Barve neba in sonca

Da je nebo ponoči temno in čez dan modro se nam zdi tako samoumevno, da o tem niti ne razmišljamo. Včasih nas gane čudovit sončni zahod in se morda le vprašamo: Zakaj pa včeraj ni bilo take zarje? Spomnimo se fotografij z Lune, ki so delovale tako črno-belo, kot da astronavti ne bi premogli barvnega filtra. Nebo na Luni je vedno črno, ker Luna nima atmosfere. Barve neba in Sonca so posledica prehoda Sončeve svetlobe skozi ozračje Zemlje. Opisali bomo nekaj barvnih pojavov na nebu, ki so posledica predvsem sipanja svetlobe na delcih v ozračju.

O sipanju svetlobe

Sipanje svetlobe je – grobo povedano – pojav, pri katerem se svetloba, ki vpada na snov, razsuje na vse strani. Pojav zlahka opazimo v kaki temačni in zakajeni kavarni, ko žarek svetlobe obsije dimne in prašne delce, ki lebdijo v zraku. Delci se nekako svetlikajo, cigaretni dim celo z rahlim modrikastim odtenkom. Delci v ozračju so raznovrstnejši od tistih v kavarni, sipanje na njih pa še bolj izrazito in zanimivo.

Špik v zlati jutranji svetlobi. Zakaj oblaki nad Špikom niso obarvani? (foto IM)

Sipanje svetlobe je posledica interakcije med svetlobo in snovjo oziroma med vpadajočimi fotoni in atomi oziroma elektroni. Stroga obravnava pojava je kar zahtevna, saj imamo na eni strani elektrone v atomu, ki jih opisujemo z zakoni kvantne mehanike, medtem ko nam za opis svetlobe povsem ustreza klasičen zapis elektromagnetnega valovanja. (Na podobne težave naletimo tudi pri razlagi absorpcije in disperzije svetlobe v snovi.) Izkaže pa se, da lahko razmere v atomu, na katerega učinkuje svetloba s frekvencami v bližini vidnega dela spektra, poenostavimo in elektrone, vsaj tiste zunanje, šibko vezane, obravnavamo s prijemi klasične (Newtonove) mehanike. Lahko si predstavljamo, da so elektroni v atomu elastično vpeti. Če elektrone izmaknemo iz ravnovesne lege, začnejo nihati. Pri nihanju izgubljajo energijo s sevanjem. K nihanju prisili elektrone svetloba (kot elektromagnetno valovanje) s silo:

F = -e(E + v x B)

Nihajoči elektroni učinkujejo kot dipolne antene in oddajajo elektromagnetne valove v vse smeri s frekvenco vpadle svetlobe (ni = 10¹⁵ Hz). Teorijo sipanja svetlobe je postavil na noge Lord Rayleigh (1889), po katerem pojav tudi imenujemo – Rayleighovo sipanje. Sevanja množice majhnih antenic se v optično homogenem sredstvu zaradi interference koherentnih valovanj izničijo v vseh smereh, razen v smeri prodiranja vpadle svetlobe. Sipanje svetlobe pride tako do izraza le v optično nehomogenih sredstvih. Na optične nehomogenosti naletimo v motnih sredstvih – na primer v dimu, kjer v zraku visijo drobceni delci, v megli, v kateri naletimo na zelo majhne kapljice vode, v mleku, v katerem so razpršene v vodi netopne kapljice maščobe, v opalu, v mlečnih steklih… Zapišimo Rayleighovo enačbo sipanja, ki podaja kotno porazdelitev gostote energijskega toka svetlobe, razpršene na enoti volumna sredstva:

kjer je j₀ gostota energijskega toka vpadle svetlobe, V je volumen enega delca, r je razdalja od enote sipalnega volumna sredstva do točke opazovanja, N₀ je število delcev na enoto volumna sredstva, a je nek koeficient nehomogenosti, lambda je valovna dolžina svetlobe. V zapisani enačbi takoj opazimo, da je pri enakih ostalih pogojih gostota energijskega toka sipane svetlobe sorazmerna z obratno vrednostjo četrte potence valovne dolžine. To pomeni, da se kratkovalovna svetloba (vijolična, modra) siplje neprimerno bolj kot dolgovalovna (oranžna, rdeča). Vijolična svetloba (lambda = 0,4 mikrometra) se tako siplje skoraj desetkrat bolj kot rdeča svetloba (l = 0,7 mikrometra).

Rayleighova enačba zadovoljivo opisuje sipanje le, če delci nehomogenosti niso večji od okoli 0,1valovne dolžine. Pri večjih delcih je odvisnost sipanja od valovne dolžine manj izrazita, pa tudi svetloba se siplje bolj “naprej”, v smeri vpadanja. Popravke je prispeval Mie (1908). Miejevo sipanje je podano z zvezo:

j = sorazmerno lambda ^-m (m

Za delce z velikostjo okoli enega mikrometra znaša m = 1,3, za delce, večje kot kakih 20 valovnih dolžin svetlobe, znaša m = 0. Na kapljicah megle ali oblakov (velikosti od 10 mikrometra do 100 mikrometra) se torej vse barve sipljejo enako. Sipanje svetlobe opazimo tudi v nekaterih optično homogenih sredstvih, naprimer v čistih tekočinah. Zaradi termičnega gibanja se molekule, na primer v zraku, združujejo v skupke, ki so veliki kot poprečna razdalja med molekulama, kar pa je še vedno 100-krat manj od valovne dolžine svetlobe. Taki kratkotrajni naključni skupki so torej nehomogenosti v zraku, ki omogočajo sipanje svetlobe. Pojav je znan kot molekularno sipanje svetlobe, raziskala pa sta ga v letih 1908 do 1910 Einstein in Smoluchowski. Zapišimo enačbo sipanja:

Novi količini sta: n – lomni količnik zraka in N₀ – število molekul zraka na enoto volumna. V knjigah običajno molekularnega sipanja ne poudarjajo. Zajamejo ga skupaj z Rayleighovim sipanjem na delcih, saj je rezultat sipanja pri obeh podoben:

Ocenjujejo pa, da k modrini neba prispevajo večji delež sipane modre svetlobe molekule zraka kot pa drobceni delci v ozračju. Omenimo še, da je pri Rayleighovem in molekularnem sipanju sipana svetloba v smeri pravokotno na vpadajoče žarke povsem polarizirana (Sončeva svetloba je nepolarizirana), pri Miejevem sipanju na večjih delcih pa le delno ali nič. Pojav izkoristijo fotografi, ki z vrtenjem polarizacijskega filtra dosežejo večjo nasičenost modrine neba ali povečajo kontrast med modrim nebom in belimi oblaki. Os objektiva usmerijo pravokotno na smer Sončevih žarkov.

O delcih v atmosferi

V atmosferi, katere glavne sestavine poznamo iz šole, se nahajajo še primesi. Plinaste primesi za sipanje svetlobe niso tako pomembne kot trdne in kapljevinaste primesi, ki jim pravimo aerosol. Med aerosol uvrščamo že ione, ki se obdajo z nekaj molekulami, pa vse do “orjaških” prašnih delcev z velikostjo tja do sto mikrometrov. Aerosol nastaja naravno (delci vulkanske aktivnosti, delovanja vetra, kristalčki morske soli – ko pokajo mehurčki, cvetni prah, bakterije…) ali zaradi človekove aktivnosti (procesi izgorevanja v industriji, prometu…). Znaten delež aerosola nastane s pretvorbo plinov (predvsem SO₂ in H₂S) v prav drobcene skupke, pomembne za nastanek padavin. Koncentracija delcev znaša običajno nekaj sto na kubični centimeter, v industrijskih področjih celo milijon delcev na kubični centimeter. Večji delci v nekaj dneh popadajo na tla zaradi teže ali jih iz ozračja spere dež. Manjši delci, veliki 0,7 mikrometra in manj, so podvrženi trkom molekul zraka in v atmosferi vztrajajo dalj časa – tisti v spodnji stratosferi celo nekaj let. Ocena za nastanek aerosola, manjšega od 0,5 mikrometra, je okoli 10¹² kilogramov na leto.

Barve neba

Sončeva svetloba se na poti skozi atmosfero siplje na molekulah plinov in na majhnih delcih trdne ali tekoče narave. Prevladuje Rayleighovo sipanje, ki je mnogo bolj izrazito za kratkovalovni del vidnega spektra. Modrina neba sicer vsebuje vse barve spektra, vendar je delež predvsem vijolične in modre svetlobe prevladujoč. Do opazovalčevega očesa pride sipana svetloba po hudo zveriženih poteh iz vseh smeri neba.

V gorah je nebo navpično nad nami bolj modro (temno) kot pri enakem pogledu iz doline. V nižjih plasteh ozračja vsebuje zrak tudi večje delce, na katerih pride do izraza Miejevo sipanje, pri katerem se bolj sipljejo tudi dolgovalovne sestavine svetlobe, ki ostrino modrine nekoliko zbledijo. Običajno je nebo nad nami tudi bolj modro kot nebo proti obzorju. Pojav skušamo, podobno kot v prejšnjem odstavku, razložiti z Miejevim sipanjem na večjih delcih. Vendar je pojav opazen tudi po dežju ali nevihti, ki dodobra spere ozračje. Bistvenega pomena je smer opazovanja – svetloba, ki pride do opazovalca iz smeri obzorja preide mnogo daljšo pot kot svetloba iz zenita. Zamislimo si dolg, vodoravno položen zračni valj, na katerega nekje od zgoraj vpada bela Sončeva svetloba. Če gledamo skozi ta “predor” proti obzorju, prihaja do našega očesa sipana svetloba vseh valovnih dolžin – razprši se seveda več modre svetlobe kot rdeče. Toda modra svetloba, ki prihaja do očesa z nasprotnega konca valja, se na svoji poti še dodatno siplje in slabi, medtem ko se rdeča svetloba na isti poti siplje in slabi znatno manj. Čim daljši je ta predor, tem bolj se učinka izničita in obzorje vidimo zato belkasto.

Podobno lahko razložimo pojav, ko v gorah zremo čez gorske grebene in hrbte, ki se vrstijo drug za drugim. Čim dlje se nahaja nek greben, tem več sipane svetlobe se na poti pridruži žarkom, ki potujejo neposredno od grebena proti našemu očesu. Zato zelo oddaljene vrhove vidimo bolj bledo-sive in z manj podrobnosti, medtem ko bližnje grebene vidimo bolj razločno in z rahlimi modrikastimi odtenki.

Čistost ozračja lahko ocenjujemo z modrino neba – čim bolj modro je nebo, tem bolj čisto je. “Merjenje” opravimo kar s palcem, s katerim očesu zakrijemo Sonce. Če se modrina neba okoli palca da primerjati s tisto nekoliko vstran, potem v ozračju ni večjih delcev. Večji delci namreč sipljejo svetlobo izrazito naprej in območje blizu Sonca je zato znatno bolj svetlo (in manj modro) kot v okolici.

Barve Sonca

Čezmerno sipanje kratkovalovne svetlobe na poti skozi ozračje povzroči, da v direktnih sončnih žarkih prevladujejo dolgovalovne sestavine bele svetlobe. Ko Sonce popoldne zahaja, je pot žarkov skozi ozračje vedno daljša in več je sipanja. V spodnjih 20 kilometrih atmosfere, v kateri se nahaja okoli 90 odstotkov mase vsega ozračja, prepotujejo Sončevi žarki pri nas pot 22 do 40 kilometrov opoldne in kakih 600 kilometrov zvečer ali zjutraj. Sonce, ki se nam čez dan zdi belo, postaja proti večeru vedno bolj rumeno in rdeče. Žarki zahajajočega (ali vzhajajočega) Sonca obarvajo tudi bližnje nebo in predmete, ki jih obsijejo. Še posebej lepo žarijo vrhovi gora ali visoki oblaki. Žarki, ki zjutraj ali zvečer ožarijo Julijce, opravijo dobrih 100 kilometrov daljšo pot kot žarki v nižinah. Vrhove doseže zato bolj osuta svetloba s poudarjenimi oranžno-rdečimi odtenki.

Izrazitost zarje močno poudarijo drobni delci v ozračju, ki nastanejo na primer pri obsežnih gozdnih požarih, peščenih viharjih ali vulkanskih izbruhih. V čistem, spranem ozračju so zarje komaj opazne. V urbanih okoljih je delcev sicer veliko, vendar sajasti delci, ki svetlobo absorbirajo, in higroskopski delci, ki vlečejo nase vodno paro in druge plinaste nesnage ter se pri tem preveč zdebelijo, svetlobe ne sipajo v očem prijetnih barvah.

Vulkanske zarje

Vulkanski izbruhi lahko, tudi za dobo nekaj let, dramatično spremenijo barve neba po vsem svetu. Pred nedavnim smo lahko tudi pri nas opazovali izrazite zarje kot posledico izbruha vulkana Pinatubo na Filipinih. Omembe vreden izbruh vulkana lahko izvrže v atmosfero nekaj kubičnih kilometrov pepela, prahu in vulkanskih plinov (predvsem CO₂ in SO₂). Večji delci se hitro izločijo iz ozračja, nasprotno pa drobni delci prahu in plini, ki prodrejo v stratosfero, ostanejo tam nekaj let, saj jih vremenski vplivi iz troposfere ne dosežejo več. Veter te delce raznese na vse strani: v dva do šestih tednih obkrožijo Zemljo, medtem ko je meridionalno širjenje manj uspešno. (Izbruh Krakataua (1883) ob ekvatorju, so v Londonu opazili mesec dni kasneje). V spodnji stratosferi se na višini okoli 20 kilometrov nahaja plast aerosola, katerega koncentracija se po večjih vulkanskih izbruhih znatno poveča. Na teh delcih, katerih tipična velikost je nekaj desetink milimetra, se zato siplje več svetlobe. Ker gre za Miejevo sipanje, je sipanja v rdečem delu spektra nekaj več, še vedno pa manj kot v modrem delu. Je pa na nadaljnji poti do opazovalca rdeča svetloba dosti bolj “vztrajna” kot modra, ki se na poti zaradi večjega sipanja povsem porazgubi. Stratosferska plast delcev tako zarje močno pordeči. Zarje so izrazito oranžno-rdeče, zavzamejo večjo površino nad obzorjem, trajajo dlje časa – lahko še nekaj deset minut po nastopu noči, ko je Sonce že 18 stopinj pod obzorjem. Iz rdeče zarje in še modrega neba nad zarjo se izcimi eksotična škrlatna svetloba. Ponavadi imajo vulkanske zarje ostro začrtan zgornji rob.

Vendar pa včasih tudi zelo močni vulkanski izbruhi povzročijo le šibke optične pojave, nasprotno pa so pojavi opazni pri izbruhih, kjer vulkanski oblak sploh ne prodre iz troposfere. Vse kaže, da je za vulkanske zarje odločilnega pomena količina žveplovega dioksida (SO₂), ki ga vulkan izbruha v ozračje. Žveplov dioksid počasi difundira v stratosfero, tam kemično reagira z ozonom in vodikom in tvori žvepleno kislino. Ta se na aerosolu kondenzira in tvori zelo majhne kapljice, ki uspešno sipajo svetlobo, kot je bilo povedano že v prejšnjem odstavku. Kapljice se sčasoma debelijo in izpadajo, sipanje postaja z rastjo kapljic barvno bolj dolgočasno, zarje pa lahko postanejo še manj izrazite kot ob običajnih pogojih.

Luna, zvezde in Venera, ki posijejo skozi izrazite vulkanske zarje, se zdijo opazovalcu zelenkaste. Pojav se da pojasniti z barvnim kontrastom, pri katerem naši možgani v odsotnosti barv enega dela spektra preostale barve “razmaknejo”. V izrazito rdečem ali škrlatnem okolju zarje vidi zato opazovalec sicer rumeno Luno kar zeleno. Morda se bralec spominja sneženja marca 1992. Takrat je jugozahodnik zanesel nad naše kraje znatne količine saharskega prahu, ki ga je sneženje izpiralo iz ozračja. Marsikje je bilo mogoče opaziti pojav, da so rumenkaste avtomobilske luči v izrazito oranžni svetlobi okolice delovale ostro modrikasto. Domnevamo, da so se na delčkih prahu absorbirale vse barve, razen oranžne, kar je ves prostor obarvalo izrazito oranžno – slučajno navzoča sosednja rumena barva luči je zato po spektru valovnih dolžin zdrknila za stopničko ali dve navzdol.

Beli oblaki

Oblaki vsebujejo drobne kapljice vode ali ledene kristalčke. Kapljice, katerih velikost je 20- do 100-krat večja od valovne dolžine svetlobe, enako dobro sipajo svetlobo vseh valovnih dolžin. Prekrivanje sipane svetlobe vseh barvnih sestavin povzroči, da vidimo oblake bele, čeprav prozorne kapljice vode v sebi nimajo nič belega.

Podobno je z meglo. Megleno morje, ki ga opazujemo z vzpetine (otoka), se nam zdi še posebej belo (svetlo), če ga opazujemo v smeri proti Soncu, medtem ko je megla za hrbtom presenetljivo temna. Vzrok temu je odboj in izrazito ozko sipanje svetlobe v smeri vpada žarkov. V megli sami (ali oblaku) sipana svetloba močno zmanjša vidljivost. V dovolj debeli megli, na katero sije Sonce, se zdi megla nad nami nekoliko svetlejša, še posebej, če tla svetlobo dobro vpijejo. Če pa na tleh leži sneg, se praktično vsa vpadla svetloba od tal difuzno odbije. Megla postane zato znatno svetlejša, in to neodvisno od smeri opazovanja.

Pozimi so lahko taka srečanja z meglo na zasneženem, razgibanem terenu (gorah) hudo neprijetna. V arktičnih krajih je znan pojav, ko se med snegom in plastovitim prosojnim oblačjem “ujame” svetloba. Po večkratnih odbojih in sipanju med ploskvama se zdi, da prihaja svetloba iz vseh strani – kot v beli škatli. Znani so opisi ljudi, ki so v taki brezoblični, brezsenčni pokrajini izgubili vsako orientacijo in imeli težave celo z lastnim ravnotežjem.

Prameni zarje

V motnem ozračju pogosto opazimo sipanje svetlobe na poti žarka, ki prodre skozi luknjo v oblakih. Sipana svetloba je čez dan belkasta ali modrikasta in se tako lepo loči od senčnega ozadja. Še posebej lepo se prameni vidijo, ko je Sonce blizu obzorja ali pod njim, prameni so tedaj tudi topleje obarvani. Žarki, ki najdejo pot med oblaki ali vrhovi oddaljenih gora, se zdijo, kot da bi izhajali iz neke točke za obzorjem. V resnici so žarki vzporedni, njihovo razhajanje si razložimo podobno kot pri tirnicah na dolgi, ravni železniški progi. Če imamo srečo, lahko vidimo pramene, ki pretečejo ves svod nad nami in na nasprotnem obzorju konvergirajo.

Prameni sipane svetlobe. (foto I. Grom)

Nebo ponoči

Nočno nebo ni povsem črno. Svetlobo nočnega neba sestavlja svetloba vseh očem nevidnih zvezd in svetlikanje zemeljske atmosfere, ki v glavnem izvira iz plasti med 60 in 200 kilometri nad površjem. To svetlikanje je nočni odmev na absorpcijo Sončeve svetlobe čez dan. Prevladuje sevanje kisika z valovno dolžino 558 nanometrov – lahko bi rekli, da je nočno nebo zeleno.

Omenimo še šibko zodiakalno svetlobo. To je razpršena (sipana) Sončeva svetloba na prahu, ki se nahaja v medplanetarnem prostoru. Vidna je nekaj ur po zatonu Sonca v ravnini ekliptike, v obliki kope z vrhom največ 10 stopinj nad obzorjem. Poznavalci, ki vedo, kaj naj gledajo, zodiakalno svetlobo opazujejo zvečer na začetku pomladi ali zjutraj na začetku jeseni.

Če ponoči sije Luna, je nebo pravzaprav modro. Svetlobni tok od Lune odbite Sončeve svetlobe, ki se v ozračju Rayleighovo sipa, je neprimerno večji kot tok šibke svetlobe iz ozadja neba.

ponatis članka iz revije Spika (september 1994)

-