De combinatie van een blauwe lucht, donker boven het hoofd, lichter bij de horizon, samen met een rode zon bij… ofwel zonsopgang of zonsondergang, kan allemaal wetenschappelijk worden verklaard. Hier is hoe.
Robert Villalta / Pexels
Een van de eerste vragen die een nieuwsgierig kind vaak stelt over de natuurlijke wereld is “waarom is de lucht blauw?” Maar ondanks hoe wijdverbreid deze vraag is, zijn er veel misvattingen en onjuiste antwoorden die worden rondgebazuind – omdat het de oceaan weerspiegelt; omdat zuurstof een blauw gekleurd gas is; omdat zonlicht een blauwe tint heeft – terwijl het juiste antwoord vaak grondig over het hoofd wordt gezien. In werkelijkheid is de blauwe kleur van de hemel het gevolg van drie eenvoudige factoren: zonlicht bestaat uit licht van verschillende golflengten, de atmosfeer van de aarde bestaat uit moleculen die het licht van verschillende golflengten in verschillende mate verstrooien, en de gevoeligheid van onze ogen. Voeg deze drie dingen samen, en een blauwe hemel is onvermijdelijk. Zo komt het allemaal samen.
Licht van veel verschillende golflengtes, die niet allemaal zichtbaar zijn, wordt door de zon uitgezonden. De atmosfeer beïnvloedt elke golflengte op een andere manier, wat resulteert in een hele reeks optische verschijnselen die we kunnen waarnemen.
Negative Space / Pexels
Zonlicht bestaat uit alle verschillende kleuren licht… en nog wat! De fotosfeer van onze zon is zo heet, bijna 6.000 K, dat hij een breed spectrum van licht uitzendt, van ultraviolet met de hoogste energieën tot het zichtbare, van violet helemaal tot rood, en dan tot diep in het infrarode deel van het spectrum. Het licht met de hoogste energie is ook het licht met de kortste golflengte (en hoge frequentie), terwijl het licht met de lagere energie een langere golflengte (en lage frequentie) heeft dan de tegenhangers met de hoge energie. Wanneer je een prisma zonlicht ziet splitsen in zijn afzonderlijke componenten, is de reden dat het licht überhaupt splitst, het feit dat het rodere licht een langere golflengte heeft dan het blauwere licht.
Schematische animatie van een continue lichtstraal die door een prisma wordt verspreid. Als je ultraviolette… en infrarode ogen had, zou je kunnen zien dat ultraviolet licht nog meer buigt dan het violet/blauwe licht, terwijl het infrarode licht minder gebogen zou blijven dan het rode licht doet.
LucasVB / Wikimedia Commons
Het feit dat licht van verschillende golflengtes verschillend reageert op interacties met materie blijkt uiterst belangrijk en nuttig in ons dagelijks leven. De grote gaten in uw magnetron laten zichtbaar licht met een korte golflengte binnen en buiten, maar houden microgolflicht met een langere golflengte binnen en weerkaatsen het. De dunne coatings op uw zonnebril reflecteren ultraviolet, violet en blauw licht, maar laten groen, geel, oranje en rood licht met een langere golflengte door. En de kleine, onzichtbare deeltjes waaruit onze atmosfeer bestaat – moleculen als stikstof, zuurstof, water, kooldioxide en argonatomen – verstrooien licht van alle golflengten, maar verstrooien het licht met de kortere golflengten veel efficiënter.
Als de zon hoog boven je hoofd staat, is de lucht naar het zenit toe veel donkerder blauw, terwijl de lucht… naar de horizon toe een lichtere, helderdere cyaankleur heeft. Dit komt door de grotere hoeveelheid atmosfeer, en de grotere hoeveelheid verstrooid licht, die onder lage hoeken aan de hemel zichtbaar is.
Karsten Kettermann /
Omdat deze moleculen allemaal veel kleiner zijn dan de golflengte van het licht zelf, geldt dat hoe korter de golflengte van het licht is, hoe beter het verstrooid wordt. In feite volgt het kwantitatief een wet die Rayleigh-verstrooiing wordt genoemd, die ons leert dat het violette licht bij de korte-golflengtegrens van het menselijke gezichtsvermogen meer dan negen keer zo vaak verstrooit als het rode licht bij de lange-golflengtegrens. (De verstrooiingsintensiteit is omgekeerd evenredig met de golflengte tot de vierde macht: I ∝ λ-4.) Terwijl het zonlicht aan de dagzijde van de atmosfeer van de aarde overal valt, is de kans dat de rooddere golflengten van het licht verstrooid worden, en dus je ogen bereiken, slechts 11% groter dan bij het violette licht.
Sommige opalescente materialen, zoals het hier afgebeelde, hebben vergelijkbare Rayleigh-verstrooiingseigenschappen als… de atmosfeer. Met wit licht dat deze steen van rechtsboven verlicht, verstrooit de steen zelf blauw licht, maar laat het oranje/rode licht bij voorkeur ongestoord door.
optick / flickr
Als de zon hoog aan de hemel staat, is dit de reden waarom de hele hemel blauw is. Het lijkt helderder blauw naarmate je verder van de zon vandaan kijkt, omdat er in die richtingen meer atmosfeer te zien is (en dus meer blauw licht). In elke richting waarin je kijkt kun je het verstrooide licht zien dat afkomstig is van het zonlicht dat de hele atmosfeer tussen je ogen en het begin van de ruimte raakt. Dit heeft een paar interessante gevolgen voor de kleur van de hemel, afhankelijk van waar de zon staat en waar je kijkt.
Van zeer grote hoogten in de lucht voor zonsopgang of na zonsondergang, is een spectrum van kleuren te zien,….veroorzaakt door de verstrooiing van zonlicht, meervoudig, door de atmosfeer.
Publiek domein
Als de zon onder de horizon staat, moet het licht allemaal door grote hoeveelheden atmosfeer reizen. Het blauwe licht wordt in alle richtingen verstrooid, terwijl het rode licht veel minder kans heeft om verstrooid te worden, wat betekent dat het bij je ogen aankomt. Als je ooit in een vliegtuig zit na zonsondergang of voor zonsopgang, kun je een spectaculair zicht krijgen op dit effect.
De atmosfeer van de aarde, gezien tijdens zonsondergang in mei 2010 vanuit het internationale ruimtestation.
NASA / ISS
Het is een nog beter uitzicht vanuit de ruimte, op grond van de beschrijvingen en ook de beelden die astronauten hebben teruggestuurd.
Met een grote hoeveelheid atmosfeer om door te gaan, wordt het licht van de Zon (of Maan) enorm rood… als het dicht bij de horizon is. Verder weg van de zon wordt de lucht geleidelijk blauwer.
Max Pixel / FreeGreatPicture.com
Tijdens zonsopkomst/ondergang of maansopkomst/maansondergang moet het licht van de zon (of maan) zelf door enorme hoeveelheden atmosfeer; hoe dichter bij de horizon, hoe meer atmosfeer het licht moet passeren. Terwijl het blauwe licht in alle richtingen wordt verstrooid, wordt het rode licht veel minder efficiënt verstrooid. Dit betekent dat zowel het licht van de zonneschijf (of de maanschijf) zelf een roodachtige kleur krijgt, maar ook het licht uit de omgeving van de zon en de maan – het licht dat de atmosfeer raakt en maar één keer verstrooit voordat het onze ogen bereikt – op dat moment bij voorkeur rood gekleurd is.
De totale eclips, zoals te zien in Madras, Oregon op deze foto, resulteerde niet alleen in een spectaculair….zicht op de zon, maar ook op de horizon die iedereen in het pad van de totaliteit omringt.
Rob Kerr/AFP/Getty Images
En tijdens een totale zonsverduistering, wanneer de schaduw van de maan over je heen valt en voorkomt dat direct zonlicht grote delen van de atmosfeer in je buurt raakt, kleurt de horizon rood, maar nergens anders. Het licht dat de atmosfeer raakt buiten het pad van de totaliteit wordt in alle richtingen verstrooid, en daarom is de lucht op de meeste plaatsen nog steeds zichtbaar blauw. Maar nabij de horizon wordt het licht dat in alle richtingen verstrooid wordt, zeer waarschijnlijk weer verstrooid voordat het je ogen bereikt. Het rode licht is de meest waarschijnlijke golflengte om door te komen, en overtreft uiteindelijk het efficiënter verstrooide blauwe licht.
Rayleigh-verstrooiing treft blauw licht harder dan rood, maar van de zichtbare golflengtes,… wordt violet licht het meest verstrooid. Het is enkel door de gevoeligheid van onze ogen dat de lucht blauw lijkt en niet violet.
Dragons flight / KES47 of Wikimedia Commons
Dus met dat alles gezegd, heb je waarschijnlijk nog één vraag: als het licht met kortere golflengte efficiënter verstrooid wordt, waarom lijkt de lucht dan niet violet? Er komt inderdaad meer violet licht uit de atmosfeer dan blauw licht, maar er is ook een mix van de andere kleuren. Omdat je ogen drie soorten kegeltjes (voor het waarnemen van kleur) hebben, samen met de monochromatische staafjes, zijn het de signalen van alle vier die door je hersenen moeten worden geïnterpreteerd als het gaat om het toekennen van een kleur.
De lichtrespons van het menselijk oog, genormaliseerd, in termen van de drie soorten kegeltjes en (gestippelde…. lijn) de monochromatische staafjes.
George Wald / Hektoen Internationaal Tijdschrift
Elk type kegeltje, plus de staafjes, zijn gevoelig voor licht van verschillende golflengten, maar ze worden allemaal in zekere mate gestimuleerd door de lucht. Onze ogen reageren sterker op blauw, cyaan, en groen golflengte licht dan op violet. Ook al is er meer violet licht, het is niet genoeg om het sterke blauwe signaal dat onze hersenen afgeven te overwinnen.
De zwaartekracht op de gassen in onze atmosfeer veroorzaken een aanzienlijke oppervlaktedruk, waardoor… vloeibare oceanen ontstaan. Afbeelding credit: .
NASA Goddard Space Flight Center Beeld door Reto Stöckli, Terra Satelliet / MODIS instrument
Het is die combinatie van drie dingen samen:
- het feit dat zonlicht bestaat uit licht van vele verschillende golflengten,
- dat atmosferische deeltjes zeer klein zijn en het licht met kortere golflengten veel efficiënter verstrooien dan licht met langere golflengten,
- en dat onze ogen de reacties hebben die ze op verschillende kleuren hebben,
dat maakt dat de lucht blauw lijkt voor mensen. Als wij zeer efficiënt in het ultraviolet konden kijken, zou de lucht waarschijnlijk meer violet en ultraviolet lijken; als wij slechts twee soorten kegeltjes hadden (zoals honden), zouden wij overdag de blauwe lucht kunnen zien, maar niet het rood, oranje en geel van zonsondergang. Maar laat je niet voor de gek houden: als je vanuit de ruimte naar de Aarde kijkt, is die ook blauw, maar de atmosfeer heeft daar niets mee te maken!