Dlaczego niebo jest niebieskie (a zachód czerwony)

To pytanie zadaje każde dziecko i mało który dorosły zna odpowiedź: skoro powietrze jest przezroczyste, skąd nad nami tyle błękitu? Odpowiedź nie siedzi w powietrzu „pomalowanym" na niebiesko, tylko w tym, co pojedyncze cząsteczki robią ze światłem, które w nie trafia. Figura poniżej ma dwa widoki: najpierw przyjrzyj się jednej cząsteczce, a potem opuść słońce ku horyzontowi i patrz, jak ta sama fizyka zmienia błękit południa w czerwień zachodu.

Cząsteczka jak mikroskopijna antena

Cząsteczka azotu czy tlenu jest kilkaset razy mniejsza od fali światła widzialnego. Gdy fala ją mija, jej pole elektryczne rozbuja elektrony cząsteczki — a rozbujany ładunek sam staje się nadajnikiem i wysyła falę we wszystkie strony. To jest właśnie rozpraszanie Rayleigha. Kluczowe jest to, jak mocno: krótkie fale bujają elektronami szybciej, a wypromieniowana moc rośnie z częstością w czwartej potędze. W widoku CZĄSTECZKA przesuń suwak długości fali i porównaj pierścienie: fiolet i błękit rozpraszają się kilkukrotnie mocniej niż czerwień.

Błękit zewsząd, słońce z jednej strony

Spójrz w dowolny punkt nieba z dala od słońca. Światło, które stamtąd przychodzi, to promienie słoneczne, które po drodze zderzyły się z cząsteczkami powietrza i zostały strącone z kursu — prosto do Twojego oka. A że strącane są głównie fale krótkie, cały sufit świata świeci na niebiesko. Samo słońce widzisz za to w świetle, które przeleciało bez rozproszenia: dlatego w południe tarcza jest tylko odrobinę cieplejsza niż „prawdziwa" biel. Kosmonauci, którym atmosfery brakuje, widzą czarne niebo w samo południe.

Zachód: ta sama fizyka, dłuższa droga

Wieczorem nie zmienia się ani słońce, ani powietrze — zmienia się geometria. Gdy słońce stoi nisko, jego promienie wchodzą do atmosfery po skosie i muszą przebić kilkadziesiąt razy więcej powietrza niż w południe. Na tak długiej trasie rozpraszanie zdąży wymieść z wiązki niemal cały błękit i zieleń — do Twojego oka dolatuje to, co rozprasza się najsłabiej: pomarańcz i czerwień. W widoku NIEBO opuszczaj słońce i patrz na odczyt masy powietrza: przy horyzoncie światło przebija około 38 „atmosfer", a z błękitu zostaje ledwie ślad.

Błękit nieba i czerwień zachodu to jedno zjawisko oglądane z dwóch stron.

Ten sam rachunek wyjaśnia, czemu chmury są białe: kropelki wody w chmurze są dużo większe od fali światła, więc rozpraszają wszystkie barwy niemal jednakowo (to już rozpraszanie Mie, nie Rayleigha) — a wymieszane barwy dają biel. I czemu dym z papierosa bywa niebieskawy, dopóki jego drobiny są malutkie, a bieleje, gdy zlepią się w większe. Rozmiar przeszkody kontra długość fali — to całe kryterium.

To uproszczenieLiczymy pojedyncze rozpraszanie Rayleigha na czystym powietrzu: pomijamy aerozole i pyły (rozpraszanie Mie, które wzmacnia i wybiela zorze zachodu), pochłanianie przez ozon (pomaga niebu po zmierzchu) oraz wielokrotne rozpraszanie. Masę powietrza liczymy wzorem Kastena–Younga, a kolory mieszamy z sześciu pasm widma ważonych z grubsza czułością oka. Sedno — czwarta potęga i długość drogi — zostaje nietknięte.