Kombinationen av en blå himmel, mörk över himlen och ljusare nära horisonten, tillsammans med en rödfärgad sol vid… antingen soluppgång eller solnedgång, kan förklaras vetenskapligt. Här är hur.
Robert Villalta / Pexels
En av de första frågorna som ett nyfiket barn ofta ställer om naturen är ”varför är himlen blå?”. Men trots att denna fråga är så utbredd finns det många missuppfattningar och felaktiga svar – för att den reflekterar havet, för att syre är en blåfärgad gas, för att solljuset har en blå nyans – medan det rätta svaret ofta är helt bortglömt. I själva verket beror anledningen till att himlen är blå på tre enkla faktorer tillsammans: att solljuset består av ljus med många olika våglängder, att jordens atmosfär består av molekyler som sprider ljuset med olika våglängder i olika stor utsträckning och att våra ögon är känsliga. Om man slår ihop dessa tre saker är en blå himmel oundviklig. Här är hur allt hänger ihop.
Solen avger ljus med många olika våglängder, varav inte alla är synliga. Atmosfären… påverkar varje unik våglängd på olika sätt, vilket resulterar i hela uppsättningen av optiska fenomen som vi kan observera.
Negative Space / Pexels
Solens ljus består av alla ljusets olika färger… och lite till! Fotosfären i vår sol är så varm, vid nästan 6 000 K, att den avger ett brett spektrum av ljus, från ultraviolett vid de högsta energierna och in i det synliga, från violett hela vägen till rött och sedan djupt in i den infraröda delen av spektrumet. Ljuset med den högsta energin är också det ljus som har den kortaste våglängden (och den högsta frekvensen), medan ljuset med lägre energi har längre våglängder (och lägre frekvenser) än de hög energiska motsvarigheterna. När du ser ett prisma dela upp solljuset i dess enskilda beståndsdelar beror anledningen till att ljuset överhuvudtaget delas upp på att det rödare ljuset har en längre våglängd än det blåare ljuset.
Skematisk animation av en kontinuerlig ljusstråle som sprids av ett prisma. Om du hade ultravioletta… och infraröda ögon skulle du kunna se att ultraviolett ljus böjs ännu mer än det violetta/blå ljuset, medan det infraröda ljuset förblir mindre böjt än vad det röda ljuset gör.
LucasVB / Wikimedia Commons
Det faktum att ljus med olika våglängder reagerar olika på interaktioner med materia visar sig vara extremt viktigt och användbart i vårt dagliga liv. De stora hålen i din mikrovågsugn släpper in och ut synligt ljus med kort våglängd, men håller kvar mikrovågsljus med längre våglängd och reflekterar det. De tunna beläggningarna på dina solglasögon reflekterar ultraviolett, violett och blått ljus, men släpper igenom grönt, gult, orange och rött ljus med längre våglängder. Och de små, osynliga partiklar som utgör vår atmosfär – molekyler som kväve, syre, vatten, koldioxid samt argonatomer – sprider alla ljus av alla våglängder, men sprider det kortare ljuset mycket effektivare.
När solen står högt ovanför är himlen mot zenit en mycket mörkare blå färg, medan himlen… mot horisonten är en ljusare, ljusare cyanfärg. Detta beror på den större mängden atmosfär, och den större mängden spritt ljus, som är synlig vid låga vinklar på himlen.
Karsten Kettermann /
Då dessa molekyler alla är mycket mindre än själva ljusets våglängd, desto kortare ljusets våglängd är, desto bättre sprids det. I själva verket lyder det kvantitativt sett en lag som kallas Rayleighspridning, som lär oss att det violetta ljuset vid den korta våglängdsgränsen för människans syn sprids mer än nio gånger oftare än det röda ljuset vid den långa våglängdsgränsen. (Spridningsintensiteten är omvänt proportionell mot våglängden till den fjärde potensen: I ∝ λ-4.) Även om solljuset faller överallt på dagssidan av jordens atmosfär har de rödare våglängderna av ljuset bara 11 % så stor sannolikhet att spridas, och därmed nå fram till dina ögon, som det violetta ljuset har.
Vissa opalescerande material, som det som visas här, har liknande Rayleigh-spridningsegenskaper som… atmosfären. Med vitt ljus som belyser den här stenen från övre höger sprider stenen i sig blått ljus, men låter det orange/röda ljuset företrädesvis passera igenom obehindrat.
optick / flickr
När solen står högt upp på himlen är det här anledningen till att hela himlen är blå. Den verkar ljusare blå ju längre bort från solen man tittar, eftersom det finns mer atmosfär att se (och därmed mer blått ljus) i dessa riktningar. I alla riktningar du tittar kan du se det spridda ljuset som kommer från solljuset som träffar hela atmosfären mellan dina ögon och där yttre rymden börjar. Detta har några intressanta konsekvenser för himlens färg, beroende på var solen befinner sig och var du tittar.
Från mycket höga höjder i himlen före soluppgången eller efter solnedgången kan man se ett spektrum av färger,…. som orsakas av att solljuset sprids flera gånger av atmosfären.
Public domain
Om solen befinner sig under horisonten måste allt ljuset färdas genom stora mängder atmosfär. Det blåare ljuset sprids bort, i alla riktningar, medan det rödare ljuset har mycket mindre sannolikhet att spridas, vilket innebär att det kommer fram till dina ögon. Om du någonsin befinner dig i ett flygplan efter solnedgången eller före soluppgången kan du få en spektakulär bild av denna effekt.
Atmosfären på jorden, sedd under solnedgången i maj 2010 från den internationella rymdstationen.
NASA / ISS
Det är en ännu bättre vy från rymden, från beskrivningarna och även bilderna som astronauterna har returnerat.
Med en stor mängd atmosfär att passera igenom blir ljuset från solen (eller månen) enormt rött… när det är nära horisonten. Längre bort från solen blir himlen gradvis blåare.
Max Pixel / FreeGreatPicture.com
Under soluppgång/solnedgång eller månuppgång/månedssolnedgång måste ljuset som kommer från solen (eller månen) självt passera genom enorma mängder atmosfär; ju närmare horisonten det är, desto mer atmosfär måste ljuset passera genom. Medan det blå ljuset sprids i alla riktningar, sprids det röda ljuset mycket mindre effektivt. Detta innebär att både ljuset från själva solens (eller månens) skiva får en rödaktig färg, men även ljuset från solens och månens närhet – det ljus som träffar atmosfären och sprids bara en gång innan det når våra ögon – blir företrädesvis rödaktigt vid denna tidpunkt.
Den totala solförmörkelsen, som ses i Madras, Oregon på denna bild, resulterade inte bara i en spektakulär…. vy av solen, utan även av horisonten som omger alla i totalitetens bana.
Rob Kerr/AFP/Getty Images
Och under en total solförmörkelse, när månens skugga faller över dig och hindrar direkt solljus från att träffa stora delar av atmosfären i närheten av dig, blir horisonten röd, men ingen annanstans. Det ljus som träffar atmosfären utanför den totala solnedgången sprids i alla riktningar, vilket är anledningen till att himlen fortfarande är synligt blå på de flesta ställen. Men nära horisonten är det mycket troligt att det ljus som sprids i alla riktningar sprids igen innan det når dina ögon. Det röda ljuset är den mest sannolika våglängden av ljus som kommer igenom, och överträffar så småningom det mer effektivt spridda blå ljuset.
Rayleighspridning påverkar blått ljus hårdare än rött, men av de synliga våglängderna … är det violett ljus som sprids mest. Det är bara på grund av våra ögons känslighet som himlen framstår som blå och inte violett.
Dragons flight / KES47 of Wikimedia Commons
Så med allt detta sagt har du antagligen en fråga till: om ljuset med kortare våglängder sprids effektivare, varför framstår himlen inte som violett? Det finns faktiskt en större mängd violett ljus som kommer från atmosfären än blått ljus, men det finns också en blandning av de andra färgerna. Eftersom dina ögon har tre typer av kottar (för att upptäcka färg) i sig, tillsammans med de monokromatiska stavarna, är det signalerna från alla fyra som måste tolkas av hjärnan när det gäller att tilldela en färg.
Det mänskliga ögats ljusrespons, normaliserad, i termer av de tre typerna av kottar och (streckad…. linje) de monokromatiska stavarna.
George Wald / Hektoen International Journal
Varje typ av kottar, plus stavarna, är känsliga för ljus av olika våglängder, men alla stimuleras i någon grad av himlen. Våra ögon reagerar starkare på blå, cyan och gröna våglängder av ljus än på violett. Även om det finns mer violett ljus är det inte tillräckligt för att övervinna den starka blå signalen som våra hjärnor levererar.
Den gravitationella dragningskraften på gaserna i vår atmosfär orsakar ett betydande yttryck, vilket ger… upphov till flytande oceaner. Image credit: .
NASA Goddard Space Flight Center Bild av Reto Stöckli, Terra Satellite / MODIS instrument
Det är kombinationen av tre saker tillsammans:
- det faktum att solljuset består av ljus med många olika våglängder,
- att atmosfärens partiklar är mycket små och sprider ljuset med kortare våglängder mycket effektivare än ljuset med längre våglängder,
- och att våra ögon reagerar på olika färger på det sätt som de gör,
som gör att himlen framstår som blå för människor. Om vi kunde se i det ultravioletta mycket effektivt skulle himlen troligen framstå som mer violett och ultraviolett; om vi bara hade två typer av kottar (som hundar) skulle vi kunna se den blå himlen under dagen, men inte de röda, orange och gula färgerna i solnedgången. Men låt dig inte luras: när du tittar på jorden från rymden är den också blå, men atmosfären har inget med det att göra!