De ce este cerul albastru?

Un copil se uită în sus spre cer,

Şi zise, "E atât de albastru mamă, dar de ce?"

Ei bine, albastrul se împrăştie mai tare,

(Există această putere a lui 4),

Aşa că rareori vine direct spre ochii tăi.

- Autor necunoscut

Cea mai mare parte a ceea ce există între noi şi spaţiu este aerul, care este alcătuit din molecule foarte mici. Există, de asemenea, cantităţi variabile de alte lucruri - aerosoli, praf, ceaţă, nori, fum şi aşa mai departe.

Lumina de la soare trebuie să treacă prin aceste "chestii" pentru a ajunge la suprafaţă pământului. Dar o parte din lumină nu reuşeşte să facă asta, sau dacă totuşi ajunge la suprafaţă, ajunge acolo în mod indirect.

De ce? Deoarece lumina - sau, mai precis, o parte din lumină - este împrăştiată printre "chestiile" din atmosferă.

Lumina vizibilă este o undă electromagnetică cu o gamă destul de îngustă de lungimi de undă (aproximativ 390-700 nanometri, unde 1 nanometru este o miliardime dintr-un metru) din spectrul complet. Acest spectru electromagnetic se întinde de la lungimile de undă foarte lungi ale undelor radio la lungimile de undă foarte scurte ale razelor gamma.

În porţiunea vizibilă a spectrului, lumina roşie are o lungime de undă mai mare decât cea albastră - 650 nm comparativ cu 450 nm.

Când lumina este împrăştiată în atmosferă, cantitatea dispersiei şi unghiul prin care aceasta este disipată depinde de lungimea de undă şi de dimensiunea difuzorului.

Dacă dimensiunea difuzorului este semnificativă în comparaţie cu lungimea de undă a luminii împrăştiate, forma difuzorului devine importantă.

Moleculele sunt cei mai mici difuzori, fiind de circa 1.000 de ori mai mici decât lungimea de undă a luminii vizibile. Pentru aceste molecule - cum ar fi azotul în stare gazoasă care reprezintă 78 la sută din atmosferă - dependenţa dispersiei de lungimea de undă corespunde cu inversul puterii a patra a lungimii de undă.

Asta înseamnă că, dacă vom compara albastru cu roşu, vom lua raportul lungimii de undă (650/450) şi îl vom ridica la puterea a patra pentru a calcula cu cât este mai probabil (cu 4,3 ori, după cum se află din calcul) ca albastrul să se împrăştie mai uşor decât roşu.

Dacă nu privim în direcţia soarelui, lumina albastră care se deplasează de la soare prin atmosfera pământului (dar nu direct spre noi) este dispersată de moleculele din faţa ochiului nostru.

Astfel, cerul pare albastru deoarece moleculele dispersează mai uşor lumină albastră decât cea roşie.

Există atât de multă lumină albastră din orice direcţie privim, aşa că ea domină complet lumina care vine de la stele, dar care totuşi încă există.

Dacă ne apropiem suficient de spaţiu, cerul devine negru. Acest lucru se întâmplă din cauză că nu există nimic semnificativ acolo sus care să împrăştie lumina soarelui din ochii noştri.

În schimb, dacă privim printr-o atmosferă curată (adică fără praf sau fum) spre soare, o cantitate semnificativă de lumină albastră este disipată din calea direcţiei în care privim, aspect ce tinde să dea o tentă gălbuie soarelui.

Acest tip de împrăştiere - atunci când difuzorul este considerabil mai mic decât lungimea de undă a luminii - este de obicei numită "dispersia Rayleigh", după fizicianul britanic din secolul al XIX-lea Lord Rayleigh.

La apus, calea pe care lumina soarelui o ia prin atmosferă spre noi este deosebit de lungă. În acest caz, foarte multă lumină albastră se pierde (adică este disipată la distanţă) aşa că soarele pare portocaliu sau chiar roşu.

Picăturile de apă şi cristalele de gheaţă care alcătuiesc norii sunt destul de mari în comparaţie cu lungimea de undă a luminii vizibile (de cel puţin 20 de ori mai mari). În acest caz, difuzia luminii este puternică şi aproape independentă de lungimea de undă, sau cel puţin deasupra spectrului vizibil.

Deoarece aproape toate lungimile de undă ale luminii vizibile sunt dispersate, norii par albi sau cu diferite nuanţe de gri, dacă aceştia sunt în umbra altor nori.

Fotografia cu un apus de soare prezintă efectul înroşit al dispersiei cauzat de moleculele din aer. Noi nu putem vedea din această fotografie că soarele însuşi este înroşit, deoarece este supraexpus. Cu toate acestea, lumina soarelui dispersată de nori prezintă această înroşire. Particulele norilor depind foarte puţin de această lungime de undă dispersată (pentru lumina vizibilă). Astfel, culoarea lor în imagine ne arată culoarea luminii soarelui care îi loveşte.

Dacă luăm în considerare dependenţa lungimii de undă dispersată pentru particulele de dimensiuni medii, vom descoperi că pentru un interval cu lungimi de undă înguste dependenţa se inversează pentru un scurt moment. Asta înseamnă că, în acest interval - care poate fi la fel de mare ca spectrul vizibil - dispersia este mai puternică pentru lungimile de undă mai lungi, spre deosebire de cele mai slabe.

Este posibil ca dimensiunea particulelor să fie tocmai potrivită pentru că acest lucru să se întâmple în spectrul vizibil. În acest caz, lumina roşie a soarelui, care trece prin aerul cu aceste particule suspendate, este împrăştiată la distanţă şi oferă soarelui (sau lunii) o tentă albăstruie.

Acest lucru este rar, dar s-a întâmplat când vulcani sau incendii forestiere au încărcat atmosfera cu particule de mărimea potrivită.

Spre deosebire de Pământ, atmosfera marţiană este destul de plină de praf, iar cerul tinde să fie portocaliu, apusurile de soare fiind uneori albastre. Acest lucru se datorează faptului că particulele de praf sunt mult mai mari decât moleculele de dioxid de carbon care alcătuiesc atmosfera.

Faptul că atmosfera este foarte subţire pe Marte înseamnă că disiparea cauzată de praf este relativ mai importantă decât ar fi pe Pământ.

Deci, data viitoare când veţi sta tolăniţi în iarbă cu privirea la norii albi care plutesc peste un cer de un albastru uimitor, gândiţi-vă un moment şi la fizica responsabilă pentru ceea ce vedeţi.

Acest articol a fost publicat iniţial de The Conversation.