De combinatie van een blauwe lucht, donker boven het hoofd, lichter bij de horizon, samen met een rode zon bij… ofwel zonsopgang of zonsondergang, kan allemaal wetenschappelijk worden verklaard, samen met de blauwe kleur van de oceanen als een onafhankelijk fenomeen. Hier is de wetenschap van hoe het werkt.
Als je ooit nieuwsgierig bent geweest naar de wereld waarin je leeft, heb je je waarschijnlijk afgevraagd waarom de lucht blauw is. De onjuiste antwoorden die mensen vaak geven, zijn onder meer:
- dat zonlicht een blauwe tint heeft,
- dat zuurstof zelf een blauw gekleurd gas is,
- of dat de lucht de oceanen weerspiegelt.
Hoewel geen van deze antwoorden juist is, roept die laatste poging een verwante vraag op die mensen zich vaak afvragen: waarom zijn de oceanen blauw?
Zo vanuit de ruimte gezien, wordt de planeet Aarde vaak beschreven als een lichtblauwe stip, maar het zijn alleen de oceanen die blauw gekleurd lijken. De continenten, wolken en ijskappen zijn helemaal niet blauw; het zijn de oceanen, niet de atmosfeer, die onze planeet zijn algehele teint geven. Duizenden jaren lang moest de mensheid deze eigenschappen van onze wereld gewoon als feiten accepteren. Maar met de vooruitgang van de moderne wetenschap begrijpen we waarom zowel de lucht als de oceanen blauw zijn.
Als de zon hoog boven het hoofd staat, is de lucht naar het zenit toe veel donkerder blauw, terwijl de lucht… naar de horizon toe een lichtere, helderdere cyaankleur heeft. Dit komt door de grotere hoeveelheid atmosfeer, en de grotere hoeveelheid verstrooid licht, die onder een lage hoek aan de hemel te zien is.
Karsten Kettermann /
In tegenstelling tot wat je misschien hebt gelezen, is er niet één factor verantwoordelijk voor de blauwe luchten op aarde. De lucht is niet blauw omdat het zonlicht een blauwe tint heeft; onze zon zendt licht uit van veel verschillende golflengten, en dat licht is samengevoegd tot een netto witte kleur. Zuurstof zelf is geen blauw gekleurd gas, maar is transparant voor licht. Er zijn echter talloze moleculen en grotere deeltjes in onze atmosfeer die een rol spelen en licht van verschillende golflengten in verschillende mate verstrooien. De oceaan speelt geen rol in de kleur van de lucht, maar de gevoeligheid van onze ogen absoluut wel: wij zien de werkelijkheid niet zoals zij is, maar zoals onze zintuigen haar waarnemen en onze hersenen haar interpreteren.
Die drie factoren – het licht van de zon, de verstrooiingseffecten van de aardatmosfeer, en de reactie van het menselijk oog – geven samen de blauwe kleur aan de hemel.
Schematische animatie van een continue lichtstraal die door een prisma wordt verstrooid. Als je ultraviolette… en infrarode ogen had, zou je kunnen zien dat het ultraviolette licht nog meer buigt dan het violette/blauwe licht, terwijl het infrarode licht minder gebogen zou blijven dan het rode licht.
LucasVB / Wikimedia Commons
Als we zonlicht door een prisma laten gaan, kunnen we zien hoe het zich opsplitst in zijn afzonderlijke componenten. Het licht met de hoogste energie is ook het licht met de kortste golflengte (en hoge frequentie), terwijl het licht met de lagere energie een langere golflengte (en lage frequentie) heeft dan zijn tegenhangers met hoge energie. De reden dat licht zich opsplitst is omdat golflengte de kritische eigenschap is die bepaalt hoe licht met materie interageert.
De grote gaten in uw magnetron laten zichtbaar licht met een korte golflengte binnen en buiten, maar houden zichtbaar licht met een langere golflengte binnen en weerkaatsen het. De dunne coatings op uw zonnebril reflecteren ultraviolet, violet en blauw licht, maar laten groen, geel, oranje en rood licht met een langere golflengte door. En de kleine, onzichtbare deeltjes waaruit onze atmosfeer bestaat – moleculen als stikstof, zuurstof, water, kooldioxide, alsmede argonatomen – verstrooien licht van alle golflengten, maar zijn bij voorkeur efficiënter in het verstrooien van blauwer, korter licht.
Rayleigh-verstrooiing heeft meer invloed op blauw licht dan op rood, maar van de zichtbare golflengten… wordt violet licht het meest verstrooid. Het is enkel door de gevoeligheid van onze ogen dat de lucht blauw lijkt en niet violet. De langste golflengte en de kortste golflengte van het zichtbare licht vertonen een verschil in Rayleigh-verstrooiing van bijna een volledige orde van grootte.
Er zit een natuurkundige reden achter: alle moleculen waaruit onze atmosfeer is opgebouwd, zijn kleiner in omvang dan de verschillende golflengten van het licht die het menselijk oog kan waarnemen. De golflengten die dichter bij de grootte van de aanwezige moleculen liggen, zullen efficiënter verstrooien; de wet die hieraan gehoorzaamt, staat bekend als Rayleigh-verstrooiing.
Het violette licht op de korte-golflengtegrens van wat wij kunnen zien, verstrooit negen keer zo vaak als het rode, lange-golflengte licht aan de andere kant van ons gezichtsvermogen. Dit is de reden waarom tijdens zonsopgangen, zonsondergangen en maansverduisteringen, rood licht nog steeds efficiënt door de atmosfeer kan gaan, maar de blauwere golflengten van het licht vrijwel onbestaande zijn, omdat ze bij voorkeur zijn verstrooid.
Sommige opalescente materialen, zoals het hier getoonde, hebben vergelijkbare Rayleigh-verstrooiingseigenschappen als… de atmosfeer. Als wit licht deze steen van rechtsboven verlicht, verstrooit de steen zelf blauw licht, maar laat het oranje/rode licht bij voorkeur ongestoord door.
Omdat de blauwere golflengten van het licht gemakkelijker te verstrooien zijn, wordt inkomend direct zonlicht roder en roder naarmate er meer atmosfeer doorheen gaat. De rest van de hemel wordt echter verlicht door indirect zonlicht: licht dat de atmosfeer raakt en dan naar je ogen wordt omgeleid. Het overgrote deel van dat licht is blauw van golflengte, en daarom is de lucht overdag blauw.
Het wordt alleen roder als er genoeg atmosfeer is om dat blauwe licht weg te verstrooien voordat het je ogen bereikt. Als de zon onder de horizon staat, moet al het licht door grote hoeveelheden atmosfeer. Het blauwe licht wordt in alle richtingen verstrooid, terwijl het rode licht veel minder kans heeft om verstrooid te worden, wat betekent dat het een directere weg naar je ogen neemt. Als je ooit in een vliegtuig zit na zonsondergang of voor zonsopgang, kun je een spectaculair zicht krijgen op dit effect.
Van zeer grote hoogten in de lucht voor zonsopgang of na zonsondergang, is een spectrum van kleuren te zien,… veroorzaakt door de verstrooiing van zonlicht, meerdere malen, door de atmosfeer. Direct licht, van dicht bij de horizon, wordt enorm rood, terwijl ver weg van de zon, indirect licht alleen blauw lijkt.
Dit zou kunnen verklaren waarom zonsondergangen, zonsopgangen, en maansverduisteringen rood zijn, maar je zou je kunnen afvragen waarom de lucht blauw lijkt in plaats van violet. Er komt inderdaad meer violet licht uit de atmosfeer dan blauw licht, maar er is ook een mix van de andere kleuren. Omdat uw ogen drie soorten kegeltjes (voor het waarnemen van kleur) hebben, samen met de monochromatische staafjes, zijn het de signalen van alle vier die door uw hersenen moeten worden geïnterpreteerd als het erom gaat een kleur toe te wijzen.
Elk type kegeltje, plus de staafjes, zijn gevoelig voor licht van verschillende golflengten, maar ze worden allemaal tot op zekere hoogte gestimuleerd door de lucht. Onze ogen reageren sterker op blauwe, cyaan en groene golflengten van licht dan op violet. Ook al is er meer violet licht, het is niet genoeg om het sterke blauwe signaal dat onze hersenen afgeven te overwinnen, en daarom ziet de lucht er voor onze ogen blauw uit.
Het eerste zicht met mensenogen op de aarde die boven de maanpalm uitsteekt. De ontdekking van de… Aarde vanuit de ruimte, met mensenogen, blijft een van de meest iconische prestaties in de geschiedenis van onze soort. Apollo 8, die in december 1968 plaatsvond, was een van de essentiële voorlopermissies van een succesvolle maanlanding, die in juli van dit jaar zijn 50e verjaardag viert. De blauwe kleur van de aarde is te danken aan de oceanen, niet aan de atmosfeer.
De oceanen daarentegen zijn een heel ander verhaal. Als je de planeet in zijn geheel bekijkt, met een uitzicht zoals je dat vanuit de ruimte krijgt, zul je zien dat de watermassa’s die we hebben niet uniform blauw zijn, maar variëren in tint op basis van de diepte van het water. Diepere wateren zijn donkerder blauw, ondiepere wateren zijn lichter blauw.
Als je goed naar een foto als de onderstaande kijkt, zie je dat de watergebieden die aan de continenten grenzen (de continentale plateaus) een lichtere, cyaankleurigere blauwtint hebben dan de diepe, donkere diepten van de oceaan.
De oceanen op aarde zien er weliswaar blauw uit, maar langs de continentale plateaus zijn ze lichter… blauw dan in de diepste delen van de oceaan. Dit is geen artefact van de manier waarop de foto is gemaakt, maar een echt fenomeen dat het verschil aangeeft tussen wat wordt geabsorbeerd en gereflecteerd door de oceaan zelf op verschillende diepten.
NASA / MODIS / Blue Marble Project
Als je een directer bewijs wilt dat de oceanen zelf blauw lijken, kun je proberen onder het wateroppervlak te duiken en vast te leggen wat je ziet. Als we dit doen en onder water een foto maken bij natuurlijk licht – dat wil zeggen zonder kunstmatige lichtbronnen – zien we onmiddellijk dat alles een blauwachtige tint krijgt.
Hoe verder we afdalen, naar diepten van 30 meter, 100 meter, 200 meter en meer, hoe blauwer alles lijkt. Dit is heel logisch als je bedenkt dat water, net als de atmosfeer, bestaat uit moleculen met een eindige grootte: kleiner dan de golflengten van het licht dat wij kunnen waarnemen. Maar hier, in de diepte van de oceaan, is de fysica van de verstrooiing een beetje anders.
Als je afdaalt in een waterlichaam en je omgeving alleen laat verlichten door… natuurlijk zonlicht van bovenaf, zul je merken dat alles een blauwachtige tint krijgt, omdat rood licht als eerste zijn golflengten volledig geabsorbeerd krijgt.
In plaats van verstrooiing, wat de primaire rol van de atmosfeer is als er licht doorheen gaat, absorbeert een vloeistof als water voornamelijk licht (of absorbeert het niet). Water heeft, net als alle moleculen, een voorkeur voor de golflengten die het kan absorberen. In plaats van een duidelijke golflengte-afhankelijkheid, absorbeert water het gemakkelijkst infrarood licht, ultraviolet licht en zichtbaar rood licht.
Dit betekent dat als je zelfs maar tot een bescheiden diepte afdaalt, je niet veel opwarming van de zon zult ervaren, dat je beschermd bent tegen UV-straling en dat alles blauw begint te kleuren, omdat het rode licht wordt weggenomen. Ga nog wat dieper, en de sinaasappels verdwijnen ook.
Op grotere diepte, wanneer de zee van bovenaf door natuurlijk zonlicht wordt verlicht, beginnen niet alleen de rode kleuren… maar ook de sinaasappels en de gelen te verdwijnen. Nog lager worden ook de groenen geabsorbeerd, zodat alleen zwak blauw licht overblijft.
Dennis Jarvis van flickr
Perder dan dat, beginnen de gele, groene en violette kleuren weg te vallen. Naarmate we dieper gaan, tot op een diepte van meerdere kilometers, verdwijnt uiteindelijk ook het blauwe licht, hoewel het als laatste verdwijnt.
Dit is de reden waarom de diepste diepten van de oceaan er diep, donkerblauw uitzien: omdat alle andere golflengten worden geabsorbeerd. Het diepste blauw, dat uniek is voor alle golflengten van licht in water, heeft de grootste kans gereflecteerd te worden en weer uitgezonden te worden. Op dit moment is het wereldgemiddelde van het albedo (de technische term voor reflectiviteit) van onze planeet 0,30, wat betekent dat 30% van het invallende licht wordt teruggekaatst in de ruimte. Maar als de aarde volledig uit diepe oceanen zou bestaan, zou ons albedo slechts 0,11 zijn. De oceaan is eigenlijk best goed in het absorberen van zonlicht!
Twee mondiale samenstellingen van MODIS-gegevens (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer),… genomen in 2001 en 2002. Merk op dat het onze oceanen zijn, en onze oceanen alleen, die onze planeet zijn blauwe uiterlijk vanuit de ruimte geven.
NASA
De lucht en de oceaan zijn helemaal niet blauw door reflecties; ze zijn allebei blauw, maar elk uit hun eigen vrije wil. Als je onze oceanen helemaal weg zou halen, zou een mens op het oppervlak nog steeds een blauwe lucht zien, en als je erin zou slagen onze lucht weg te halen (maar ons toch op de een of andere manier vloeibaar water op het oppervlak zou geven), zou onze planeet nog steeds blauw lijken.
Voor de lucht geldt dat het blauwe zonlicht gemakkelijker verstrooit, en daardoor indirect tot ons komt vanaf de plek waar het zonlicht de atmosfeer raakt. Voor de oceanen geldt dat zichtbaar licht met een langere golflengte gemakkelijker wordt geabsorbeerd, dus hoe dieper de oceanen gaan, hoe donkerder blauw het resterende licht lijkt. Blauwe atmosferen zijn misschien gebruikelijk voor planeten, want Uranus en Neptunus bezitten ze ook, maar wij zijn de enige die we kennen met een blauw oppervlak. Misschien zijn we in meerdere opzichten niet meer zo alleen als we een andere wereld vinden met vloeibaar water aan het oppervlak!