Himlens blå färg
Atmosfären består av en blandning molekyler och annat material. Mest är det kväve (78%) och syre (21%).
Argon och vatten i form av ånga och finfördelade vattendroppar är också viktiga beståndsdelar av atmosfären,
liksom dammpartiklar, pollen, havssalt och föroreningar av olika slag. Exakt hur atmosfären är uppbyggd beror
mycket på var någon stans på jorden man befinner sig, väderlek, vulkanutbrott, föroreningar förorsakade av
människan osv.
Atmosfären är tätast nära jordytan. Den tunnas sedan allt mer ut med stigande höjd. Det finns ingen skarp
gräns mellan den ”tomma” rymden och atmosfären.
Ljusvågor
Ljus är en form av energi som färdas i form av vågor, elektromagnetiska vibrationer. Det vi ser som ljus är bara
en mycket liten del av det elektromagnetiska spektrat.
Ljus färdas med en hastighet av 299,792 km/s
Energin i ljusstrålningen beror på dess våglängd (frekvens). Ju längre
våglängden är, desto mindre energi innehåller ljuset.
Rött har våglängden kring 720 nm och energin 1,77 eV ( = 2,84⋅10−19 J ).
Violett/blått ligger på c 380 nm och innehåller dubbelt så mycket energi (3,10 eV = 4,97 ⋅10−19 J)
De mest energirika färgerna finns längst in i regnbågen och den energisvaga röda färgen längst ut.
Ljus går rakt så länge inget hindrar det. Det gör det också i atmosfären tills det stöter på någon molekyl eller
smutspartikel. Vad som sedan händer beror på ljusstrålens våglängd och storleken på det den träffar.
Himlen blå
Dammpartiklar och vattendroppar är mycket större än våglängden för ljus. Därför reflekteras ljuset bort i olika
riktningar. Det är fortfarande vitt för alla färger kommer att
reflekteras på samma sätt. Gasmolekyler är mycket mindre än
våglängden för synligt ljus och när en ljusstråle träffar en
sådan molekyl, kan en del av ljuset absorberas excitera
atomerna, som sedan senare kan avge samma ljus i en annan
riktning. Ljus med olika våglängder (färg) påverkas olika.
Alla färger kan absorberas, men det högfrekventa, energirika
ljuset absorberas oftare än det lågfrekventa röda ljuset. Detta
fenomen förklarar himmelens blå färg: När t.ex. rött
långvågigt ljus passerar genom atmosfären, går det mesta rakt
igenom och struntar i de små molekylerna och går bara förbi.
Detsamma gäller orange, gult och grönt. Det blå kortvågiga
ljuset, däremot, krockar med gasmolekylerna, absorberas, och
strålas sedan ut i alla riktningar. Det blå ljuset finns överallt och himlen ser blå ut.
Finns det sedan tillräckligt många molekyler som kan sprida det blå ljuset, kommer det att tunnas ut och solen
ser röd-gul ut. Detta kallas Tyndalls- eller Rayleigheffekten: Om partiklarna är tillräckligt små, är intensiteten
hos det spridda ljuset omvänt proportionell mot fjärde potensen av ljusets våglängd. Om alla vågor spritts lika
mycket som blått, hade himlen varit vit. Om effekten inte fanns, skulle himlen vara svart.
Himlen inte violett
Utifrån resonemanget ovan borde himlen vara violett. Det är ju det
kortvågigaste ljuset. Det finns två orsaker till att så inte är fallet.
Ljusemissionen är inte konstant över alla våglängder i solens
ljusspektrum och mycket av det violetta ljuset absorberas i den
högre atmosfären. Det mänskliga ögat är också mindre känsligt
för färger i den här delen av spektrat.
Den andra orsaken finns att finna i det sätt vårt synorgan fungerar.
Vi har tre stycken olika färgreceptorer på näthinnan: Rött, grönt
och blått. Av diagrammet intill, ser vi att de blå tapparna är
känsligast. De reagerar även på andra färger än blått och ger oss
således en bild av att saker och ting är mer blå än vad de
egentligen är. Tar vi bort det violetta så skulle himlen bli något
mer grönaktig. För det mänskliga ögat finns det ungefär dubbelt så mycket blått ljus som lila.
Patrick Lönnberg
1
Horisonten blek
Hur kommer det sig då att horisonten ser ut att vara ljusare,
blekare, än himlen rakt ovanför en? Förklaringen är att ljuset
här måste passerar genom en större luftmassa och en del av det
blå ljuset absorberas på nytt och sprids i andra riktningar.
Mindre blått ljus når ögat.
Vid ekvatorn går ljuset betydligt kortare väg genom atmosfären
och därför är himlen ljusare blå där. Detta är också orsaken till
att vår himmel är mörkast blå vid den horisont där ljuset färdats
längsta vägen genom atmosfären och blek där ljuset färdats den
kortaste vägen.
Solen gul
Solen färg är gul. Borden den inte vara vit? Nej, gult är
komplementfärgen till blått. De kortare ljusvågorna (blått och
violett) filtreras bort genom spridningen. Summan av de färger som sedan återstår uppfattas som gult.
På månen finns ingen atmosfär och där är solen vit och himlen svart.
Solen röd
När solen står lågt, måste ljuset färdas genom en större mängd luftmassa och då sprids allt mer av det kortvågiga
ljuset. Förutom violett och blått minskar även det gröna ljuset. Det betyder att nästan enbart det långvågiga ljuset
når ögat (mot det orange-röda hållet).
Himlen röd
Ibland händer det att himlen är röd. Det beror på att ljuset
träffar större partiklar i atmosfären (damm,
luftföroreningspartiklar) och reflekterar ljus i alla riktningar.
Skogsbränder kan t.ex. producera stora mängder stoff med
storleken 500-800 nm, vilket är rätt storlek för att sprida det
röda ljuset. Himlen nära solen är röd, rosa, eller orange.
Vackert, men beror alltså på stora partiklar i luften.
Molnen vita
Molnen består av partiklar större än ljusets våglängd och
därför sprids alla ljusvågor lika mycket.
Blå berg
Vissa bergsområden är berömda för att vara inbäddade i ett blått töcken. Aerosoler av terpener från vegetationen
reagerar med ozon och bildar små partiklar av storleksordningen 200 nm i genomskärning, alltså mindre än
våglängden hos blått ljus som då sprids.
Blå ögon, blått hav
Blå ögon är resultatet av Tyndalleffekten. Färgen beror på de ljusspridande partiklarnas storlek. Blått glas
åstadkoms också med tillförsel av partiklar med rätt storlek. Blått hav, däremot, är bara en spegling av himmelen
och det blå ljuset 20 meter under vattenytan beror på att de längre ljusvågorna absorberats. En del fåglar får sin
blå färg genom diffraktion (en optisk effekt).
Mars röd?
Den röda färgen som kan iakttas hos planeten mars beror på det järnhaltiga stoffet stormarna där river upp.
Under lugnare perioder bör himlen även där vara blå.
To demonstrate the cause of blue requires only a clear glass container, water, some milk and a flashlight. First, put water in
the medium sized glass (it must be clear) and shine the flashlight through the glass. The beam of light from the flashlight will
be difficult to see in the water. Milk contains tiny molecules of protein and fat which scatter blue light, but we must dilute the
milk to see the effect. So put a few drops of milk in a medium sized glass of water. Add 60 milliliters of milk to 10 liters of
water. Now shine the light on the side of the glass. Note the light beam is now visible as it passes through the water/milk
mixture, due to scattering. Add more drops of milk ( add about 90 milliliters, 30 at a time) until the mixture takes on a
distinct blue color. At sunset, or sunrise, the sun appears orange and red. The reason for this is that all the blue light is
scattered in all directions, and if there are enough molecules to scatter, all the blue light will eventually be scattered out of
the sunlight. Thus, if the water/milk mixture is blue, the flashlight beam as it leaves the glass container should take on an
orange/red color. Put a piece of paper at the end of the glass container and voila! - the flashlight beam is orange!
Patrick Lönnberg
2
