Kombinacja błękitnego nieba, ciemnego nad głową, jaśniejszego w pobliżu horyzontu, wraz z zaczerwienionym Słońcem przy… albo wschodzie, albo zachodzie słońca, może być wszystko wyjaśnione naukowo, wraz z niebieskim kolorem oceanów jako niezależne zjawisko. Oto nauka o tym, jak to działa.
Jeśli kiedykolwiek byłeś ciekawy świata, w którym żyjesz, prawdopodobnie zastanawiałeś się, dlaczego niebo jest niebieskie. Nieprawidłowe odpowiedzi, których ludzie często udzielają w odpowiedzi, obejmują:
- że światło słoneczne ma niebieski odcień,
- że sam tlen jest gazem o niebieskim zabarwieniu,
- lub że niebo odbija oceany.
Pomimo, że żadna z tych odpowiedzi nie jest poprawna, ostatnia próba nasuwa związane z tym pytanie, nad którym ludzie często się zastanawiają: dlaczego oceany są niebieskie?
Widoczna z kosmosu planeta Ziemia jest często opisywana jako bladoniebieska kropka, ale to tylko oceany wydają się niebieskie. Kontynenty, chmury i pokrywy lodowe wcale nie wydają się niebieskie; to oceany, a nie atmosfera, nadają naszej planecie jej ogólny kolor. Przez tysiące lat ludzkość musiała po prostu akceptować te właściwości naszego świata jako fakty. Jednak dzięki postępom współczesnej nauki rozumiemy, dlaczego zarówno niebo, jak i oceany są niebieskie.
Gdy Słońce znajduje się wysoko nad horyzontem, niebo w kierunku zenitu jest znacznie ciemniejsze, podczas gdy niebo… w kierunku horyzontu jest jaśniejsze i ma kolor cyjanowy. Jest to spowodowane większą ilością atmosfery i większą ilością rozproszonego światła, które jest widoczne pod niskimi kątami na niebie.
Karsten Kettermann /
W przeciwieństwie do tego, co mogłeś przeczytać, nie ma jednego pojedynczego czynnika odpowiedzialnego za niebieskie niebo na Ziemi. Niebo nie jest niebieskie, ponieważ światło słoneczne ma niebieski odcień; nasze Słońce emituje światło o wielu różnych długościach fali, a światło to sumuje się do białego koloru netto. Tlen sam w sobie nie jest gazem o niebieskim zabarwieniu, ale jest raczej przezroczysty dla światła. Jednakże, istnieje niezliczona ilość cząsteczek i większych cząsteczek w naszej atmosferze, które odgrywają rolę, rozpraszając światło o różnych długościach fali w różnym stopniu. Ocean nie odgrywa żadnej roli w kolorze nieba, ale wrażliwość naszych oczu już tak: nie widzimy rzeczywistości taką, jaka jest, ale raczej taką, jaką postrzegają ją nasze zmysły i interpretuje nasz mózg.
Te trzy czynniki – światło słoneczne, rozpraszające efekty atmosfery ziemskiej i reakcja ludzkiego oka – są tym, co łączy się, aby nadać niebu jego niebieski wygląd.
Schematyczna animacja ciągłej wiązki światła rozpraszanej przez pryzmat. Gdybyś miał oczy ultrafioletowe… i podczerwone, byłbyś w stanie zobaczyć, że światło ultrafioletowe ugina się jeszcze bardziej niż światło fioletowe/niebieskie, podczas gdy światło podczerwone pozostaje mniej ugięte niż światło czerwone.
LucasVB / Wikimedia Commons
Gdy przepuszczamy światło słoneczne przez pryzmat, możemy zobaczyć, jak rozszczepia się ono na poszczególne składniki. Światło o najwyższej energii jest również światłem o najkrótszej długości fali (i wysokiej częstotliwości), podczas gdy światło o niższej energii ma dłuższe długości fali (i niskie częstotliwości) niż jego wysokoenergetyczne odpowiedniki. Powodem, dla którego światło rozdziela się w ogóle jest to, że długość fali jest krytyczną właściwością, która określa, jak światło oddziałuje z materią.
Duże otwory w twojej mikrofalówce pozwalają na krótkodystansowe światło widzialne, ale utrzymują światło mikrofalowe o większej długości fali, odbijając je. Cienkie powłoki na Twoich okularach przeciwsłonecznych odbijają ultrafioletowe, fioletowe i niebieskie światło, ale przepuszczają zielone, żółte, pomarańczowe i czerwone światło o większej długości fali. A maleńkie, niewidoczne cząsteczki tworzące naszą atmosferę – cząsteczki takie jak azot, tlen, woda, dwutlenek węgla, a także atomy argonu – rozpraszają światło o każdej długości fali, ale preferencyjnie są bardziej skuteczne w rozpraszaniu bardziej niebieskiego światła o krótszej długości fali.
Rayleigh scattering wpływa na światło niebieskie silniej niż czerwone, ale spośród widzialnych długości fal, … światło fioletowe jest rozpraszane najbardziej. To tylko dzięki wrażliwości naszych oczu niebo wydaje się niebieskie, a nie fioletowe. Światła widzialne o najdłuższej i najkrótszej długości fali doświadczają różnicy w rozpraszaniu Rayleigha o prawie cały rząd wielkości.
Są za tym fizyczne powody: wszystkie cząsteczki tworzące naszą atmosferę mają mniejsze rozmiary niż różne długości fal światła, które ludzkie oko może zobaczyć. Długość fali, która jest bliższa rozmiarom obecnych w niej molekuł, rozprasza się bardziej efektywnie; ilościowo prawo, któremu podlega, znane jest jako rozpraszanie Rayleigha.
Fioletowe światło na granicy krótkich fal tego, co możemy zobaczyć, rozprasza się ponad dziewięć razy częściej niż czerwone, długie fale na drugim końcu naszego pola widzenia. To dlatego podczas wschodów i zachodów słońca oraz zaćmień księżyca, czerwone światło może nadal skutecznie przechodzić przez atmosferę, ale niebieskie fale światła praktycznie nie istnieją, ponieważ są preferencyjnie rozpraszane.
Niektóre materiały opalizujące, jak ten pokazany tutaj, mają podobne właściwości rozpraszania Rayleigha do… atmosfery. Przy białym świetle oświetlającym ten kamień od góry po prawej, kamień sam rozprasza niebieskie światło, ale pozwala pomarańczowemu/czerwonemu światłu preferencyjnie przechodzić przez niezakłócone.
Ponieważ niebieskie długości fal światła są łatwiejsze do rozproszenia, każde przychodzące bezpośrednie światło słoneczne będzie stawało się coraz bardziej czerwone im więcej atmosfery przez nie przechodzi. Pozostała część nieba będzie jednak oświetlana przez pośrednie światło słoneczne: światło, które uderza w atmosferę, a następnie zostaje przekierowane w stronę oczu. Przeważająca większość tego światła będzie miała niebieską długość fali, dlatego niebo jest niebieskie w ciągu dnia.
Będzie miało bardziej czerwony odcień tylko wtedy, gdy atmosfera będzie wystarczająca do rozproszenia niebieskiego światła, zanim dotrze ono do oczu. Jeśli Słońce znajduje się poniżej horyzontu, całe światło musi przejść przez dużą ilość atmosfery. Niebieskie światło zostaje rozproszone we wszystkich kierunkach, podczas gdy czerwone światło jest znacznie mniej podatne na rozproszenie, co oznacza, że ma bardziej bezpośrednią drogę do Twoich oczu. Jeśli kiedykolwiek byłeś w samolocie po zachodzie lub przed wschodem Słońca, możesz uzyskać spektakularny widok tego efektu.
Z bardzo dużych wysokości na niebie przed wschodem lub po zachodzie Słońca, można zobaczyć spektrum kolorów,… spowodowane przez wielokrotne rozpraszanie światła słonecznego przez atmosferę. Bezpośrednie światło, z bliskości horyzontu, czerwieni się ogromnie, podczas gdy daleko od Słońca, pośrednie światło wydaje się tylko niebieskie.
To może wyjaśnić, dlaczego zachody i wschody Słońca oraz zaćmienia Księżyca są czerwone, ale może zostawić cię zastanawiając się, dlaczego niebo wydaje się niebieskie zamiast fioletowego. Rzeczywiście, w rzeczywistości jest większa ilość fioletowego światła pochodzącego z atmosfery niż niebieskiego, ale jest również mieszanka innych kolorów, jak również. Ponieważ twoje oczy mają trzy rodzaje czopków (do wykrywania koloru), wraz z monochromatycznymi pręcikami, to sygnały z wszystkich czterech muszą zostać zinterpretowane przez twój mózg, kiedy przychodzi do przypisania koloru.
Każdy rodzaj czopków, plus pręciki, są wrażliwe na światło o różnych długościach fali, ale wszystkie z nich są w pewnym stopniu stymulowane przez niebo. Nasze oczy reagują silniej na niebieskie, cyjanowe i zielone fale światła niż na fioletowe. Nawet jeśli jest więcej światła fioletowego, nie wystarcza ono do pokonania silnego sygnału niebieskiego, który dostarczają nasze mózgi, i dlatego niebo wydaje się naszym oczom niebieskie.
Pierwszy widok ludzkim okiem Ziemi wschodzącej nad krawędzią Księżyca. Odkrycie… Ziemi z kosmosu, ludzkimi oczami, pozostaje jednym z najbardziej ikonicznych osiągnięć w historii naszego gatunku. Misja Apollo 8, która miała miejsce w grudniu 1968 roku, była jedną z najważniejszych misji poprzedzających udane lądowanie na Księżycu, które w lipcu tego roku będzie obchodzić 50. rocznicę. Zauważ, że niebieski kolor Ziemi wynika z oceanów, a nie z atmosfery.
Oceany, z drugiej strony, są zupełnie inną historią. Jeśli spojrzysz na planetę jako całość, z widokiem takim jak ten, który dostajesz z kosmosu, zauważysz, że akweny wodne, które mamy, nie są jednolitym niebieskim kolorem, ale raczej różnią się odcieniem w oparciu o głębokość wody. Głębsze wody są ciemniejsze, płytsze są jaśniejsze.
Zauważysz, jeśli przyjrzysz się uważnie zdjęciu takiemu jak to poniżej, że regiony wodne graniczące z kontynentami (wzdłuż szelfów kontynentalnych) są jaśniejsze, bardziej cyjanowe niż głębokie, ciemne głębiny oceanu.
Oceany Ziemi mogą wydawać się niebieskie, ale wzdłuż szelfów kontynentalnych wydają się jaśniejszym odcieniem… niebieskiego niż w najgłębszych częściach oceanu. Nie jest to artefakt sposobu, w jaki obraz został skonstruowany, ale rzeczywiste zjawisko, które wyszczególnia różnicę między tym, co jest pochłaniane i odbijane przez sam ocean na różnych głębokościach.
NASA / MODIS / Blue Marble Project
Jeśli chcesz bardziej bezpośredniego zestawu dowodów na to, że oceany same w sobie wydają się niebieskie, możesz spróbować zanurkować pod powierzchnię wody i nagrać to, co widzisz. Kiedy to zrobimy, robiąc zdjęcie pod wodą w naturalnym świetle – tzn. bez żadnych sztucznych źródeł światła – możemy od razu zauważyć, że wszystko przybiera niebieskawy odcień.
Im dalej schodzimy, jak osiągniemy głębokość 30 metrów, 100 metrów, 200 metrów i więcej, tym bardziej niebieskie wydaje się wszystko. Ma to wiele sensu, gdy pamiętamy, że woda, podobnie jak atmosfera, jest zbudowana z cząsteczek o skończonej wielkości: mniejszych niż długość fali światła, które możemy zobaczyć. Ale tutaj, w głębi oceanu, fizyka rozpraszania jest nieco inna.
Jeśli zejdziesz w dół do zbiornika wodnego i pozwolisz, aby twoje otoczenie było oświetlane tylko przez… naturalne światło słoneczne z góry, przekonasz się, że wszystko nabiera niebieskawego odcienia, ponieważ światło czerwone jest pierwszym, którego długości fal są całkowicie pochłaniane.
Zamiast rozpraszania, które jest główną rolą atmosfery, gdy światło przechodzi przez nią, ciecz taka jak woda przede wszystkim pochłania (lub nie pochłania) światło. Woda, podobnie jak wszystkie cząsteczki, ma preferencje co do długości fal, które może absorbować. Zamiast prostej zależności od długości fali, woda może najłatwiej absorbować światło podczerwone, ultrafioletowe i czerwone światło widzialne.
To oznacza, że jeśli zejdziesz nawet na niewielką głębokość, nie doświadczysz dużego ocieplenia od Słońca, będziesz chroniony przed promieniowaniem UV, a rzeczy zaczną zmieniać kolor na niebieski, ponieważ czerwone światło zostanie zabrane. Zejdź trochę głębiej, a pomarańcze również znikną.
Na większych głębokościach, kiedy morze jest oświetlone naturalnym światłem słonecznym z góry, nie tylko czerwone kolory… ale pomarańcze i żółcie zaczynają znikać. Jeszcze niżej, zielenie będą pochłaniane, zbyt, pozostawiając tylko słabe niebieskie światło do obserwacji.
Dennis Jarvis z flickr
Poza tym, żółcie, zielenie i fiolety zaczynają być zabierane. W miarę jak kierujemy się w dół, na głębokość wielu kilometrów, w końcu niebieskie światło również znika, choć robi to jako ostatnie.
To dlatego najgłębsze głębiny oceanu wydają się głębokie, ciemnoniebieskie: ponieważ wszystkie inne długości fal zostają zaabsorbowane. Najgłębsze błękity, unikalne wśród wszystkich długości fal światła w wodzie, mają najwyższe prawdopodobieństwo odbicia i ponownej emisji. W chwili obecnej, średnie globalne albedo (termin techniczny oznaczający współczynnik odbicia światła) naszej planety wynosi 0,30, co oznacza, że 30% światła padającego na Ziemię jest odbijane z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Ale gdyby Ziemia była w całości głębinowym oceanem, nasze albedo wynosiłoby zaledwie 0,11. Ocean jest w rzeczywistości całkiem niezły w pochłanianiu światła słonecznego!
Dwie półkule globalne kompozyty danych z MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer),… wykonane w 2001 i 2002 roku. Zauważ, że to nasze oceany, i tylko nasze oceany, dają naszej planecie jej niebieski wygląd z kosmosu.
NASA
Niebo i ocean nie są niebieskie z powodu odbić w ogóle; są one zarówno niebieskie, ale każdy z własnej woli. Jeśli zabrałbyś nasze oceany całkowicie, człowiek na powierzchni nadal widziałby niebieskie niebo, a jeśli udało ci się zabrać nasze niebo (ale nadal w jakiś sposób dał nam ciekłą wodę na powierzchni), nasza planeta nadal wydawałaby się niebieska.
Dla nieba, niebieskie światło słoneczne rozprasza się łatwiej, i przychodzi do nas pośrednio z miejsca, gdzie światło słoneczne uderza w atmosferę w wyniku. W przypadku oceanów, światło widzialne o większej długości fali jest łatwiej absorbowane, więc im głębiej, tym ciemniejsze, bardziej niebieskie wydaje się pozostałe światło. Niebieskie atmosfery mogą być powszechne dla planet, ponieważ Uran i Neptun również je posiadają, ale jesteśmy jedyną znaną nam planetą z niebieską powierzchnią. Być może, gdy znajdziemy inny świat z ciekłą wodą na powierzchni, nie będziemy tak samotni na więcej niż jeden sposób!