Una dintre primele întrebări pe care un copil curios le pune adesea despre lumea naturală este „de ce este cerul albastru?”. Cu toate acestea, în ciuda cât de răspândită este această întrebare, există multe concepții greșite și răspunsuri incorecte vehiculate – pentru că reflectă oceanul; pentru că oxigenul este un gaz de culoare albastră; pentru că lumina soarelui are o nuanță albastră – în timp ce răspunsul corect este adesea trecut cu desăvârșire cu vederea. În realitate, motivul pentru care cerul este albastru se datorează a trei factori simpli puși cap la cap: faptul că lumina solară este formată din lumină cu mai multe lungimi de undă diferite, că atmosfera Pământului este formată din molecule care împrăștie lumina cu lungimi de undă diferite în cantități diferite și sensibilitatea ochilor noștri. Dacă punem aceste trei lucruri împreună, cerul albastru este inevitabil. Iată cum se leagă toate acestea.

Lumina Soarelui este alcătuită din toate culorile diferite ale luminii… și încă ceva! Fotosfera Soarelui nostru este atât de fierbinte, la aproape 6.000 K, încât emite un spectru larg de lumină, de la ultraviolete la cele mai înalte energii și până în vizibil, de la violet până la roșu și apoi adânc în porțiunea infraroșie a spectrului. Lumina cu cea mai mare energie este, de asemenea, lumina cu cea mai scurtă lungime de undă (și frecvență înaltă), în timp ce lumina cu energie mai mică are lungimi de undă mai mari (și frecvențe joase) decât omologii cu energie înaltă. Atunci când vedeți o prismă împărțind lumina solară în componentele sale individuale, motivul pentru care lumina se împarte este faptul că lumina mai roșie are o lungime de undă mai mare decât lumina mai albastră.

Faptul că lumina cu lungimi de undă diferite răspunde diferit la interacțiunile cu materia se dovedește extrem de important și util în viața noastră de zi cu zi. Găurile mari din cuptorul cu microunde permit luminii vizibile de lungime de undă scurtă să intre și să iasă, dar păstrează înăuntru lumina de microunde de lungime de undă mai mare, reflectând-o. Straturile subțiri de pe ochelarii dvs. de soare reflectă lumina ultravioletă, violetă și albastră, dar lasă să treacă verdele, galbenul, portocaliul și roșul cu lungime de undă mai mare. Iar micile particule invizibile care alcătuiesc atmosfera noastră – molecule precum azotul, oxigenul, apa, dioxidul de carbon, precum și atomii de argon – toate împrăștie lumina de toate lungimile de undă, dar împrăștie mult mai eficient lumina cu lungimi de undă mai scurte.

Pentru că toate aceste molecule sunt mult mai mici decât lungimea de undă a luminii în sine, cu cât lungimea de undă a luminii este mai scurtă, cu atât se împrăștie mai bine. De fapt, din punct de vedere cantitativ, ea se supune unei legi cunoscute sub numele de împrăștierea Rayleigh, care ne învață că lumina violetă, aflată la limita de lungime de undă scurtă a vederii umane, se împrăștie de peste nouă ori mai frecvent decât lumina roșie, aflată la limita de lungime de undă lungă. (Intensitatea împrăștierii este invers proporțională cu lungimea de undă la puterea a patra: I ∝ λ-4.) În timp ce lumina solară cade pretutindeni pe partea de zi a atmosferei Pământului, lungimile de undă mai roșii ale luminii au doar 11% mai multe șanse de a se împrăștia și, prin urmare, de a ajunge la ochi, decât lumina violetă.

Când Soarele este sus pe cer, acesta este motivul pentru care întregul cer este albastru. Apare un albastru mai strălucitor cu cât te uiți mai departe de Soare, pentru că există mai multă atmosferă de văzut (și, prin urmare, mai multă lumină albastră) în acele direcții. În orice direcție ai privi, poți vedea lumina împrăștiată provenită de la lumina solară care lovește întreaga atmosferă dintre ochii tăi și locul unde începe spațiul cosmic. Acest lucru are câteva consecințe interesante pentru culoarea cerului, în funcție de locul în care se află Soarele și de locul în care priviți.

Dacă Soarele se află sub orizont, toată lumina trebuie să traverseze cantități mari de atmosferă. Lumina mai albastră este împrăștiată, în toate direcțiile, în timp ce lumina mai roșie are mult mai puține șanse de a fi împrăștiată, ceea ce înseamnă că ajunge la ochii tăi. Dacă vă aflați vreodată într-un avion după apusul soarelui sau înainte de răsăritul soarelui, puteți obține o vedere spectaculoasă a acestui efect.

Este o priveliște și mai bună din spațiu, din descrierile, dar și din imaginile pe care astronauții le-au returnat.

În timpul răsăritului/apusului soarelui sau al răsăritului/lunii, lumina care vine de la Soare (sau de la Lună) trebuie să treacă ea însăși prin cantități enorme de atmosferă; cu cât este mai aproape de orizont, cu atât mai multă atmosferă trebuie să treacă lumina. În timp ce lumina albastră este împrăștiată în toate direcțiile, lumina roșie se împrăștie mult mai puțin eficient. Acest lucru înseamnă că atât lumina de pe discul Soarelui (sau al Lunii) în sine capătă o culoare roșiatică, dar și lumina din vecinătatea Soarelui și a Lunii – lumina care lovește atmosfera și se împrăștie doar o singură dată înainte de a ajunge la ochii noștri – este înroșită în mod preferențial în acel moment.

Și în timpul unei eclipse totale de Soare, atunci când umbra Lunii cade peste tine și împiedică lumina directă a Soarelui să atingă secțiuni mari ale atmosferei din apropierea ta, orizontul devine roșu, dar în nici un alt loc. Lumina care lovește atmosfera în afara traiectoriei de totalitate se împrăștie în toate direcțiile, motiv pentru care cerul este încă vizibil albastru în majoritatea locurilor. Dar, în apropierea orizontului, lumina care se împrăștie în toate direcțiile este foarte probabil să se împrăștie din nou înainte de a ajunge la ochii dumneavoastră. Lumina roșie este lungimea de undă de lumină care are cele mai multe șanse să treacă, depășind în cele din urmă lumina albastră mai eficient dispersată.

După toate aceste precizări, probabil că mai aveți o întrebare: dacă lumina cu lungimi de undă mai scurte este dispersată mai eficient, de ce nu apare cerul violet? Într-adevăr, există de fapt o cantitate mai mare de lumină violetă care provine din atmosferă decât lumina albastră, dar există și un amestec al celorlalte culori, de asemenea. Deoarece ochii tăi au trei tipuri de conuri (pentru detectarea culorilor) în ei, alături de bastonașele monocromatice, semnalele de la toate cele patru sunt cele care trebuie să fie interpretate de creierul tău atunci când vine vorba de atribuirea unei culori.

Care tip de conuri, plus bastonașele, sunt sensibile la lumina cu lungimi de undă diferite, dar toate sunt stimulate într-o oarecare măsură de cer. Ochii noștri răspund mai puternic la lungimile de undă de lumină albastră, cian și verde decât la cea violetă. Chiar dacă există mai multă lumină violetă, aceasta nu este suficientă pentru a depăși puternicul semnal albastru pe care creierul nostru îl transmite.

Este acea combinație de trei lucruri împreună:

1. faptul că lumina solară este alcătuită din lumină cu multe lungimi de undă diferite,
2. că particulele atmosferice sunt foarte mici și împrăștie lumina cu lungimi de undă mai scurte mult mai eficient decât lumina cu lungimi de undă mai mari,
3. și faptul că ochii noștri au răspunsurile pe care le au la diferite culori,

care face ca cerul să apară albastru pentru oameni. Dacă am putea vedea în ultraviolet foarte eficient, cerul ar apărea probabil mai mult violet și ultraviolet; dacă am avea doar două tipuri de conuri (ca și câinii), am putea vedea cerul albastru în timpul zilei, dar nu și roșul, portocaliul și galbenul de la apus. Dar nu vă lăsați păcăliți: când priviți Pământul din spațiu, acesta este și el albastru, dar atmosfera nu are nimic de-a face cu asta!

.