Dus waarom is de lucht blauw?

Waarom is de lucht blauw? Het is moeilijk om op zo’n simpele vraag een antwoord te vinden. Veel wetenschappers pijnigden hun hersenen op zoek naar een antwoord. De beste oplossing voor het probleem werd ongeveer 100 jaar geleden voorgesteld door een Engelse natuurkundige Heer John Rayleigh.

De zon straalt verblindend puur wit licht uit. Dit betekent dat de kleur van de lucht hetzelfde moet zijn, maar dat deze nog steeds blauw is. Wat gebeurt er met wit licht in de atmosfeer van de aarde?

Wit licht is een mengsel van gekleurde stralen. Met behulp van een prisma kunnen we een regenboog maken.

Het prisma splitst de witte straal in gekleurde strepen:

■Rood

■Oranje

■ Geel

■ Groen

■ Blauw

■ Blauw

■ Paars

Samen vormen deze stralen opnieuw wit licht. Aangenomen kan worden dat zonlicht eerst wordt gesplitst in gekleurde componenten. Dan gebeurt er iets en alleen blauwe stralen bereiken het aardoppervlak.

Dus waarom is de lucht blauw?

Er zijn verschillende mogelijke verklaringen. De lucht rondom de aarde is een mengsel van gassen: stikstof, zuurstof, argon en andere. Er zijn ook waterdamp en ijskristallen in de atmosfeer. Stof en andere kleine deeltjes zweven in de lucht. In de bovenste lagen van de atmosfeer bevindt zich een laag ozon. Zou dit de reden kunnen zijn? Sommige wetenschappers geloofden dat ozon- en watermoleculen rode stralen absorberen en blauwe stralen uitzenden. Maar het bleek dat er simpelweg niet genoeg ozon en water in de atmosfeer zat om de lucht blauw te kleuren.

In 1869, een Engelsman John Tindal suggereerde dat stof en andere deeltjes licht verstrooien. Blauw licht wordt het minst verstrooid en dringt door lagen van dergelijke deeltjes heen om het aardoppervlak te bereiken. In zijn laboratorium creëerde hij een model van smog en verlichtte dit met een helderwitte straal. De smog werd diepblauw. Tindall besloot dat als de lucht absoluut helder was, niets het licht zou verstrooien en we de helderwitte lucht konden bewonderen. Heer Rayleigh steunde dit idee ook, maar niet voor lang. In 1899 publiceerde hij zijn uitleg:

Het is lucht, en geen stof of rook, die de lucht blauw kleurt.

De belangrijkste theorie over de blauwe kleur van de lucht

Een deel van de zonnestralen passeert gasmoleculen zonder ermee in botsing te komen en bereikt onveranderd het aardoppervlak. Het andere, grotere deel wordt geabsorbeerd door gasmoleculen. Wanneer fotonen worden geabsorbeerd, raken moleculen opgewonden, dat wil zeggen dat ze worden geladen met energie en deze vervolgens uitstralen in de vorm van fotonen. Deze secundaire fotonen hebben verschillende golflengten en kunnen elke kleur hebben, van rood tot violet. Ze verspreiden zich in alle richtingen: naar de aarde, en naar de zon, en naar de zijkanten. Lord Rayleigh suggereerde dat de kleur van de uitgezonden straal afhangt van de overheersing van kwanta van de ene of andere kleur in de straal. Wanneer een gasmolecuul botst met fotonen van zonnestraling, zijn er acht blauwe quanta per secundair rood kwantum.

Wat is het resultaat? Intens blauw licht stroomt letterlijk vanuit alle richtingen op ons neer vanuit miljarden gasmoleculen in de atmosfeer. In dit licht zijn fotonen van andere kleuren gemengd, dus het is niet puur blauw.

Waarom is de zonsondergang dan rood?

De lucht is echter niet altijd blauw. De vraag rijst natuurlijk: als we de hele dag een blauwe lucht zien, waarom is de zonsondergang dan rood? Rode kleur wordt het minst verspreid door gasmoleculen. Tijdens zonsondergang nadert de zon de horizon en wordt de zonnestraal niet verticaal naar het aardoppervlak gericht, zoals overdag, maar onder een hoek.

Daarom is de weg die hij door de atmosfeer aflegt veel langer dan wat hij overdag aflegt als de zon hoog staat. Hierdoor wordt het blauw-blauwe spectrum geabsorbeerd in een dikke laag van de atmosfeer en bereikt het de aarde niet. En langere lichtgolven van het rood-gele spectrum bereiken het aardoppervlak en kleuren de lucht en de wolken in de rode en gele kleuren die kenmerkend zijn voor zonsondergang.

Wetenschappelijke verklaring

Hierboven gaven we het antwoord in relatief eenvoudige taal. Hieronder zullen we de grondgedachte citeren met behulp van wetenschappelijke termen en formules.

Uittreksel uit Wiki:

De reden dat de lucht blauw lijkt, is omdat de lucht licht met een korte golflengte meer verstrooit dan licht met een lange golflengte. De intensiteit van Rayleigh-verstrooiing, veroorzaakt door fluctuaties in het aantal moleculen luchtgassen in volumes die evenredig zijn met de golflengten van licht, is evenredig met 1/λ 4, λ is de golflengte, d.w.z. het violette deel van het zichtbare spectrum is ongeveer verstrooid 16 keer intenser dan het rood. Omdat blauw licht een kortere golflengte heeft, wordt het aan het einde van het zichtbare spectrum meer in de atmosfeer verstrooid dan rood licht. Hierdoor heeft het gebied van de hemel buiten de richting van de zon een blauwe kleur (maar niet violet, omdat het zonnespectrum ongelijk is en de intensiteit van de violette kleur daarin minder is, en ook vanwege de lagere gevoeligheid van het oog voor violette kleur en een grotere gevoeligheid voor blauw, wat niet alleen mensen irriteert die gevoelig zijn voor blauwe kleurkegeltjes in het netvlies, maar ook gevoelig voor rode en groene stralen).

Tijdens zonsondergang en zonsopgang reist het licht tangentieel naar het aardoppervlak, waardoor de weg die het licht in de atmosfeer aflegt veel langer wordt dan overdag. Hierdoor wordt het meeste blauwe en zelfs groene licht verstrooid door direct zonlicht, zodat het directe licht van de zon, evenals de wolken die het verlicht en de lucht nabij de horizon, rood gekleurd zijn.

Waarschijnlijk kan met een andere samenstelling van de atmosfeer, bijvoorbeeld op andere planeten, de kleur van de lucht, ook bij zonsondergang, anders zijn. De kleur van de lucht op Mars is bijvoorbeeld roodachtig roze.

Verstrooiing en absorptie zijn de belangrijkste redenen voor de verzwakking van de lichtintensiteit in de atmosfeer. De verstrooiing varieert als functie van de verhouding van de diameter van het verstrooiende deeltje tot de golflengte van het licht. Wanneer deze verhouding kleiner is dan 1/10 vindt Rayleigh-verstrooiing plaats, waarbij de verstrooiingscoëfficiënt evenredig is met 1/λ4. Bij grotere waarden van de verhouding van de grootte van de verstrooiende deeltjes tot de golflengte verandert de verstrooiingswet volgens de Gustave Mie-vergelijking; wanneer deze verhouding groter is dan 10, worden de wetten van de geometrische optica met voldoende nauwkeurigheid toegepast voor de praktijk.