Waarom is de lucht blauw is een van de veelgestelde vragen. Het korte antwoord op deze vraag is: vanwege de atmosfeer en het zonlicht van de aarde. Als de aarde geen atmosfeer had, zou de lucht overdag net zo zwart zijn als ’s nachts.
De lucht is blauw voor vandaag en zwart voor de nachten. Wat dag van nacht onderscheidt, is het zonlicht dat ’s nachts afwezig is, omdat we ons dan op het van de zon afgekeerde deel van de aarde bevinden. Dit geeft ons al een eerste hint van waar we het over hebben – zonlicht beïnvloedt de kleur van de lucht.
Zonlicht en kleuren
De zon is wit, evenals de zonnestralen, die van ons naar de zon moeten reizen maar liefst (ongeveer) 150 miljoen kilometer. Zeggen dat de zon wit is, kan een beetje misleidend zijn, omdat wit niet echt een kleur is, wat betekent dat het niet slechts één kleur is. Het bestaat uit vele kleuren (professioneeler kan het zo worden gezegd: wit is een polychromatische kleur, bestaande uit een continu kleurenpalet). Dit is wat het echt betekent.
Witte lichtstralen kunnen worden gescheiden in een prachtig spectrum van kleurrijke kleuren met behulp van een prisma-achtig apparaat. Dit is een langdurig fenomeen waarbij witachtig zonlicht via regendruppels uiteenvalt in een kleurrijk spectrum van kleuren.
We kunnen licht ook zien als een golf, en om te begrijpen waarom de lucht blauw is, moeten we dat doen. Over het algemeen is licht dus een golf (formeel: elektromagnetische straling) van een bepaalde lengte (of frequentie).
Golven van zichtbaar licht (dat is wat ons oog kan detecteren en onze hersenen in een afbeelding kan veranderen) hebben golflengten van ongeveer 400 tot 700 nanometer, en in deze context is kleur slechts bepaalde golflengten. Rood licht heeft bijvoorbeeld een golflengte van ongeveer 625 tot 740 nanometer, groen licht heeft een golflengte van 500 tot 565 nanometer, blauw heeft een golflengte van 380 tot 440 nanometer en violet heeft een golflengte van 380 tot 440 nanometer.
Met betrekking tot de vraag die we hier beantwoorden, is het belangrijk om het volgende te onthouden:
- Blauw en violet licht hebben de laagste golflengte van de andere zichtbare lichtkleuren,
- De zon gaat door de lege ruimte op weg naar onze ogen totdat hij de atmosfeer van de aarde bereikt. En als je er doorheen loopt, gebeuren er interessante dingen die de lucht blauw maken.
Atmosfeer van de aarde
Wat is de atmosfeer van de aarde in het algemeen? Dit is de aardmantel, die uit verschillende gassen bestaat (en het bestaat omdat de zwaartekracht van de aarde sterk genoeg is om ze aan zichzelf te “binden”). We weten allemaal dat een van deze gassen zuurstof is, die mensen nodig hebben om te leven.
Maar velen zijn verrast om te horen dat het meeste naar stikstof gaat. Het aandeel zuurstof in de atmosfeer is ongeveer 21% en stikstof maar liefst 78%. De interactie van zonlicht met stikstof- en zuurstofmoleculen in de atmosfeer maakt onze hemel blauw.
Verstrooiing van de zonnestralen in de atmosfeer
Wanneer de zonnestralen de atmosfeer binnenkomen en ongehinderd door het luchtruim gaan, beginnen ze te “botsen” met de moleculen stikstof en zuurstof. Er is een fenomeen dat we verstrooiing of Rayleigh-verstrooiing noemen (volgens Lord Rayleigh, die dit fenomeen in 1871 beschreef). Dergelijke verstrooiing treedt op wanneer de deeltjesgrootte waarop het licht wordt verstrooid kleiner is dan de golflengte van dat licht (en dit geldt voor stikstof- en zuurstofmoleculen in de atmosfeer, die veel kleiner zijn dan de golflengte van zichtbaar zonlicht).
Wat belangrijk is aan Rayleigh-verstrooiing is dat het afhangt van de golflengte of kleur van het licht: licht met een korte golflengte verstrooit het meest en licht met een lange golflengte verstrooit het minst (indien toevallig tot de vierde macht van de golflengte). Typisch blauw licht verstrooit bijvoorbeeld ongeveer 5 keer efficiënter dan rood licht.
Terwijl de zonnestralen door de atmosfeer gaan, verstrooien de violette stralen het meest, gevolgd door de blauwe stralen. Dit kan worden gezien als de paarse en blauwe kleuren die “weglopen” van het witte zonlicht en zich herschikken, dat wil zeggen, zich door de lucht verspreiden en uiteindelijk de ogen bereiken, waardoor een gekleurd beeld van de lucht ontstaat. Maar als paars meer diffuus is dan blauw, waarom is de lucht dan niet paars, maar blauwachtig?
Hiervoor zijn twee redenen. Allereerst merken we op dat er minder violette kleuren in het zonnespectrum zijn dan blauwe. Ten tweede zijn menselijke ogen gevoeliger voor blauw dan voor violet. Dit is de reden waarom de lucht voor ons blauw lijkt. En als er geen atmosfeer was, zou het zwart zijn, omdat er geen moleculen zouden zijn om zonlicht door de lucht te verspreiden.
Waarom is de lucht rood bij zonsopgang en zonsondergang?
Bij zonsopgang en zonsondergang moet het zonlicht een grotere afstand door de atmosfeer afleggen dan wanneer de zon hoog aan de hemel staat om onze ogen te bereiken. In dit geval wordt violette en blauwe straling meerdere keren in willekeurige richtingen verstrooid en bereikt deze uiteindelijk onze ogen niet. En als er veel stofdeeltjes en smog in die laag van de atmosfeer zitten, dan zal verstrooiing daarop bijdragen aan nog meer roodheid, waardoor prachtige zonsondergangen ontstaan.
