää valon on käytävä läpi. Sininen valo siroaa kaikkiin suuntiin, mutta punainen valo siroaa paljon tehottomammin. Tämä tarkoittaa, että sekä itse Auringon (tai Kuun) kiekon valo muuttuu punertavaksi, mutta myös Auringon ja Kuun läheisyydestä tuleva valo – valo, joka osuu ilmakehään ja siroaa vain kerran ennen kuin se saavuttaa silmämme – on tuolloin ensisijaisesti punertavaa.
Totaalinen auringonpimennys, sellaisena kuin se nähdään tässä kuvassa Oregonin osavaltiossa sijaitsevassa Madraksessa, johti paitsi spektaakkelimaisen… näkymää Auringosta, vaan myös horisontista, joka ympäröi kaikkia totaalisuuspolulla.
Rob Kerr/AFP/Getty Images
Ja täydellisen auringonpimennyksen aikana, kun Kuun varjo lankeaa ylitsesi ja estää suoraa auringonvaloa osumasta suuriin osiin ilmakehää lähellesi, horisontti värjäytyy punaiseksi, mutta ei missään muualla. Valo, joka osuu ilmakehään totaalisuuspolun ulkopuolella, hajoaa kaikkiin suuntiin, minkä vuoksi taivas on useimmissa paikoissa edelleen näkyvästi sininen. Mutta lähellä horisonttia valo, joka hajoaa kaikkiin suuntiin, hajoaa hyvin todennäköisesti uudelleen ennen kuin se saavuttaa silmäsi. Punainen valo on todennäköisin valon aallonpituus, joka pääsee läpi, ja lopulta se ohittaa tehokkaammin sironneen sinisen valon.
Rayleigh-sironta vaikuttaa siniseen valoon voimakkaammin kuin punaiseen, mutta näkyvistä aallonpituuksista… violetti valo siroaa eniten. Vain silmiemme herkkyydestä johtuu, että taivas näyttää siniseltä eikä violetilta.
Lohikäärmeiden lento / KES47 of Wikimedia Commons
Tämän kaiken sanottuasi sinulla on luultavasti vielä yksi kysymys: jos lyhyemmän aallonpituuden valo siroaa tehokkaammin, miksi taivas ei näytä violetilta? Ilmakehästä tulee todellakin enemmän violettia valoa kuin sinistä valoa, mutta myös muita värejä on sekaisin. Koska silmissäsi on kolmenlaisia käpyjä (värien havaitsemiseen) sekä monokromaattisia sauvoja, aivojesi on tulkittava kaikkien neljän tyypin signaalit, kun on kyse värin osoittamisesta.
Ihmissilmän valovaste normalisoituna kolmenlaisten käpyjen ja (katkoviivoitettu… viiva) monokromaattiset sauvat.
George Wald / Hektoen International Journal
Jokainen käpylätyyppi sekä sauvat ovat herkkiä eri aallonpituuksista tulevalle valolle, mutta taivas stimuloi niitä kaikkia jossain määrin. Silmämme reagoivat voimakkaammin siniseen, syaaniseen ja vihreään valon aallonpituuteen kuin violettiin. Vaikka violettia valoa on enemmän, se ei riitä voittamaan aivojemme antamaa voimakasta sinistä signaalia.
Koska ilmakehämme kaasujen vetovoima aiheuttaa huomattavan pintapaineen, jolloin… syntyy nestemäisiä valtameriä. Kuvan luotto: .
NASA Goddard Space Flight Center Kuva: Reto Stöckli, Terra-satelliitti / MODIS-instrumentti
Se on kolmen asian yhdistelmä yhdessä:
- se, että auringonvalo koostuu monien eri aallonpituuksien valosta,
- se, että ilmakehän hiukkaset ovat hyvin pieniä ja hajottavat lyhyemmän aallonpituuden valoa paljon tehokkaammin kuin pidemmän aallonpituuden valoa,
- ja se, että silmämme reagoivat eri väreihin sellaisilla vasteilla kuin ne reagoivat,
joka saa aikaan sen,
että taivas näyttäytyy ihmiselle sinisenä. Jos voisimme nähdä ultraviolettiin hyvin tehokkaasti, taivas näkyisi todennäköisesti enemmän violettina ja ultraviolettina; jos meillä olisi vain kahdenlaisia käpyjä (kuten koirilla), voisimme nähdä sinisen taivaan päivällä, mutta emme auringonlaskun punaisia, oransseja ja keltaisia. Mutta älkää menkö lankaan: kun katsotte maapalloa avaruudesta, sekin on sininen, mutta ilmakehällä ei ole mitään tekemistä sen kanssa!