Genom historien har människan känt en djup beundran för himlen, inte bara under kontemplativa nätter som framkallar existentiella reflektioner, utan också under dagsljus, när den presenterar ett levande spektrum av färger. Någon gång i våra liv har vi alla undrat varför himlen ser blå ut eller varför den blir orange och röda toner under solnedgången. Denna fråga löstes ursprungligen av Lord Rayleigh, även känd som John William Strutt, en matematiker som gjorde denna upptäckt i slutet av 1800-talet.
I den här artikeln kommer vi att förklara för dig Rayleigh effekt, dess egenskaper och varför himlen är blå.
Rayleigh effekt
Solen avger ett brett spektrum av elektromagnetisk strålning, inklusive synligt ljus, allmänt känt som vitt ljus. Intressant nog är vitt ljus faktiskt en kombination av alla regnbågens färger, där violett är den kortaste våglängden och rött är den längsta. Som Solljus färdas genom atmosfären och interagerar med olika ämnen som gaser, fasta partiklar och vattenmolekyler. När dessa partiklar är mindre än en tiondels mikrometer orsakar de spridning av vitt ljus i alla riktningar, med större tonvikt på blått ljus.
Denna preferens för blått ljus kan förklaras av spridningskoefficienten, som beräknas med formeln 1/λ4, där λ representerar våglängden. Eftersom violett och blått ljus har de kortaste våglängderna i det synliga spektrumet, producerar de den högsta kvoten när de sätts in i formeln, som är . Detta fenomen är allmänt känt som Rayleigh-spridning.
Som ett resultat skärs de spridda strålarna med gaspartiklarna som fungerar som en reflekterande yta, vilket får dem att böjas igen och förstärka sin styrka.
Varför är himlen blå?
Med tanke på informationen som nämns ovan kan man förvänta sig att himlen ska se lila ut istället för blå på grund av dess kortare våglängd. Detta är dock inte fallet eftersom det mänskliga ögat inte är särskilt känsligt för färgen violett. Förutom, Synligt ljus innehåller faktiskt en högre andel blå våglängdsstrålning än violett.
I de fall där partiklar överskrider våglängden i storlek uppstår ingen differentialspridning. Istället är alla komponenter i vitt ljus lika spridda. Detta fenomen förklarar molnens vita utseende, eftersom vattendropparna som utgör dem överstiger en tiondels mikrometer i diameter. Men när dessa vattendroppar blir tätt komprimerade, ljus kan inte passera genom dem, vilket resulterar i ett gråaktigt utseende associerat med omfattande molntäcke.
Det måste dock erkännas att himlen inte upprätthåller en konstant blå nyans. Som ett resultat förklarar fenomenet Rayleigh-spridning inte helt närvaron av olika nyanser av rött under soluppgång och solnedgång. Det finns dock en förklaring till detta faktum.
När solen går ner och går in i skymningsfasen gör dess position vid horisonten att ljuset färdas en längre sträcka för att nå oss och inte längre är vinkelrät. Denna förändring i vinkel resulterar i en lägre infallsvinkel, vilket gör att det blå ljuset sprids innan det når våra ögon. Istället, . Det är viktigt att notera att Rayleigh-spridning fortsätter att förekomma, men på en annan plats i atmosfären än där solen är i zenit.
Historia
Genom historien har himlen fångat vår uppmärksamhet både på dagen och på natten. Det har fungerat som en duk för vår fantasi att vandra. Naturligtvis, nyfikenhet och vetenskaplig forskning har inte varit undantagna från denna fascination. Precis som med andra vardagsfenomen, som lövens skiftande färg eller regnets ursprung, har forskare försökt upptäcka himlens mysterier. Istället för att minska dess mystiska dragningskraft har dess upptäckter bara fördjupat vår förståelse och beundran.
Under sina infraröda experiment 1869, snubblade Rayleigh på ett oväntat fynd: ljuset spritt av små partiklar hade en subtil blå nyans. Detta fick honom att spekulera i att en liknande spridning av solljus var ansvarig för den blå färgen på himlen. Han kunde dock inte helt förklara varför blått ljus föredrogs eller varför himlens färg var så intensiv, vilket uteslöt atmosfäriskt damm som den enda förklaringen.
Hans banbrytande arbete om färgen och polariseringen av ljus från himlen publicerades 1871. Hans mål var att mäta Tyndall-effekten i vattendroppar genom att kvantifiera förekomsten av små partiklar och deras brytningsindex. Byggande på James Clerk Maxwells tidigare bevis på ljusets elektromagnetiska natur, visade Rayleigh 1881 att hans ekvationer följde av elektromagnetism. Han utökade sina upptäckter 1899 och utökade tillämpningen till enskilda molekyler, och ersatte termer som rör partikelvolymer och brytningsindex med termer av molekylär polariserbarhet.
Dispersion i porösa material
Porösa material har förmågan att uppvisa spridning av Rayleigh-typ, som följer ett λ-4 spridningsmönster. Detta fenomen är särskilt uppenbart i nanoporösa material, där det finns en betydande kontrast i brytningsindex mellan porerna och de fasta delarna av sintrad aluminiumoxid. Som ett resultat av detta ljusspridning blir otroligt intensiv, vilket gör att den ändrar riktning ungefär var femte mikrometer.
Detta anmärkningsvärda dispersionsbeteende tillskrivs den unika nanoporösa strukturen som uppnås genom sintringsprocessen, som involverar användning av monodispersivt aluminiumoxidpulver för att skapa en snäv fördelning av porstorlekar, vanligtvis runt 70 nm.
