Dlaczego niebo jest niebieskie i co się dzieje z jego kolorem o wschodzie i zachodzie słońca

Skąd w ogóle biorą się kolory, które widzimy?

Krótkie przypomnienie o świetle białym i barwach

Światło, które na co dzień nazywamy „białym”, wcale nie jest jednorodne. To mieszanina fal elektromagnetycznych o różnych długościach. Każda z tych długości fali odpowiada innej barwie: od fioletu, przez niebieski, zielony i żółty, aż do czerwieni. Nasze oczy widzą tylko niewielki fragment całego widma fal – ten fragment nazywa się światłem widzialnym.

Długość fali to w skrócie „odległość” między kolejnymi grzbietami fali. Im krótsza długość fali, tym wyższa energia fotonu i inny sposób jego oddziaływania z materią. Fiolet ma fale krótsze, czerwień – dłuższe. Gdy światło przechodzi przez ośrodek, w którym różne długości fal „zachowują się” inaczej, może dojść do rozszczepienia barw.

W atmosferze mamy właśnie do czynienia z takim „pryzmatem”, tyle że bardzo rozproszonym. W odróżnieniu od szklanej kostki na biurku, światło nie załamuje się tu tylko na jednej, ostrej granicy dwóch ośrodków, ale jest wielokrotnie rozpraszane na ogromnej liczbie cząsteczek. Z tego ciągłego mieszania kierunków i selektywnego rozpraszania różnych długości fal rodzi się kolor nieba.

Jak ludzkie oko i mózg składają kolor świata

Na siatkówce oka znajdują się dwa główne typy receptorów światła: pręciki i czopki. Pręciki są bardzo czułe na światło, ale nie odróżniają barw – umożliwiają widzenie w słabym oświetleniu. Czopki są mniej czułe na ilość światła, za to rozróżniają kolory. Istnieją trzy główne typy czopków, każdy reaguje silniej na inną część widma: jedne na czerwienie, inne na zielenie, kolejne na odcienie niebieskiego.

Mózg nie widzi pojedynczych długości fal. Otrzymuje sygnały z trzech grup czopków i na tej podstawie „składa” wrażenie koloru. Jeśli najmocniej pobudzone są czopki reagujące na krótkie fale, odbieramy kolor niebieski. Jeśli równomiernie pobudzają się wszystkie trzy typy czopków, widzimy kolor biały lub szarawy. Takie „mieszanie” barw w mózgu sprawia, że to, co dociera do oczu, jest interpretowane w złożony sposób, a kolor nieba jest wynikiem całego łańcucha procesów – od Słońca, przez atmosferę, po układ nerwowy.

W praktyce oznacza to, że nie zobaczymy dokładnie tego, co „fizycznie” dzieje się ze światłem. Atmosfera faworyzuje rozpraszanie krótszych fal (fiolet, niebieski), ale oko jest mniej czułe na fiolet i jednocześnie część promieniowania fioletowego jest pochłaniana w wyższych warstwach atmosfery. Efekt końcowy: zamiast fioletowego, widzimy niebo głównie jako niebieskie.

Dlaczego kolor nieba to nie „farba na nieboskłonie”

Częsty błąd w myśleniu: niebo jest „niebieskie z natury”, jakby miało kolor nadany na stałe, niczym farba na ścianie. W rzeczywistości kolor nieba jest dynamiczny. To wynik ciągłego procesu: światło słoneczne wpada do atmosfery, zderza się z cząsteczkami, rozprasza się, część jest pochłaniana, a część dociera do oka obserwatora. Zmiana któregokolwiek elementu – wysokości Słońca, ilości pyłów, wilgotności – natychmiast zmienia wygląd nieba.

Najprościej myśleć o tym tak: niebo jest widoczne dlatego, że w powietrzu zachodzi selektywne rozpraszanie światła. Gdyby atmosfera była idealnie przezroczystą, pustą próżnią, patrząc w górę w dzień, widzielibyśmy ciemność i bardzo jasny dysk Słońca. Błękit nieba nie jest więc „kolorem powietrza”, ale efektem nieustannego mieszania fotonów z cząsteczkami atmosfery.

Tak samo wieczorne czerwienie, pomarańcze i róże nie są „farbą na zachodzie”, tylko wynikiem tego, że w innych warunkach geometria i skład atmosfery selektywnie wycinają z wiązki słonecznej inne fragmenty widma. Ten sam mechanizm fizyczny, ale w innych ustawieniach – jak regulacja barw na monitorze, tylko skala jest planetarna.

Budowa atmosfery – z czym w ogóle wchodzi w interakcję światło słoneczne

Skład powietrza i cząstki, które „widzi” foton

Z fizycznego punktu widzenia foton światła słonecznego, wpadając w ziemską atmosferę, „spotyka” przede wszystkim cząsteczki gazów: około 78% to azot (N₂), około 21% to tlen (O₂), a reszta to gazy szlachetne i śladowe ilości innych związków, w tym dwutlenku węgla. Do tego dochodzi zmienna ilość pary wodnej, aerozoli, pyłów, sadzy, kropelek wody czy kryształków lodu.

Z punktu widzenia rozpraszania światła najważniejsze są dwa rodzaje „celów” dla fotonów:

• pojedyncze, małe cząsteczki gazów – wielokrotnie mniejsze od długości fali światła;
• większe cząstki: pyły, drobinki dymu, kropelki wody, cząstki zanieczyszczeń – porównywalne rozmiarami z długością fali lub większe.

Na tych dwóch grupach zachodzi zasadniczo inny typ rozpraszania, co bezpośrednio przekłada się na to, jak wygląda niebo. Gdy powietrze jest czyste, dominuje rozpraszanie na małych cząsteczkach (rozpraszanie Rayleigha). Gdy w powietrzu jest dużo pyłów, smogu lub mgły, zaczyna dominować rozpraszanie na dużych cząsteczkach (rozpraszanie Mie), które prowadzi do bardziej mlecznych, wyblakłych widoków.

Warstwy atmosfery w kontekście rozpraszania światła

Atmosferę zwykle dzieli się na kilka warstw: troposferę (najniższą), stratosferę, mezosferę, termosferę i egzosferę. Dla koloru nieba najważniejsze są dwie pierwsze, bo to w nich znajduje się większość powietrza, a więc i większość cząstek, na których rozprasza się światło.

Troposfera sięga mniej więcej do 8–15 km nad powierzchnię (zależnie od szerokości geograficznej i pory roku). Tu zachodzi większość zjawisk pogodowych: chmury, opady, turbulencje. Zawartość pary wodnej, pyłów i aerozoli jest tu największa, dlatego ta warstwa ma ogromny wpływ na to, jak wygląda niebo tuż nad horyzontem, szczególnie podczas wschodów i zachodów Słońca.

Stratosfera rozciąga się mniej więcej od 15 do około 50 km nad Ziemią. Jest znacznie suchsza, stabilniejsza i mniej „brudna” niż troposfera. Znajduje się tam warstwa ozonowa, która pochłania znaczną część promieniowania ultrafioletowego, wpływając pośrednio na to, które długości fal w ogóle docierają do niższych warstw atmosfery i do naszych oczu.

Wyższe warstwy, jak mezosfera czy termosfera, mają stosunkowo mało cząstek w porównaniu z troposferą, więc ich udział w wizualnym kształtowaniu koloru nieba w dzień jest mniejszy. Mimo to pochłanianie części krótszych fal (szczególnie w ultrafiolecie) ma znaczenie przy wyjaśnianiu, dlaczego nie widzimy nieba jako intensywnie fioletowego.

Czy gazy same w sobie mają kolor?

Większość gazów w warunkach panujących w atmosferze Ziemi jest dla nas praktycznie bezbarwna. Pojedyncze cząsteczki absorbują i emitują światło w bardzo wąskich zakresach długości fal, ale przy niskich stężeniach efekt ten nie daje widocznego „koloru gazu”. Gęsta warstwa niektórych gazów może mieć wyraźny kolor (np. chlor – żółtawo-zielony, dwutlenek azotu – brunatny), jednak w powietrzu przy powierzchni ich stężenie jest niewielkie.

To, że powietrze „wydaje się” bezbarwne na krótkich odległościach, nie znaczy, że nie wpływa na światło. Przy setkach kilometrów drogi przez atmosferę nawet delikatne różnice w sposobie rozpraszania różnych długości fal dają zauważalny efekt. Błękit nieba jest więc efektem rozpraszania na cząsteczkach zasadniczo bezbarwnych.

Kluczowa jest tu skala. W pokoju powietrze jest dla nas przezroczyste, na horyzoncie widać już lekką mleczność, w górach dalekie szczyty przybierają niebieskawy odcień z powodu rozpraszania światła na długiej drodze przez atmosferę. To ta sama zasada, która powoduje, że niebo nad nami nie jest czarne, tylko niebieskie.

Rola aerozoli, pyłów i kropel wody

Oprócz gazów w atmosferze unoszą się cząstki stałe i ciekłe: pyły naturalne (np. piasek, pyłki roślin), pyły i sadze z działalności człowieka, aerozole siarczanowe, sól morska, krople mgły czy chmur. Wszystkie te elementy mogą mieć rozmiar porównywalny z długościami fal światła lub większy.

Na takich większych drobinach zachodzi inny typ rozpraszania (Mie), który nie faworyzuje tak silnie krótkich fal jak rozpraszanie Rayleigha. W praktyce oznacza to bardziej „neutralne” rozjaśnianie nieba: mniej czystej, intensywnej barwy, więcej mlecznej zawiesiny. To doskonale widać w porównaniu dnia po deszczu (kiedy powietrze jest „przepłukane” i niebo ekstremalnie błękitne) z dniem smogowym, kiedy barwy są przytłumione, a niebo wygląda na szarawe lub białawe.

Te same aerozole mają też ogromne znaczenie przy kształtowaniu kolorów podczas zachodu i wschodu Słońca. Gdy promienie Słońca suną przez bardzo długą warstwę powietrza, w którym jest dużo cząstek, krótsze fale są mocniej „wycinane”, a do obserwatora dociera dominacja czerwieni i pomarańczy. Efekt może być spektakularny lub wręcz przeciwnie – płaski i szarawy – w zależności od tego, co dokładnie unosi się w powietrzu.

Na czym polega rozpraszanie światła – Rayleigh, Mie i reszta rodziny

Intuicyjne podejście do rozpraszania światła

Rozpraszanie można sobie wyobrazić jako „wytrącenie z kursu” fotonu. Gdy foton napotyka cząsteczkę, może przejść obok bez większej interakcji, może zostać pochłonięty, a może zmienić kierunek – to ostatnie interesuje nas najbardziej przy kolorze nieba. Takie zmiany kierunku, występujące miliony razy na całej drodze promieni słonecznych przez atmosferę, powodują, że światło dociera do obserwatora z różnych stron, a nie tylko bezpośrednio od tarczy Słońca.

W zależności od rozmiaru cząsteczki i długości fali światła, rozpraszanie będzie miało różną intensywność i charakter. Dwa najważniejsze typy w kontekście koloru nieba to rozpraszanie Rayleigha (na bardzo małych cząsteczkach) i rozpraszanie Mie (na większych drobinach). Kluczowa różnica: rozpraszanie Rayleigha silnie zależy od długości fali, rozpraszanie Mie – dużo słabiej.

Rozpraszanie Rayleigha – fundament niebieskiego nieba

Rozpraszanie Rayleigha zachodzi wtedy, gdy rozmiar cząsteczek jest znacznie mniejszy niż długość fali światła. Tak dzieje się dla cząsteczek azotu i tlenu w powietrzu. W takim przypadku intensywność rozpraszania jest odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi długości fali (1/λ⁴). Po ludzku: fale krótsze (fiolet, niebieski) rozpraszają się wielokrotnie silniej niż fale dłuższe (czerwony).

Jeśli porównać na przykład fale niebieskie i czerwone, różnica w efektywności rozpraszania jest ogromna – niebieskie światło jest rozpraszane w powietrzu kilkanaście razy silniej niż czerwone. To właśnie dlatego niebo widziane z boku (czyli w kierunku z dala od bezpośredniego Słońca) przybiera niebieską barwę: fala niebieska została wytrącona z pierwotnego kursu i „trafia w nasze oko” praktycznie z każdej strony.

Co ciekawe, w czysto fizycznym sensie jeszcze lepiej powinno rozpraszać się światło fioletowe, o jeszcze krótszej długości fali. Dwa efekty zmieniają jednak ten obraz: po pierwsze, oko ludzkie jest mniej czułe na fiolet niż na niebieski i zielony, po drugie, część promieniowania bliżej ultrafioletu jest pochłaniana w górnych warstwach atmosfery (ozon). Wypadkowa tych zjawisk sprawia, że dominuje wrażenie niebieskiego nieba, a nie fioletowego.

Klasyczne porównanie to pryzmat lub krople deszczu: białe światło Słońca wchodzi do pryzmatu, a wychodzi już jako kolorowa wiązka – tęcza. Podobny mechanizm działa w atmosferze, gdy powstaje łuk tęczy na deszczu, co szerzej opisuje wpis Dlaczego widzimy tęczę i czemu czasem pojawia się druga, słabsza?. To samo Słońce, ta sama mieszanina długości fal, ale zupełnie inny efekt wizualny w zależności od tego, jak światło wchodzi w interakcję z kroplami wody czy cząsteczkami powietrza.

Rozpraszanie Mie – pyły, mgła i mleczne niebo

Jak działa rozpraszanie Mie w praktyce

Rozpraszanie Mie dominuje, gdy rozmiar cząstki jest porównywalny z długością fali światła lub większy. Dotyczy to kropel mgły, drobnych kropelek w chmurach, pyłów, smogu czy dymu. W takim reżimie barwa ma dużo mniejsze znaczenie niż w przypadku rozpraszania Rayleigha – fale czerwone, zielone i niebieskie traktowane są dużo „bardziej równo”.

Skutek jest prosty: zamiast selektywnego podbijania krótszych fal (niebieskich), dostajemy raczej równomierne rozjaśnienie widma, co w oku daje odcień biały, szary lub mleczny. Dlatego gęsta mgła wydaje się biała, a nie niebieska, chociaż wciąż rozprasza światło Słońca.

Rozpraszanie Mie jest też silniej „kierunkowe” – sporo światła leci dalej mniej więcej w tym samym kierunku, w którym biegło, a mniejsza część jest wyrzucana na boki. To jeden z powodów, dla których patrząc w stronę Słońca w zamglony dzień, widzimy jasną, rozmytą plamę i jasne niebo wokół, ale już w przeciwną stronę kontrast może być wyraźnie mniejszy.

Smog, pyły i dlaczego miasto ma inne niebo niż góry

W mieście z dużym zanieczyszczeniem powietrza stężenie drobnych pyłów (PM_2,5, PM₁₀) i aerozoli jest znacznie wyższe niż nad morzem czy w górach. Te dodatkowe cząstki dorzucają swoją cegiełkę rozpraszania Mie. Wypadkowy efekt:

• mniej „czystego” niebieskiego z rozpraszania Rayleigha,
• więcej białawego, rozproszonego światła na wszystkich długościach fal,
• niższy kontrast między niebem a chmurami czy horyzontem.

Dlatego w smogowy dzień niebo bywa trudne do jednoznacznego opisania: nie jest wyraźnie błękitne, nie jest też „pełną” bielą jak gęste chmury. Raczej coś między: wypłowiały błękit, czasem lekko żółtawy albo brudnoszary. W pogodny dzień po deszczu, gdy opad „wypłukał” część aerozoli, różnica potrafi być uderzająca – ten sam widok nagle ma głębszy błękit i lepszą widoczność dalekich obiektów.

Inne typy rozpraszania i specjalne przypadki

Oprócz klasycznego podziału na Rayleigha i Mie fizycy wyróżniają też inne reżimy, np. rozpraszanie Tyndalla (często używane potocznie na określenie „niebieskawej” mgiełki w koloidach) czy rozpraszanie geometryczne na bardzo dużych cząstkach. W kontekście koloru nieba najważniejsze pozostają jednak dwa pierwsze typy – pozostałe są istotne bardziej w sytuacjach szczególnych.

Przykład: tęcza to efekt zdominowany przez załamanie i odbicie światła w dużych kroplach deszczu, z elementem rozszczepienia widma. Halo wokół Słońca czy Księżyca to z kolei załamanie na kryształkach lodu w wysokich chmurach. Te zjawiska zmieniają lokalnie to, co widzimy na niebie, ale nie determinują ogólnego tła barwnego w skali całego sklepienia.

Dlaczego niebo jest niebieskie w ciągu dnia – krok po kroku

Światło Słońca przed wejściem w atmosferę

Przed wejściem w atmosferę światło słoneczne jest mieszanką wielu długości fal – od ultrafioletu, przez pasmo widzialne, aż po podczerwień. W obszarze widzialnym (mniej więcej 400–700 nm) intensywność nie jest równomierna, ale na tyle „gładka”, że oko interpretuje ją jako barwę zbliżoną do bieli o lekko żółtawym odcieniu.

Gdyby Ziemia nie miała atmosfery, w dzień widzielibyśmy jasną tarczę Słońca na czarnym tle kosmosu, na podobieństwo obrazów z Księżyca. Nie byłoby rozproszonego, „rozlanego” światła z nieba, które obecnie rozjaśnia cały krajobraz.

Wejście promieni w atmosferę i selektywne rozpraszanie

Gdy promienie słoneczne wchodzą w atmosferę, zaczyna się masowa interakcja z cząsteczkami azotu, tlenu i innymi składnikami. Tutaj wchodzi w grę rozpraszanie Rayleigha:

• światło czerwone i pomarańczowe – rozpraszane słabo, większość biegnie dalej w linii prostej,
• światło zielone – rozpraszane umiarkowanie,
• światło niebieskie i fioletowe – rozpraszane bardzo silnie w różnych kierunkach.

Efekt: część niebieskich fotonów, które pierwotnie leciały w zupełnie inną stronę niż twoje oko, zostaje „wytrącona” na boki i trafia w twoją stronę. To właśnie to boczne, rozproszone światło widzisz, spoglądając na fragment nieba z dala od tarczy Słońca.

Dlaczego niebo nad głową jest bardziej niebieskie niż przy horyzoncie

Patrząc pionowo w górę, obserwujesz światło rozproszone w stosunkowo „krótkiej” kolumnie atmosfery. Dominuje tam rozpraszanie Rayleigha na cząsteczkach gazów, stosunkowo mniej jest zanieczyszczeń i aerozoli (szczególnie w czystszych rejonach i przy dobrej pogodzie). Dlatego kolor bywa wtedy głębszy, bardziej nasycony, czasem wręcz granatowy.

Przy horyzoncie droga światła przez atmosferę jest znacznie dłuższa – patrzysz niejako „po skosie” przez grubszą warstwę powietrza. Po drodze:

• narasta udział aerozoli i pyłów (więcej rozpraszania Mie),
• część niebieskiego światła jest już rozproszona i „wyciągnięta” z wiązki,
• zwiększa się też udział pochłaniania (np. na cząstkach zanieczyszczeń).

Wypadkowo odcień staje się jaśniejszy, bardziej wyprany – często wpada w jasny błękit, seledyn, czasem mleczną szarość. To także powód, dla którego dalekie pasma gór czy budynki w oddali wydają się niebieskawe lub poszarzałe: dociera do ciebie głównie rozproszone krótkie fale z długiej drogi przez atmosferę.

Polaryzacja światła niebieskiego nieba

Rozpraszanie Rayleigha nie tylko „wyciąga” niebieską składową światła, ale też częściowo je polaryzuje. Oznacza to, że drgania pola elektrycznego fotonów stają się bardziej uporządkowane w określonym kierunku. Najsilniejsza polaryzacja występuje dla fragmentów nieba położonych pod kątem około 90° względem Słońca.

Ten efekt można zobaczyć w praktyce, używając okularów polaryzacyjnych. Gdy obrócisz głowę, niebo w niektórych kierunkach wyraźnie ściemnieje lub nasyci się kolorem – to miejsca, gdzie polaryzacja rozproszonego światła jest największa. Zwierzęta, które potrafią wykrywać polaryzację (np. niektóre owady), używają tego „wzorca na niebie” do orientacji, nawet gdy Słońce jest zasłonięte.

Chmury a kolor nieba

Chmury składają się z kropelek wody i kryształków lodu, których rozmiary są zwykle dużo większe niż długość fali światła. W takim przypadku dominuje rozpraszanie w stylu Mie i geometria optyczna. Wszystkie barwy widma są rozpraszane podobnie, dlatego:

• cienkie chmury wysokie mogą mieć delikatny, mlecznobiały kolor z lekką niebieskawą domieszką tła,
• grube chmury kłębiaste wyglądają na białe od góry (silnie oświetlone), a od spodu szarawe, gdy światło jest rozproszone wielokrotnie lub częściowo pochłonięte.

Chmury nie „biorą udziału” w tworzeniu barwy czystego błękitu, raczej zasłaniają tło nieba swoim własnym, w dużej mierze bezbarwnym (w sensie widmowym) rozpraszaniem. Stąd w pochmurny dzień sklepienie jest w zasadzie jednym, wielkim, jasnym dyfuzorem światła.

Co się dzieje ze światłem o wschodzie i zachodzie Słońca

Wydłużona droga przez atmosferę

Przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem jego promienie biegną przez atmosferę po bardzo długiej, ukośnej ścieżce. Geometria jest tu kluczowa: w porównaniu z południem długość drogi przez gęstsze warstwy powietrza rośnie kilkukrotnie.

Na tej wydłużonej trasie wielokrotnie zachodzi rozpraszanie Rayleigha, a do gry mocniej wchodzą też aerozole i pyły. Krótsze fale (fiolet, niebieski, część zieleni) są systematycznie „wycinane” z bezpośredniego promienia – rozpraszane na boki i częściowo pochłaniane. To, co zostaje w wiązce biegnącej prosto do twojego oka z tarczy Słońca, jest zubożone o błękity, za to bogatsze w czerwienie i pomarańcze.

Dlaczego tarcza Słońca robi się czerwona lub pomarańczowa

Patrząc bezpośrednio (ale z zachowaniem bezpieczeństwa wzroku) na tarczę Słońca przy samym horyzoncie, widzisz światło, które przeszło przez maksymalnie długą warstwę atmosfery. W uproszczeniu:

• niebieskie składowe zostały niemal całkowicie rozproszone na boki,
• zielone osłabły,
• dominację przejmują fale żółte, pomarańczowe i czerwone.

Im więcej aerozoli i pyłów na trasie, tym silniej wygaszane są krótsze fale i tym bardziej „czerwony” staje się bezpośredni blask Słońca. Stąd różnica między ostrym, żółtawym Słońcem nad morzem w bardzo czystym powietrzu a głębokimi, czerwonymi zachodami nad dużym miastem czy po przejściu pyłów pustynnych.

Na koniec warto zerknąć również na: A dlaczego diament przewodzi ciepło, ale nie prąd elektryczny? — to dobre domknięcie tematu.

Kolory nieba wokół Słońca – od złota po purpurę

Zachód czy wschód to nie tylko barwa samej tarczy, ale też zmiany na całym niebie. Można wyróżnić kilka typowych stref:

• Bezpośrednie otoczenie Słońca – bardzo jasne, złociste, pomarańczowe. To mieszanka światła bezpośredniego i silnie rozproszonego w krótkiej odległości kątowej od tarczy.
• Pas wyżej nad Słońcem – bardziej nasycone pomarańcze i czerwienie, czasem przechodzące w róż. Tu znaczenie ma już światło rozproszone wielokrotnie, z silniej wyciętymi krótkimi falami.
• Strefa dalsza od Słońca – sukcesywne przejście do chłodniejszych barw: róże, fiolety, aż do coraz ciemniejszego błękitu i granatu po przeciwnej stronie nieba.

Te przejścia nie są „malowane” jednolitym pędzlem. Dużą rolę odgrywa lokalne ułożenie chmur, obecność pyłu na konkretnej wysokości oraz profil wilgotności powietrza. Dlatego dwa zachody w tym samym miejscu potrafią wyglądać zupełnie inaczej.

Wpływ aerozoli na intensywność zachodów

Drobne cząstki w atmosferze działają jak filtr widma. W zależności od ich wielkości i składu chemicznego:

• mogą wzmacniać ciepłe barwy (gdy silniej tłumią zieleń i błękit),
• mogą „przydymiać” całe widmo, dając brudnawy, mleczny zachód bez intensywnych kolorów.

Przykłady z praktyki:

• po wybuchach wulkanów duża ilość drobnych aerozoli siarczanowych w stratosferze potrafi wywołać niezwykle żywe, czerwone i purpurowe zachody na dużych obszarach globu,
• gęsty smog miejski często daje raczej mętny, brunatny zachód – widoczne Słońce, ale tło nieba słabo nasycone, z wyraźnym przygaszeniem ogólnej jasności.

Dlaczego niebo po przeciwnej stronie zachodu też się zabarwia

Podczas spektakularnych zachodów łatwo zauważyć, że barwy pojawiają się również po stronie przeciwnej do Słońca – często w postaci delikatnych różów i fioletów nad wschodnim horyzontem. To efekt światła słonecznego, które skądś musi się tam wziąć – dociera jako światło rozproszone, pośrednie.

Promienie Słońca przechodzą przez wysokie warstwy atmosfery i odbijają się lub rozpraszają na cząsteczkach i cienkich chmurach znajdujących się już „ponad” linią twojego lokalnego zmierzchu. Część tego światła, wyraźnie zubożona w błękity, trafia do twojego oka z kierunku przeciwnego, dając różowo-fioletową poświatę.

Zmierzch cywilny, nautystyczny i astronomiczny a kolor nieba

Po zachodzie Słońca jeszcze przez długi czas niebo nie jest czarne. Wyróżnia się trzy główne fazy zmierzchu, każda z innym wyglądem nieba:

• Zmierzch cywilny (Słońce do ok. 6° pod horyzontem) – górna część nieba wciąż wyraźnie błękitna lub granatowa, przy horyzoncie utrzymują się ciepłe odcienie żółci, pomarańczy lub różu.

Głębsze fazy zmierzchu – jak gaśnie błękit

Gdy Słońce schodzi niżej pod horyzont, zmienia się nie tylko jasność nieba, ale też jego barwa i struktura. Po fazie cywilnej zaczyna się:

• Zmierzch nautystyczny (Słońce między ok. 6° a 12° pod horyzontem) – błękit szybko ciemnieje, przy horyzoncie pojawia się szeroki pas granatu, wyżej wciąż lekkie resztki błękitu. Ciepłe odcienie na zachodzie znikają lub ograniczają się do bardzo wąskiej smugi tuż nad linią horyzontu.
• Zmierzch astronomiczny (Słońce między ok. 12° a 18° pod horyzontem) – górna część nieba wizualnie jest już „nocna”. Resztkowy, bardzo ciemny błękit to efekt światła rozproszonego w górnej atmosferze i delikatnego świecenia nieba tła (airglow). Przy idealnie ciemnym, suchym powietrzu ten nalot błękitu jest minimalny; w pobliżu miast tonie w łunie świetlnej.

W praktyce – stojąc po zachodzie nad jeziorem – widzisz, jak z każdą minutą błękit „ucieka” w stronę zachodu i kurczy się do cienkiego pasa, aż znika kompletnie. To nic innego jak stopniowo wygaszane rozpraszanie słonecznego światła w coraz głębszych warstwach atmosfery, które nie są już oświetlane bezpośrednio.

W tym miejscu przyda się jeszcze jeden praktyczny punkt odniesienia: Dlaczego widzimy tęczę i czemu czasem pojawia się druga, słabsza?.

Pas Wenus i cień Ziemi

We wczesnym zmierzchu, po stronie przeciwnej do zachodu, często widać dwa charakterystyczne pasy:

• tuż nad horyzontem – ciemniejszy, szarawy lub granatowy pas,
• nad nim – szeroki, różowo-fioletowy obszar, tzw. pas Wenus.

Ten ciemny pas to nic innego jak cień Ziemi rzucony na atmosferę. Słońce znajduje się nisko pod przeciwnym horyzontem i oświetla jedynie wyższe warstwy powietrza. Dolne, bliższe tobie fragmenty są już schowane w cieniu globu, więc wyglądają na chłodniejsze i ciemniejsze.

Różowo-fioletowa strefa wyżej to wciąż oświetlona, rzadka atmosfera, na której rozprasza się zubożone w błękit światło słoneczne. Dominuje tam mieszanka czerwieni z resztką niebieskiego z innych kierunków, dająca pastelowe róże i fiolety. W pogodny wieczór nad równym horyzontem (np. morze, równina) ten efekt jest bardzo wyraźny.

Dlaczego czasem niebo jest niemal białe, a innym razem pełne intensywnych barw

Kolor wschodu czy zachodu to kombinacja kilku czynników. Na efekt końcowy najsilniej działają:

• przejrzystość powietrza – im mniej pyłu i aerozoli w dolnych warstwach, tym czystsze przejścia kolorów i wyraźniejsze kontrasty między błękitem a czerwieniami,
• profil zachmurzenia – cienkie, wysokie chmury potrafią „złapać” światło z obszaru poza twoim lokalnym horyzontem, co mocno wzmacnia ciepłe barwy; zwarte niskie chmury po prostu odcinają promienie,
• wysokość Słońca – najbardziej efektowne czerwienie pojawiają się zwykle, gdy tarcza jest tuż nad horyzontem lub minimalnie pod nim, a światło „zahacza” o wyższe warstwy atmosfery oraz chmury.

Dla wyobrażenia: zimny, suchy poranek w górach często daje krótki, ale bardzo czysty różowy błysk na szczytach i w chmurach wysokich. Letni, parny wieczór w mieście skończy się najczęściej rozlanym, żółtawym zachodem bez ostrych kontrastów – światło rozmywa się na drodze przez grubą warstwę wilgotnego, zapylonego powietrza.

Dlaczego wschód bywa „chłodniejszy” kolorystycznie niż zachód

Choć geometria Słońca względem atmosfery jest podobna, wschody i zachody często wyglądają inaczej. Różnice wynikają głównie z warunków w dolnej troposferze:

• wielu aerozoli (smog, pyły, dym) gromadzi się w ciągu dnia, więc wieczorem dolna warstwa bywa „brudniejsza”, co sprzyja mocnym czerwieniom i pomarańczom,
• o świcie powietrze jest często chłodniejsze, spokojniejsze dynamicznie i nieco czystsze – dominują spokojne pastele: chłodny błękit wyżej, subtelne róże tuż nad horyzontem.

Dochodzi też kwestia psychologii widzenia: po ciemnej nocy oko silniej rejestruje przyrost jasności niż niuanse barwy, więc wschody wydają się często „łagodniejsze”, nawet jeśli pomiary widmowe pokazują podobny skład jak przy zachodzie.

Dlaczego czasem niebo przy zachodzie staje się zielonkawe

Zdarza się, że między pomarańczami a ciemniejącym błękitem pojawia się delikatny, zielonkawy pas. Nie chodzi o „zielony błysk” na krawędzi Słońca, tylko o subtelne zabarwienie fragmentu nieba.

To efekt nakładania się kilku warstw rozproszonego światła o różnym składzie widmowym. W jednym kierunku dominuje wciąż żółć i czerwień z promieni przechodzących przez dłuższą kolumnę powietrza, w innym – resztka niebieskiego z mniej przefiltrowanych ścieżek. Sumarycznie te składowe mogą dać wrażenie zielonkawego odcienia, szczególnie gdy kontrastują z ciepłymi chmurami i chłodniejszym granatem wyżej.

Ten efekt jest subtelny, najlepiej widoczny przy czystej atmosferze i delikatnym, wysokim zachmurzeniu, które nie dominuje całego widoku.

Jak „czytać” warunki w kolorach nieba – mini-checklista obserwatora

Kilka prostych wskazówek, które pomagają powiązać to, co widać, z fizyką atmosfery:

• Bardzo głęboki, jednolity błękit w południe – mało aerozoli, suche, przejrzyste powietrze; dominuje rozpraszanie Rayleigha na cząsteczkach gazów.
• Wyprany, mleczny błękit przez cały dzień – dużo drobnego pyłu, wilgoci lub smogu; silny wkład rozpraszania Mie, słabszy kontrast między błękitem a bielą.
• Mocne czerwienie tuż nad horyzontem i słabo zabarwione niebo wyżej – silne tłumienie krótkich fal w dolnej warstwie (smog, pyły), wyżej powietrze bardziej przejrzyste.
• Szerokie, intensywne pasy czerwieni wysoko nad horyzontem – obecność cienkich, wysokich chmur lub aerozoli w górnej troposferze/stratosferze, które „łapią” światło Słońca znajdującego się już pod horyzontem.
• Różowo-fioletowy pas po stronie przeciwnej do Słońca – klasyczny pas Wenus; Słońce minimalnie pod horyzontem, góra atmosfery wciąż oświetlona.

Rola wysokości nad poziomem morza

Im wyżej się znajdujesz, tym krótsza kolumna gęstej atmosfery znajduje się nad tobą. To od razu przekłada się na kolor:

• w wysokich górach błękit nad głową bywa dużo głębszy, szybsze jest też przejście do granatu po zachodzie,
• przy horyzoncie wciąż patrzysz przez długą warstwę gęstego powietrza, więc „wypranie” barw i zamglenie odległego krajobrazu pozostaje, choć bywa mniejsze niż na nizinach.

Ciekawy efekt widać z pokładu samolotu lecącego na wysokości przelotowej: niebo nad skrzydłem jest prawie granatowe, a przejście od jasnej strefy przy horyzoncie do ciemnej góry nieba jest bardzo wyraźne i wąskie. To konsekwencja małej ilości powietrza nad tobą i silniejszej różnicy w oświetleniu między dolnymi a górnymi warstwami atmosfery.

Dlaczego nocne niebo nie jest idealnie czarne

Nawet daleko od miast, przy nowiu, nocne niebo rzadko bywa zupełnie czarne. Oprócz gwiazd i Drogi Mlecznej delikatny, bardzo ciemny błękit lub oliwkowy „nalot” pochodzi z kilku źródeł:

• airglow – słabe świecenie atomów i cząsteczek w górnej atmosferze (rekombinacje, reakcje chemiczne),
• rozproszone światło z odległych źródeł – resztkowe rozpraszanie światła z jasnych obszarów Ziemi i Księżyca,
• światło zodiakalne – światło słoneczne rozpraszane na pyłach w płaszczyźnie ekliptyki, szczególnie widoczne jako delikatny stożek nad horyzontem przed świtem lub po zmierzchu.

Oko adaptuje się do ciemności, więc ten nalot odbieramy raczej jako głęboki granat niż „kolor” w klasycznym sensie. Fizycznie jednak to wciąż mieszanina rozproszonego promieniowania, częściowo modulowana przez skład chemiczny górnej atmosfery.

Jak samodzielnie eksperymentować z kolorem nieba

Kilka prostych eksperymentów, które pokazują w praktyce opisane zjawiska:

• Okulary polaryzacyjne – w pogodny dzień obróć głowę o 90° względem Słońca i zobacz, jak zmienia się jasność i nasycenie błękitu; znajdziesz kierunek maksymalnej polaryzacji.
• Porównanie południa i zachodu – sfotografuj to samo miejsce o południu i tuż przed zachodem, używając tych samych ustawień aparatu (balans bieli na „dzienny”, stała ekspozycja). Różnica w dominujących barwach tła i cieni pokaże, jak zmienia się skład widma światła rozproszonego.
• Obserwacja pasa Wenus – po zachodzie odwróć się tyłem do Słońca i śledź, jak zmienia się granica między różowym pasem a ciemnym cieniem Ziemi. Z godziny na godzinę ta granica wędruje w górę, razem z „wejściem” cienia w coraz wyższe warstwy atmosfery.

Takie proste obserwacje, powtarzane w różnych porach roku i przy różnych warunkach, bardzo szybko uczą kojarzenia koloru nieba z realnymi procesami fizycznymi w atmosferze – bez potrzeby sięgania od razu po zaawansowane pomiary.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Dlaczego niebo jest niebieskie, a nie na przykład zielone?

Światło słoneczne jest mieszaniną wielu długości fal – od fioletu po czerwień. Gdy wpada do atmosfery, zderza się z cząsteczkami gazów (głównie azotu i tlenu). Małe cząsteczki znacznie silniej rozpraszają fale krótsze, czyli fiolet i niebieski. To zjawisko nazywa się rozpraszaniem Rayleigha.

Nasze oczy są jednak mniej czułe na fiolet, a część promieniowania fioletowego dodatkowo pochłaniają wyższe warstwy atmosfery. Do obserwatora dociera więc głównie rozproszone światło niebieskie, które mózg interpretuje jako błękit nieba, a nie jako fiolet czy zieleń.

Dlaczego niebo jest czerwone lub pomarańczowe przy zachodzie i wschodzie słońca?

Przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem światło musi przejść przez dużo grubszą warstwę atmosfery niż w południe. Po drodze krótsze fale (niebieskie i fioletowe) są wielokrotnie rozpraszane na boki i „wycinane” z bezpośredniej wiązki, która dociera do naszych oczu.

Do obserwatora dochodzi wtedy głównie światło o dłuższych falach, czyli czerwienie, pomarańcze i żółcie. Jeśli w powietrzu jest więcej pyłów, dymu lub smogu, efekt się wzmacnia i zachody stają się bardziej intensywne, ale jednocześnie bardziej „mleczne”.

Czy powietrze samo w sobie ma niebieski kolor?

W typowych warunkach atmosferycznych powietrze jest praktycznie bezbarwne. Pojedyncze cząsteczki gazów pochłaniają i emitują światło tylko w bardzo wąskich zakresach, więc przy niskich stężeniach nie widzimy wyraźnego „koloru gazu”. Dlatego w pokoju powietrze wydaje się zupełnie przezroczyste.

Błękit pojawia się dopiero przy bardzo długiej drodze światła przez atmosferę – na skalę wielu kilometrów. Niebieski kolor nieba to efekt rozpraszania światła na bezbarwnych cząsteczkach gazów, a nie kolor samego powietrza, jak farba w słoiku.

Dlaczego nie widzimy nieba jako fioletowego, skoro to fiolet rozprasza się najsilniej?

Rzeczywiście, fizycznie fale fioletowe rozpraszają się nawet mocniej niż niebieskie. Jednak nasz układ wzrokowy jest znacznie mniej czuły na fiolet niż na niebieski czy zielony. Czopki „fioletowe” praktycznie nie występują – mamy receptory wrażliwe głównie na czerwienie, zielenie i odcienie niebieskiego.

Dodatkowo część promieniowania w zakresie fioletu i ultrafioletu pochłaniają wyższe warstwy atmosfery, w tym warstwa ozonowa. Efekt sumaryczny jest taki, że do naszych oczu dociera dużo więcej rozproszonego niebieskiego niż użytecznego „widzialnego” fioletu, więc niebo odbieramy jako niebieskie.

Dlaczego w górach i nad morzem niebo wydaje się intensywniejsze i „czystsze”?

W górach i nad otwartym morzem powietrze zwykle zawiera mniej pyłów, sadzy i innych aerozoli. Dominuje wtedy rozpraszanie Rayleigha na małych cząsteczkach gazów, które mocno podbija niebieską składową światła i daje głęboki błękit.

W miastach i w dolinach częściej dominuje rozpraszanie Mie, związane z większymi cząstkami (smog, kurz, mgła). Taki typ rozpraszania mniej „faworyzuje” konkretne barwy, przez co niebo staje się jaśniejsze, bardziej mleczne i mniej nasycone kolorystycznie, szczególnie nad horyzontem.

Dlaczego niebo przy horyzoncie jest jaśniejsze i bardziej mleczne niż nad głową?

Patrząc w kierunku horyzontu, patrzysz przez znacznie grubszą warstwę atmosfery niż w górę. Światło po drodze wielokrotnie rozprasza się na cząsteczkach gazów, pyłach, aerozolach i kroplach wody. Każde dodatkowe rozproszenie „miesza” kolory i obniża kontrast.

Efekt: kolor jest mniej nasycony, bardziej szarawy lub mleczny. Dodatkowo przy horyzoncie jest więcej zanieczyszczeń i wilgoci (to najniższe warstwy troposfery), więc udział rozpraszania na dużych cząstkach rośnie, co jeszcze bardziej „wypłukuje” intensywny błękit.

Czy na innych planetach niebo też jest niebieskie?

Kolor nieba zależy od dwóch rzeczy: składu atmosfery i rodzaju dominującego rozpraszania. Na Ziemi przeważają azot i tlen oraz rozpraszanie Rayleigha, co daje błękit. Na planetach z innym składem gazów i inną ilością pyłów kolor nieba będzie inny.

Przykład: na Marsie atmosfera jest rzadka i pełna drobnego pyłu bogatego w tlenki żelaza, dlatego niebo zwykle wygląda na żółtawe lub rdzawo-różowe. Sama zasada jest ta sama co na Ziemi – zmieniają się tylko „ustawienia”: skład atmosfery, jej gęstość i ilość zawieszonych cząstek.