Waarom is de lucht blauw?

Zonlicht bevat alle kleuren van de regenboog, van ultraviolet tot diep infrarood. Toch wordt de lucht altijd als blauw waargenomen. Wij zien het niet, maar ondanks de blauwe lucht zijn alle kleuren zeker aanwezig. Op het moment dat zonlicht de atmosfeer betreedt, gebeurt er van alles met het licht. Het zonlicht, dat uit fotonen bestaat, komt onder andere in botsing met moleculen. Dit leidt tot verstrooiing, wat de atmosfeer een blauwe kleur geeft. Aangezien zonlicht alle kleuren bevat, had de atmosfeer ook roze of groen kunnen zijn. Oftewel, waarom is de lucht blauw?

Zonlicht

Het licht dat de zon verspreid is een vorm van straling, of energie, dat bestaat uit fotonen. Een foton is eigenlijk niets anders dan een klein pakketje lichtenergie van een bepaalde golflengte. Zo bestaat het zichtbare zonnespectrum uit fotonen met een zeer korte golflengte (blauw) tot fotonen met langere golflengtes (rood). Het zonlicht is dus een verzameling van alle zichtbare golflengtes dat door de zon wordt uitgestraald.
Zodra het zonlicht de atmosfeer binnentreedt, komen de fotonen in aanraking met deeltjes in de atmosfeer, voornamelijk moleculen. Er vinden dan een aantal processen plaats waardoor het zonlicht uitgedoofd wordt. Eén daarvan is verstrooiing.

Verstrooiing

Er bestaan in de wetenschap 2 soorten verstrooiing; Rayleigh- en Mie-verstrooiing. Bij de Rayleighverstrooiing vindt er verstrooiing plaats door deeltjes die kleiner zijn dan de golflengte van het zonlicht, bijvoorbeeld moleculen. Mie-verstrooiing is van toepassing op grotere deeltjes, en is in dit geval niet belangrijk. Op het moment dat zonlicht de atmosfeer binnenkomt, botst het met voornamelijk moleculen. De elektronen gebonden aan deze moleculen verstrooien de fotonen die ermee in aanraking komen. Hierbij wordt het foton afgebogen en in een andere richting gestuurd, dus verstrooid.
De mate van Rayleighverstrooiing wordt bepaald aan de hand van een ingewikkelde formule, maar kan versimpeld worden tot de volgende formule:

Iα • 1/λ⁴

Waarbij:
λ = golflengte (nm)
Iα = mate van verstrooiing

De hoeveelheid dat verstrooid wordt, is omgekeerd evenredig met de vierde macht van de golflengte. Een klein verschil in golflengte, veroorzaakt dus een groot verschil in verstrooiing.

Hieruit blijkt dat de intensiteit van verstrooiing sterk afhankelijk is van de golflengte van de inkomende lichtstraal. Dit betekent ook dat een kleinere golflengte uiteindelijk leidt tot een groter getal voor Iα, dus een sterkere verstrooiing. Aangezien blauw licht (~400nm) een aanzienlijk kleinere golflengte heeft dan rood licht (~700nm), wordt blauw licht veel sterker verstrooid. Het effect op blauw licht is maar liefst 9.4 keer zo krachtig dan op rood licht bij bovenstaande golflengtes. De atmosfeer verstrooit zonlicht in alle richtingen. De versterkte intensiteit bij korte golflengtes kleurt de atmosfeer dus blauw. Dit verschijnsel is wat wij waarnemen.

Zonsondergang

Ondanks de versterkte verstrooiing van het blauwe licht wordt bij zonsondergang een gele of zelfs rode gloed waargenomen. Zodra de zon voor een bepaald punt op aarde lager komt te staan, moet het licht een langere afstand door de atmosfeer afleggen om dat punt te bereiken. Het blauwe licht wordt hierbij dermate sterk verstrooid, dat er nog nauwelijks blauw licht op dat punt straalt. Anders gezegd, de kortgolvige fotonen worden zo sterk verstrooid dat geen van deze fotonen het punt nog kunnen bereiken. De kortgolvige fotonen zijn "opverstrooid". Desondanks wordt het rode licht bij een langere afstand door de atmosfeer nog steeds in mindere mate verstrooid. De langgolvige fotonen zijn nog steeds in staat het punt bereiken. Dit effect geeft in sterke vorm een rode gloed langs de zon.

Lees verder

• Waarom stijgt warme lucht op?
• Black Smokers - de oorsprong van het leven
• Het hitte-eilandeffect