Bílé světlo se v atmosféře nerozpadá jako v duze

Za jasného dne působí obloha jako samozřejmá kulisa. Ve skutečnosti však nevidíte barvu vzduchu: díváte se na sluneční světlo, které atmosféra poslala vaším směrem. Světlo ze Slunce se nám jeví jako bílé, ale obsahuje široké spektrum viditelných barev. Každá odpovídá trochu jiné vlnové délce – vzdálenosti mezi dvěma vrcholy světelné vlny.

Když světlo narazí na kapku vody, může se lámat a rozdělit do barev, jak to známe z duhy. V čisté atmosféře se děje něco jiného. Molekuly plynů, hlavně dusíku a kyslíku, jsou proti vlnové délce viditelného světla velmi malé. Světlo na nich nemění barvu ani se neztrácí; část jeho paprsků se jen odkloní do různých směrů. Tomu se říká Rayleighův rozptyl.

Právě díky němu k vám modré světlo nepřichází pouze přímo od Slunce. Přilétá také z velké části oblohy, kam bylo po cestě rozptýleno molekulami vzduchu. Kdyby atmosféra téměř neexistovala, podobně jako na Měsíci, nebylo by co sluneční světlo tímto způsobem rozesílat a denní nebe by bylo černé.

Krátké vlny mají v rozptylu výhodu

Rayleighův rozptyl není pro všechny barvy stejně silný. Kratší vlnové délky se rozptylují ochotněji než delší. Na červeném konci viditelného spektra jsou vlny delší, na modrém a fialovém kratší. Z tohoto důvodu se do všech stran atmosférou šíří především modrá a fialová složka slunečního světla, zatímco větší podíl červených, oranžových a žlutých vln pokračuje přímočařeji.

Slovo „rozptyl“ zde neznamená, že molekuly světlo pohltí a později vyzáří. Jde o pružnou interakci: světlo změní směr, ale zůstává světlem stejné barvy. To je důležitý rozdíl, protože barvy oblohy nejsou pigmentem rozpuštěným ve vzduchu. Jsou obrazem cesty, kterou sluneční záření absolvovalo mezi Sluncem, atmosférou a vašima očima.

Obloha není modrá sama o sobě; modře k nám přichází rozptýlené sluneční světlo.

Proč tedy nevidíme hlavně fialovou

Zjednodušená věta, že „modrá se rozptyluje nejvíc“, není úplně přesná. Ještě kratší fialové vlnové délky se v čistém vzduchu rozptylují účinněji než modré. Přesto většina lidí za běžného dne vnímá oblohu jako modrou.

Odpověď leží na rozhraní fyziky a biologie. Do oka přichází směs rozptýleného modrého i fialového světla. Lidský zrak je však pro fialovou složku méně citlivý než pro modrou. Část fialového záření navíc pohlcují vrstvy atmosféry ve vyšších výškách. Výsledný vjem proto není čistě fialový, nýbrž modrý v mnoha odstínech.

Je to užitečná připomínka, že barva není vlastnost světla oddělená od pozorovatele. Fyzikální měření popíše, jaké vlnové délky dorazily do oka. Teprve nervová soustava z nich vytváří barevný prožitek. Jiný zrakový systém by mohl tutéž oblohu vnímat jinak.

Bledý horizont a bílé mraky mají jiný původ

Modrá nebývá všude stejně sytá. Nad hlavou může být za jasného dne hlubší, u horizontu často přechází do světle modré či téměř bílé. Při pohledu nízko nad zemí prochází světlo delší vrstvou atmosféry. Prodělá více rozptylů a jednotlivé barevné složky se ve výsledku více promíchají.

Roli hrají také aerosoly: drobné pevné částice nebo kapičky rozptýlené ve vzduchu. Patří k nim například:

  • mořská sůl,
  • prach,
  • kouř
  • či jemné kapky.

Jsou větší než molekuly plynů a rozptylují světlo jiným způsobem, méně vybíravě podle barvy. Proto mohou oblohu zesvětlovat až do bělavého závoje. Podobně se vysvětluje bílý či šedý vzhled mraků: jejich kapky a ledové částice posílají do očí směs mnoha viditelných barev.

Nelze proto určit kvalitu ovzduší jen podle odstínu oblohy. Barvu současně ovlivňuje poloha Slunce, vlhkost, oblačnost, množství i druh částic a také to, kterým směrem se díváte.

Západ Slunce ukazuje tentýž děj z opačné strany

Když je Slunce nízko, jeho paprsky putují atmosférou mnohem delší trasou než v poledne. Po cestě se z přímého slunečního svazku rozptýlí velká část kratších modrých a fialových vln. K pozorovateli se proto snadněji dostávají delší vlnové délky, které vnímáme jako žlutou, oranžovou a červenou.

Výraznost západu ale nelze vysvětlit jediným pravidlem. Větší částice a aerosoly rozptylují světlo odlišně od samotných molekul vzduchu, takže mohou barevnou podívanou změnit a zesílit. To neznamená, že každý sytě červený západ automaticky vypovídá o jedné konkrétní příčině v ovzduší.

Modré polední nebe a teplý večerní horizont tedy nejsou dva nezávislé jevy. Jsou to dvě podoby téhož příběhu: světlo se při cestě atmosférou rozděluje podle vlnových délek a délka jeho cesty rozhoduje, které barvy nakonec převládnou ve vašem pohledu.