Jednym z pierwszych pytań, jakie ciekawskie dziecko często zadaje na temat świata przyrody, jest „dlaczego niebo jest niebieskie?”. Jednak pomimo tego, jak powszechne jest to pytanie, istnieje wiele błędnych przekonań i nieprawidłowych odpowiedzi bandied about – ponieważ odbija ocean; ponieważ tlen jest niebieskim gazem; ponieważ światło słoneczne ma niebieski odcień – podczas gdy właściwa odpowiedź jest często dokładnie przeoczona. Tak naprawdę, powodem, dla którego niebo jest niebieskie, są trzy proste czynniki połączone razem: światło słoneczne składa się ze światła o wielu różnych długościach fal, atmosfera Ziemi składa się z cząsteczek, które rozpraszają światło o różnych długościach fal w różnym stopniu, oraz wrażliwość naszych oczu. Jeśli połączymy te trzy rzeczy razem, błękitne niebo jest nieuniknione. Oto jak to wszystko się łączy.

Światło słoneczne składa się ze wszystkich różnych kolorów światła… a nawet kilku! Fotosfera naszego Słońca jest tak gorąca, o temperaturze prawie 6000 K, że emituje szerokie spektrum światła, od ultrafioletu o najwyższej energii, poprzez widzialne, od fioletu aż do czerwieni, a następnie głęboko w podczerwoną część widma. Światło o najwyższej energii jest również światłem o najkrótszej długości fali (i wysokiej częstotliwości), podczas gdy światło o niższej energii ma dłuższą długość fali (i niską częstotliwość) niż jego wysokoenergetyczne odpowiedniki. Kiedy widzisz pryzmat rozszczepia światło słoneczne na jego poszczególne składniki, powodem, dla którego światło rozszczepia się w ogóle jest fakt, że światło czerwone ma większą długość fali niż światło niebieskie.

Fakt, że światło o różnych długościach fali reaguje inaczej na interakcje z materią, okazuje się niezwykle ważny i przydatny w naszym codziennym życiu. Duże otwory w twojej mikrofalówce wpuszczają i wypuszczają światło widzialne o krótkiej długości fali, ale zatrzymują światło mikrofalowe o dłuższej długości fali, odbijając je. Cienkie powłoki na Twoich okularach przeciwsłonecznych odbijają ultrafioletowe, fioletowe i niebieskie światło, ale przepuszczają zielone, żółte, pomarańczowe i czerwone światło o większej długości fali. A maleńkie, niewidzialne cząsteczki tworzące naszą atmosferę – cząsteczki takie jak azot, tlen, woda, dwutlenek węgla, a także atomy argonu – wszystkie rozpraszają światło o każdej długości fali, ale rozpraszają światło o krótszej długości fali znacznie skuteczniej.

Ponieważ wszystkie te cząsteczki są dużo mniejsze niż długość fali światła, im krótsza jest długość fali światła, tym lepiej jest ono rozpraszane. W rzeczywistości, ilościowo, podlega ono prawu znanemu jako rozpraszanie Rayleigha, które uczy nas, że fioletowe światło na granicy krótkiej długości fali ludzkiego wzroku rozprasza się ponad dziewięć razy częściej niż czerwone światło na granicy długiej długości fali. (Intensywność rozpraszania jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali do czwartej potęgi: I ∝ λ-4). Podczas gdy światło słoneczne pada wszędzie po dziennej stronie atmosfery Ziemi, czerwona długość fali światła jest tylko w 11% tak prawdopodobna do rozproszenia, a więc dotarcia do oczu, jak światło fioletowe.

Gdy Słońce jest wysoko na niebie, to dlatego całe niebo jest niebieskie. Wydaje się ono tym jaśniejsze, im dalej od Słońca patrzysz, ponieważ w tych kierunkach jest więcej atmosfery (a więc więcej niebieskiego światła). W każdym kierunku, w którym patrzysz, możesz zobaczyć rozproszone światło pochodzące od światła słonecznego uderzającego w całą atmosferę pomiędzy twoimi oczami a miejscem, gdzie zaczyna się przestrzeń kosmiczna. Ma to kilka interesujących konsekwencji dla koloru nieba, w zależności od tego, gdzie jest Słońce i gdzie patrzysz.

Jeśli Słońce jest poniżej horyzontu, światło wszystko musi podróżować przez duże ilości atmosfery. Niebieskie światło rozprasza się we wszystkich kierunkach, podczas gdy czerwone światło jest znacznie mniej prawdopodobne, aby się rozproszyć, co oznacza, że dociera do Twoich oczu. Jeśli kiedykolwiek jesteś w samolocie po zachodzie słońca lub przed wschodem słońca, można uzyskać spektakularny widok tego efektu.

To jeszcze lepszy widok z kosmosu, z opisów, a także obrazów, które astronauci zwrócili.

Podczas wschodu/zachodu Słońca lub wschodu/ zachodu Księżyca światło pochodzące od Słońca (lub Księżyca) musi przejść przez ogromną ilość atmosfery; im bliżej horyzontu, tym więcej atmosfery musi przejść przez światło. Podczas gdy światło niebieskie rozprasza się we wszystkich kierunkach, światło czerwone rozprasza się znacznie mniej efektywnie. Oznacza to, że zarówno światło z dysku Słońca (lub Księżyca) zmienia kolor na czerwonawy, ale również światło z okolic Słońca i Księżyca – światło, które uderza w atmosferę i rozprasza się tylko raz, zanim dotrze do naszych oczu – jest preferencyjnie zaczerwienione w tym czasie.

Podczas całkowitego zaćmienia Słońca, kiedy cień Księżyca pada nad tobą i uniemożliwia bezpośrednie uderzenie światła słonecznego w duże fragmenty atmosfery w pobliżu ciebie, horyzont zmienia kolor na czerwony, ale nie gdzie indziej. Światło uderzające w atmosferę poza ścieżką całkowitego zaćmienia rozprasza się we wszystkich kierunkach, dlatego w większości miejsc niebo jest nadal wyraźnie niebieskie. Jednak w pobliżu horyzontu światło, które zostaje rozproszone we wszystkich kierunkach, najprawdopodobniej zostanie ponownie rozproszone, zanim dotrze do Twoich oczu. Światło czerwone jest najbardziej prawdopodobną długością fali światła, aby przejść, ostatecznie przewyższając bardziej efektywnie rozproszone światło niebieskie.

Więc, mając to wszystko powiedziane, prawdopodobnie masz jeszcze jedno pytanie: jeśli światło o krótszej długości fali jest rozpraszane bardziej efektywnie, dlaczego niebo nie wydaje się fioletowe? Rzeczywiście, w atmosferze jest więcej światła fioletowego niż niebieskiego, ale jest tam również mieszanka innych kolorów. Ponieważ twoje oczy mają trzy rodzaje czopków (do wykrywania koloru) w nich, wraz z monochromatycznymi pręcikami, to sygnały z wszystkich czterech, które muszą zostać zinterpretowane przez twój mózg, jeśli chodzi o przypisanie koloru.

Każdy typ czopków, plus pręciki, są wrażliwe na światło o różnej długości fali, ale wszystkie one są w pewnym stopniu stymulowane przez niebo. Nasze oczy reagują silniej na niebieskie, cyjanowe i zielone fale światła niż na fioletowe. Nawet jeśli jest więcej światła fioletowego, nie wystarcza ono do pokonania silnego sygnału niebieskiego, który dostarczają nasze mózgi.

To jest ta kombinacja trzech rzeczy razem:

1. fakt, że światło słoneczne składa się ze światła o wielu różnych długościach fal,
2. że cząsteczki atmosferyczne są bardzo małe i rozpraszają światło o krótszej długości fali znacznie wydajniej niż światło o dłuższej długości fali,
3. oraz że nasze oczy mają takie reakcje, jakie mają na różne kolory,

to sprawia, że niebo wydaje się ludziom niebieskie. Gdybyśmy mogli widzieć w ultrafiolecie bardzo skutecznie, niebo prawdopodobnie pojawiłoby się bardziej fioletowe i ultrafioletowe; gdybyśmy mieli tylko dwa rodzaje czopków (jak psy), moglibyśmy zobaczyć niebieskie niebo w ciągu dnia, ale nie czerwienie, pomarańcze i żółcie zachodu słońca. Ale nie daj się zwieść: kiedy patrzysz na Ziemię z kosmosu, też jest niebieska, ale atmosfera nie ma z tym nic wspólnego!

.