Modrá obloha u moře: proč je nebe i mořská hladina modrá

Při pohledu na blankytnou oblohu si většina lidí vzpomene, že za její barvu může Rayleighův rozptyl slunečního světla. V případě modrého moře však mnozí předpokládají, že jde o stejný jev, nebo pouze o zrcadlení modré oblohy. Ve skutečnosti k modré barvě vody významně přispívá ještě jeden zásadně odlišný optický jev: absorpce červeného světla.

Nad Zemí není žádný modrý objekt, který bychom viděli. Modrá barva denní oblohy je dána zemskou atmosférou. Kdyby Země neměla atmosféru, byla by obloha černá.

Proč je obloha modrá

Za modrou oblohu vděčíme rozptýlenému světlu ze Slunce. Sluneční světlo se skládá z mnoha barev a rozptyluje se v naší atmosféře. Modrá má krátkou vlnovou délku a rozptyluje se tedy více než ostatní barvy, proto je nejvíce vidět.

Rozptyl světla nastává, kdykoli světlo prochází prostředím s optickými nehomogenitami, jako jsou například molekuly plynů, prachová zrnka nebo kapičky mlhy. Rozptýlené světlo se pak šíří také v jiných směrech než původní paprsky světla, přičemž jeho intenzita i směrové rozložení silně závisí na indexu lomu a velikosti rozptylujících částic.

V roce 1871 tehdy jen devětadvacetiletý John William Strutt, později známý jako Lord Rayleigh, publikoval práci popisující vliv velmi malých částic na světlo procházející plynným prostředím. Ukázal v ní, že pro částice mnohem menší než vlnová délka platí, že rozptylují světlo s účinností úměrnou převrácené hodnotě čtvrté mocniny jeho vlnové délky, tedy 1/λ⁴.

Krátkovlnné modré světlo se proto v atmosféře rozptyluje mnohem účinněji než dlouhovlnné červené světlo. Rozptyl nenastává na modrém předmětu na obloze, ale na částicích a změnách optických vlastností prostředí, jimiž sluneční světlo prochází.

Atmosféra jako prostředí pro rozptyl

Rayleigh nejprve považoval za příčinu modré oblohy blíže neurčené malé suspendované částice, buď tuhé, nebo kapalné. Inspirován korespondencí s tvůrcem elektromagnetické teorie světla J. C. Maxwellem nakonec zjistil, že pravou příčinou je rozptyl světla způsobený molekulami kyslíku a dusíku, které jsou hlavními složkami atmosféry.

Průkopnické Rayleighovy práce nedaly uspokojivou odpověď na otázku, proč se navzájem nevyruší vlny rozptýleného světla pocházející od jednotlivých molekul rovnoměrně rozptýlených v prostoru.

Jím předpovězenou závislost rozptylu světla ve vzduchu na 1/λ⁴ však v roce 1910 definitivně potvrdil Albert Einstein teorií šíření elektromagnetických vln v plynech s mikroskopickými prostorovými fluktuacemi hustoty, a tím také indexu lomu, k nimž vede Brownův pohyb molekul.

Nepřímo tak podpořil intuitivní Rayleighovu hypotézu, že reálně pozorované sčítání všech příspěvků světla rozptýleného jednotlivými molekulami je možné díky jejich nekoordinovanému nahodilému pohybu.

Proč obloha není fialová

Fiktivní spektrum rozptýleného slunečního světla získáme vynásobením spektra slunečního světla převrácenou hodnotou λ⁴. V tomto spektru má největší intenzitu úzká fialová komponenta o vlnové délce 400 až 430 nm. Nabízí se proto otázka, proč obloha nemá fialovou barvu.

Hlavní roli v tom hraje trichromatický charakter našeho vnímání barev, který spočívá v současném dráždění tří druhů čípků citlivých na modrou, zelenou a červenou barvu.

Naše barevné vjemy jsou určeny poměrem relativních velikostí signálů produkovaných třemi druhy čípků. Na tom je založen kolorimetrický popis barev vznikajících aditivním skládáním příspěvků červené, zelené a modré barvy, stejně jako RGB systémy reprodukce barev na různých displejích.

Fialová a modrá jsou dvě spektrálně velmi blízká monochromatická světla. Dokážeme je vnímat jako různě barevná díky krátkovlnnému chvostu na křivce citlivosti červených čípků, který se překrývá se spektrální citlivostí modrých čípků.

Na rozdíl od čistě modrého světla fialové světlo excituje současně modré i červené čípky. Proto při aditivním míchání modrého a červeného světla vidíme fialovou barvu.

Sluneční světlo rozptýlené oblohou však vedle fialové, modré a červené obsahuje také relativně velký podíl zeleného záření. Zelená spolu s modrou a červenou namíchá známý blankytně modrý tón oblohy.

Jak se mění modř oblohy

Obloha nevypadá úplně stejně v každém směru. Blízko obzoru je jasnější než v zenitu, ale zároveň méně sytá.

Při pohledu k obzoru vidíme rozptýlené sluneční světlo, které pochází od molekul nacházejících se v mnohem silnější vrstvě atmosféry než při pohledu do zenitu. Většímu počtu molekul rozptylujících sluneční světlo odpovídá větší jas oblohy v blízkosti horizontu.

S délkou dráhy rozptýleného světla od místa vzniku k pozorovateli dochází k jeho opakovanému rozptylu dalšími molekulami vzduchu, a tím ke snížení intenzity pozorovaného rozptýleného světla.

Obě teorie rozptylu světla také ukazují, že intenzita rozptýleného světla je úměrná celkovému počtu molekul interagujících se slunečním zářením. Ve velkých nadmořských výškách s klesající tloušťkou a hustotou atmosféry nad hlavou proto obloha tmavne a její modrá barva působí sytějším dojmem.

Když atmosféra zcela chybí, jako například na Měsíci, obloha zčerná.

Vliv prachu, mlhy a znečištění

Pokud je přízemní vrstva atmosféry, tedy troposféra, znečištěná, k molekulárnímu Rayleighovu rozptylu slunečního světla se přidá ještě Mieův rozptyl. K němu dochází při interakci světla s částicemi pevných nebo kapalných aerosolů o různých velikostech.

Jsou-li jejich rozměry několikanásobně větší než vlnová délka, intenzita rozptylu světla na nich téměř nezávisí. Dobře to ilustruje bílá barva oblaků tvořených kapičkami vodní mlhy.

Aerosoly rozptylující sluneční záření ve znečištěné troposféře se proto mohou značnou měrou podílet na pastelovém tónu modré oblohy v blízkosti obzoru. Během delších období letního sucha se často jedná o polétavý prach, který se navíc stává zdrojem rozptýleného světla snižujícího sytost modré barvy oblohy ve všech směrech pozorování.

Bělavé zabarvení oblohy vzniká na větších částicích, například na drobném prachu, vodních kapénkách, ledových krystalcích, částicích smogu a kouře.

Polarizace oblohy

Další významnou vlastností denní oblohy je částečná polarizace rozptýleného světla. Znamená to, že světlo má při vhodně zvolených navzájem kolmých orientacích elektrického pole světelných vln rozdílnou intenzitu.

Orientace i stupeň polarizace závisí poměrně komplikovaným způsobem na poloze Slunce a směru pozorování.

Částečná polarizace se týká pouze světla rozptýleného molekulami vzduchu. V bílých mracích tvořených hustou mlhou dochází k opakovanému Mieovu rozptylu tolikrát, že světlo z nich vycházející je prakticky nepolarizované.

Toho využívají fotografové ke zvýraznění oblaků pomocí polarizačního filtru, kterým redukují intenzitu polarizovaného záření okolní modré oblohy.

Modré hory a vzdušná perspektiva

Rozptyl slunečního záření v masách vzduchu před vzdálenými horami jim dává namodralé zbarvení, známé už od časů Leonarda da Vinciho jako vzdušná perspektiva.

Vzduch mezi pozorovatelem a vzdáleným objektem obsahuje molekuly a drobné částice, které rozptylují část světla. Čím delší je dráha světla atmosférou, tím výrazněji se do pozorovaného obrazu přidává namodralé rozptýlené světlo.

Proč je obloha při východu a západu slunce červená

Při východu nebo západu slunce musí sluneční paprsky urazit v atmosféře mnohem delší dráhu než v poledne. Rayleighovým rozptylem proto ztratí velkou část energie z fialové až modrozelené části spektra.

Večer a ráno, kdy sluneční paprsky procházejí atmosférou šikmo a jejich dráha v atmosféře je dlouhá, se výrazněji rozptyluje také světlo žluté, červené a oranžové. Proto se Slunce jeví ráno a večer v teplejších odstínech.

Modrá hodinka a soumrak

Charakter modré barvy oblohy za soumraku a svítání je trochu jiný než ve dne. Přibližně jde o dobu, během které se střed slunečního disku ještě nenachází více než 6° pod obzorem.

Občanský soumrak v našich zeměpisných šířkách trvá podle roční doby 35 až 45 minut.

Sluneční paprsky během této doby mohou osvítit jen horní vrstvy atmosféry, jejichž vzdálenost od zemského povrchu roste se zvětšující se hloubkou Slunce pod obzorem. Obloha vyzařující rozptýlené světlo tím pozvolna tmavne a její modrá barva se stává výrazně sytější než blankyt denní oblohy.

Fotografové vyhledávající zajímavě osvětlené scenérie proto mluví o modré hodince.

Za tento modrý efekt může ozón, který vedle ultrafialového záření absorbuje také viditelné světlo. Ač je ozónová absorpce viditelného světla poměrně slabá, dokáže na dlouhé dráze zpod obzoru až ke stratosféře dostatečně potlačit oranžovo-červenou složku slunečních paprsků. Ta pak chybí v rozptýleném světle přicházejícím z oblohy.

Proč je moře modré

Při výkladu modré barvy vody si nejprve musíme uvědomit, že kapalná voda se od plynného vzduchu výrazně liší velkou hustotou molekul.

Rayleighův rozptyl lze díky tomu pozorovat už tehdy, když se tloušťka vodní vrstvy blíží deseti metrům, zatímco v atmosféře jde o dráhy slunečních paprsků dlouhé až několik desítek kilometrů.

Pokud by barva jezer a moří závisela pouze na molekulárním rozptylu, musela by být stejně blankytná jako barva jasné oblohy. Modrá barva vody však souvisí také s absorpcí červeného světla.

Jde o raritní optický jev spojený s excitacemi vícekvantových stavů vibrací atomů v molekulách vody, neboť všechny známé barevné látky vděčí za své barvy excitacím elektronových stavů.

Ve srovnání s jinými absorpčními vlastnostmi je vodní absorpce červeného světla velmi slabá. Dostatečně významně se projeví až při značné tloušťce absorbujícího prostředí, s níž exponenciálně klesá intenzita prošlého neabsorbovaného světla.

Zatímco voda ve sklenici se jeví jako dokonale bezbarvá, v čistém moři pronikne do hloubky kolem 20 metrů pouze 1 % intenzity červené složky slunečního světla.

Díky absorpci červeného světla s rostoucí hloubkou rychle začíná v osvětlení podvodní scény převládat doplňková modrá barva.

Modrá barva se nakonec projeví i v barvě vodní hladiny, která vyzařuje rozptýlené světlo složené z příspěvků pocházejících ze všech vrstev vodního sloupce prozářeného slunečními paprsky. Při dostatečné hloubce vody se do pozorovaného světla dostávají také příspěvky z vrstev, do nichž proniklo už jen modré světlo.

Nejsytější, až inkoustově modrou barvu vodní hladiny, která se zřetelně liší od blankytu oblohy, můžeme spatřit nad hlubokými vodami za jasných slunečních dnů.

Moře není modré pouze kvůli odrazu oblohy

Skutečnou pozorovanou barvu vody v mořích, jezerech a řekách často ovlivňuje řada dalších faktorů: zrcadlení oblohy, hloubka vody, viditelnost dna a zakalení.

Při zamračené obloze může barva mořské hladiny získat ocelově šedomodrý tón díky zrcadlení oblohy.

Bez přímých slunečních paprsků totiž proniká pod vodní hladinu pouze mnohem slabší difuzní světlo ze šedivých mraků. Z něj nemůže vzniknout modré rozptýlené světlo dost intenzivní na to, aby přezářilo světlo odražené od hladiny.

Zrcadlení oblohy tedy může vzhled moře významně ovlivnit, zejména při zatažené obloze, samo však nevysvětluje modrou barvu hluboké vody za jasného dne.

Hloubka, dno a pobřežní vody

Intenzita modrého rozptýleného světla klesá s hloubkou vody. K němu se navíc může přidat světlo odražené ode dna.

Proto barvu mořských mělčin silně ovlivňuje barva písku a podvodních rostlin. Mělká voda tak může být tyrkysová, zelenomodrá nebo světlá, zatímco hluboká voda za jasného počasí působí sytě modře až inkoustově.

Velmi působivé je také modré rozptýlené světlo pronikající do pobřežních jeskyní otvory pod vodou.

Jak zakalení mění barvu vody

Barva kalných vod závisí na koncentraci a optických vlastnostech suspendovaných částic minerálních látek, mikroorganismů a planktonu.

Výsledkem může být šedozelená barva moří způsobená rozptylem světla ve vodě mírně zakalené fytoplanktonem nebo jemným pískem.

Hnědá barva řek po deštích vzniká vlivem částic unášených vodou.

Ledovcové řeky jsou tyrkysově zelené díky rozptylu světla submikronovými zrnky kamenné mouky, kterou unášejí.

Zelené rybníky jsou plné řas a sinic. Červeně zbarvený slanomilný plankton je zase příčinou exotické růžové barvy salin nacházejících se například v Mexiku.

Historie vysvětlení modré oblohy

Často se mylně tvrdí, že o příčině blankytné barvy bezoblačné oblohy spekuloval už Aristoteles. Jedním z nejznámějších myslitelů, kteří se tímto problémem určitě zabývali, byl Leonardo da Vinci.

Leonardo si uvědomil možnou souvislost mezi nebeskou modří a namodralým zabarvením různých kouřů a mlh. Jejich modrou barvu přisoudil odrazu světla od řídkých částic mlžného oparu.

Dalších sto let po něm nepřišel na lepší vysvětlení ani Isaac Newton, který už na rozdíl od Leonarda věděl, že bílé světlo se skládá z komponent různých barev.

V úvodním projevu zahajujícím zasedání American Physical Society v roce 1908 řekl její tehdejší předseda Edward Nichols, že studium modré oblohy je již jen mrtvou minulostí.

Desítky vědeckých prací věnovaných světlu rozptýlenému oblohou i jeho absorpci v mořských vodách, které byly publikovány v uplynulých třech desetiletích, však naznačují, jak ošidná někdy mohou být proroctví budoucího vývoje vědy.

Současný zájem o tyto optické jevy souvisí například s rozvojem solární energetiky a se zdokonalováním metod počítačové grafiky, konkrétně s fyzikálně věrným vykreslováním oblohy a vody v počítačem generovaných obrazech.

tags: #modra #obloha #u #more