Egy egyszerű kérdés – vagy talán nem is?

Miért kék az ég?
Ezt a látszólag egyszerű kérdést tette fel az egyik csoporttársam hétfőn reggel professzorunknak. Sokan elcsodálkoztunk, hogy hogyan is lehet már ilyet kérdezni, hiszen már nem az óvodában vagyunk. Te tudod a választ? Jobban belegondolva én sem tudtam a pontos választ. Biztosan kitaláltam volna valamit, de itt már egyetemistáknak kell megfelelni és nem a 6 éves Petikének. Professzorunk is habozott egy kicsit, de a szünet után hozott egy vastag könyvet, kiírt belőle egy képletet és elmondta. Tudniillik, épp egy alkalmazott optika neveztű órán ültünk, mint minden hétfőn reggel 9-től 1-ig. A professzorunk pedig egy már 70 év körüli bácsika, akinek a neve rá se fér talán egy sorban a táblára, de amúgy nagyon szeretetre méltó.

Az ég a Rayleigh-féle fényszórás miatt kék. Ez egy nagyon szép intellektuális válasz, de mit is jelent? Ebből a mondatból azt hiszem mindenki számára csak az ég világos, esetleg, hogy kék de a többi biztosan nem (elnézést, ha valakit most megsértettem :). Nah szóval. Eleve már a kérdés is rosszul van föltéve sajnos. Inkább úgy kellene kérdezni, hogy miért is látjuk kéknek az eget? Kék szín valójában nincs, mint egyáltalán semmiféle más szín sincs a valóságban. Amit színnek mondunk, az nem más, mint elektromágneses rezgés, amelyet a szemünk érzékel és annak eredményét mondjuk mi színnek.

Most ha már megtaláltuk a megfelelő kérdést és legalább már a kérdést mindannyian értjük, akkor keressünk egy olyan választ, amit szintén megértünk. Nem kell most itt elszomorodni, már a régi görögök is találgattak, de mégis, elfogadható választ -számításokkal bizonyítva - csak Einstein adott, kb. 100 évvel ezelőtt. Ebből is látszik, hogy nem is olyan triviális ez a kérdés. Az ég a Rayleigh-féle fényszórás miatt kék. Folytassuk hát tovább a megismerést, vagy legalábbis értelmezzük tovább ezt a választ. Fényszórás. Hogy mi is az? A magyar wikipédia ezt mondja:

Fényszórásról beszélünk, ha egy részecske a rá eső fény hatására időbeli késleltetés nélkül maga is fényt bocsát ki (szekunder sugárzás), a beeső fénytől (primer sugárzás) eltérő irányokban. Legegyszerűbb esetben a beeső fény a részecske töltésrendszerében kényszerrezgéseket hoz létre, melynek következtében a részecske (annak atomjai) a beeső fénnyel egyező frekvenciájú fényt bocsát ki. A fény szóródása az optikailag inhomogén közegen való áthaladáskor következik be.

Most megin felmerül rengeteg  “ismeretlen“ szó, amit meg csak értelmezni kellene, de ezt már Rátok hagyom. Folytassuk kicsit egyszerűbben. Itt van a Föld az őt körülölelő légkörével és ott távol valahol a sugarzó Nap. Megvan tehát a fényforrás és az inhomogén közeg is, ahol végbemehet a fényszóródás. A Napból érkező fény "beleütközik" a levegő molekuláiba és minden irányba szétszóródik. Igen, ez még mindig nem válasz arra, hogy miért kék az ég. Itt jön képbe  Rayleigh és a képlet, amit a professzorunk felírt a táblára. Ha a fényt olyan közeg szórja, melyben a részecskék mérete a fény hullámhosszánál is lényegesen kisebb, ezt nevezzük Rayleigh-féle fényszórásnak.

Láthatjuk, hogy a szórt fény intenzitása fordítottan arányos hullámhosszának negyedik hatványával. Ennek következetében a rövidebb hullámhossztartományból, a spektrum látható részének kék végéből fog a legtöbb szóródni – a levegő molekuláiról ebből a színből jut legtöbb a szemünkbe, ezért látjuk az égboltot kék színűnek. Amennyiben a levegőben sok a por és a vizpára, ezek mérete nagy a molekulákhoz és a fény hullámhosszához is képest, így már nem érvényesül az előbbi hatás. A szemcsék nagyjából ugyanannyit szórnak minden hullámhosszból, azaz minden színű fényből, így a színek keverékeként létrejön a fehér árnyalat: és fehéres színt ölt a égbolt. Ha egy adott helyen nagyobb mennyiségű vízpára csoportosul, a róla szóródó erős fehér fény élesen elüt az égi háttértől ezek a felhők.

Remélem most már, ha majd egyszer megkérdezi kisfiad, hogy apa miért is kék az ég, tudni fogod a választ. Persze őt nem kell majd ennyi mindennel terhelned. Mondd majd neki, hogy ez eléggé összetett probléma, sokan nem is tudják a választ, de majd ő egyszer megérti. Addigis legyen elég neki annyi, hogy az égbolt kék színét a légköri fényszóródás okozza. Az égbolt a földi légkör nélkül fekete lenne, csak a Nap és a csillagok látszanának.