V průběhu historie lidé pociťovali hluboký obdiv k obloze, a to nejen během kontemplativních nocí, které vyvolávají existenciální úvahy, ale také během denního světla, kdy představuje živé spektrum barev. V určitém okamžiku našeho života jsme všichni přemýšleli, proč se nebe jeví jako modré nebo proč se při západu slunce mění na oranžové a červené tóny. Tuto otázku původně rozřešil lord Rayleigh, známý také jako John William Strutt, matematik, který tento objev učinil koncem 19. století.
V tomto článku vám vysvětlíme Rayleighův efekt, jeho vlastnosti a proč je nebe modré.
Rayleighův efekt
Slunce vyzařuje širokou škálu elektromagnetického záření, včetně viditelného světla, běžně známého jako bílé světlo. Zajímavé je, že bílé světlo je ve skutečnosti kombinací všech barev duhy, přičemž fialová je vlnová délka nejkratší a červená nejdelší. Tak jako Sluneční světlo prochází atmosférou a interaguje s různými látkami, jako jsou plyny, pevné částice a molekuly vody. Když jsou tyto částice menší než desetina mikrometru, způsobují rozptyl bílého světla do všech směrů s větším důrazem na modré světlo.
Tuto preferenci modrého světla lze vysvětlit disperzním koeficientem, který se vypočítá pomocí vzorce 1/λ4, kde λ představuje vlnovou délku. Protože fialové a modré světlo mají nejkratší vlnové délky ve viditelném spektru, produkují nejvyšší kvocient, když jsou dosazeny do vzorce, což je . Tento jev je běžně známý jako Rayleighův rozptyl.
V důsledku toho se rozptýlené paprsky protnou s částicemi plynu, které fungují jako odrazný povrch, což způsobí, že se znovu ohýbají a zesilují svou sílu.
Proč je nebe modré?
Vzhledem k výše uvedeným informacím by se dalo očekávat, že obloha bude vypadat fialově místo modře kvůli kratší vlnové délce. To však není tento případ, protože lidské oko není příliš citlivé na fialovou barvu. Kromě, Viditelné světlo ve skutečnosti obsahuje vyšší podíl modrého vlnového záření než fialové.
V případech, kdy částice svou velikostí přesahují vlnovou délku, nedochází k rozdílnému rozptylu. Místo toho jsou všechny složky bílého světla rovnoměrně rozptýleny. Tento jev vysvětluje bílý vzhled mraků, protože kapičky vody, které je tvoří, přesahují desetinu mikrometru v průměru. Když se však tyto vodní kapky hustě zhutní, světlo jimi nemůže projít, což má za následek našedlý vzhled spojený s rozsáhlou oblačností.
Je však třeba uznat, že obloha si neudrží stálý modrý odstín. V důsledku toho fenomén Rayleighova rozptylu plně nevysvětluje přítomnost různých odstínů červené při východu a západu slunce. Pro tuto skutečnost však existuje vysvětlení.
Jak Slunce zapadá a vstupuje do fáze soumraku, jeho poloha na obzoru způsobí, že světlo urazí větší vzdálenost, než se k nám dostane, a již není kolmé. Tato změna úhlu má za následek nižší dopad, což způsobuje, že se modré světlo rozptyluje dříve, než dosáhne našich očí. Místo toho, . Je důležité poznamenat, že Rayleighův rozptyl se nadále vyskytuje, ale na jiném místě v atmosféře, než kde je Slunce na svém zenitu.
historie
V průběhu historie nebe přitahovalo naši pozornost jak ve dne, tak v noci. Sloužil jako plátno pro naši fantazii k putování. Přirozeně, zvědavost a vědecký výzkum nebyly vyjmuty z této fascinace. Stejně jako u jiných každodenních jevů, jako je měnící se barva listů nebo původ deště, se badatelé snažili odhalit záhady oblohy. Spíše než snižovat jeho mystickou přitažlivost, jeho objevy pouze prohloubily naše porozumění a obdiv.
Během svých infračervených experimentů v roce 1869 Rayleigh narazil na neočekávané zjištění: světlo rozptýlené drobnými částicemi mělo jemný modrý nádech. To ho vedlo ke spekulacím, že podobný rozptyl slunečního světla je zodpovědný za modrou barvu oblohy. Nedokázal však plně vysvětlit, proč bylo preferováno modré světlo nebo proč je barva oblohy tak intenzivní, přičemž jako jediné vysvětlení vyloučil atmosférický prach.
Jeho průlomová práce o barvě a polarizaci světla z oblohy byla publikována v roce 1871. Jeho cílem bylo změřit Tyndallův jev ve vodních kapkách kvantifikací přítomnosti malých částic a jejich indexů lomu. Na základě dřívějšího důkazu Jamese Clerka Maxwella o elektromagnetické povaze světla Rayleigh v roce 1881 ukázal, že jeho rovnice vycházejí z elektromagnetismu. Rozšířením svých poznatků v roce 1899 rozšířil aplikaci na jednotlivé molekuly a nahradil termíny týkající se objemů částic a indexů lomu termíny molekulární polarizace.
Disperze v porézních materiálech
Porézní materiály mají schopnost vykazovat rozptyl Rayleighova typu, který sleduje vzor rozptylu λ-4. Tento jev je zvláště patrný u nanoporézních materiálů, kde existuje významný kontrast v indexu lomu mezi póry a pevnými částmi slinutého oxidu hlinitého. V důsledku toho rozptyl světla se stává neuvěřitelně intenzivní, což způsobuje, že mění směr přibližně každých pět mikrometrů.
Toto pozoruhodné disperzní chování je přičítáno jedinečné nanoporézní struktuře dosažené procesem slinování, který zahrnuje použití monodisperzního prášku oxidu hlinitého k vytvoření úzké distribuce velikostí pórů, typicky kolem 70 nm.
