Perquè el cel és blau

i els núvols són blancs?

Els colors del cel

Posted by Costa M. a 6 Març 2009


Trobo que ja seria hora que contestés les preguntes que donen títol al BloG, ja que potser algú ha entrat al bloc perquè volia respostes i la meva intenció no és altra que intentar trobar-les; tot hi que a vegades en la búsqueda de respostes, pel camí, se te’n plantegen moltes més!!

Doncs bé, primerament dir que no és cert que el cel sigui blau (com??); el que si que és veritat és que el cel normalment es veu blau de dia (ahh!).

Per entendre els colors del cel és imprescindible primer definir què entenem quan parlem del cel. El cel és l’espai visible des de la Terra quan es mira en direcció oposada a aquesta.

  • En astronomia cel és sinònim d’esfera celestial: una volta imaginària sobre la qual es distribueixen el Sol, els estels, els planetes i la Lluna. L’esfera celestial es divideix en regions denominades constel·lacions.

  • En meteorologia el terme cel fa referència a la zona gasosa més densa de l’atmosfera d’un planeta.

I la següent definició indispensable que cal fer és la de la llum. La llum és la porció de l’espectre electromagnètic visible per l’ull humà. La llum del Sol es produeix quan crema o fusiona l’hidrogen en heli, i lliura bona part d’aquesta energia emetent radiació electromagnètica d’una determinada freqüència visible per la nostra retina, una franja estreta d’ones que conté les freqüències que van dels 460Hz del color roig, fins als 710Hz que té el color violeta.

espectre
Espectre electromagnètic

La llum solar que ens dona claredat per poder percebre les coses, la qual és blanca, és en realitat un conjunt d’ones electromagnètiques, les quals es poden separar en els set colors de l’arc de sant Martí amb un prisma, per exemple, però que la retina és incapaç de separar. Per aquest motiu la ciència ho anomena llum integrada o espectre lluminós, integrada per aquests set colors de diferent freqüència i longitud d’ona, és a dir, del roig fins al violeta.

La llum blanca travessa un prisma triangular (també anomenat "Prisma de Goethe") i és dispersada en els colors de l'espectre visible.
La llum blanca travessa un prisma triangular (també anomenat “Prisma de Goethe”) i és dispersada en els colors de l’espectre visible.

A més, se sap que tota la llum es propaga a una velocitat finita. Fins i tot els observadors en moviment uniforme mesuren sempre el mateix valor de c, la velocitat de la llum en el buit, com c = 299.792.458 m/s; de tota manera, quan la llum passa a través d’un medi transparent com aire, aigua o vidre, la seva velocitat es redueix, i pateix refracció.

Així dons, ara ja podem centrar-nos en contestar la pregunta,

Durant el dia

El Sol emet ones de llum (fotons) que arriben a la Terra al cap de vuit minuts viatjant a la velocitat de 299.792 km/s, quan aquestes ones topen amb la nostra atmosfera gasosa, no els queda més remei que interaccionar. La raó no és altra que l’atmosfera està composta per molta densitat d’àtoms i molècules lleugeres, com nitrogen, oxigen, diòxid de carboni, vapor d’aigua i ozó. Totes aquestes partícules tenen una dimensió atòmica més menuda que la pròpia longitud d’ona de la llum (0,00005 cm), per això, quan la llum solar, o ones de radiació electromagnètica visible, creuen l’atmosfera, estan obligades a interaccionar amb aquestes partícules diminutes.

La difusió de Rayleigh és la dispersió de llum per partícules molt més petites que la longitud d’ona de la llum. Es produeix quan la llum es propaga per medis sòlids i líquids transparents, però és molt més apreciable en els gasos. La difusió de Rayleigh de la llum solar per les partícules de l’atmosfera terrestre és una de les raons principals del color blau del cel.

La quantitat de difusió de Rayleigh que pateix un feix de llum depèn de la grandària de les partícules difusores i de la longitud d’ona de la llum. En concret, el coeficient de difusió i, per tant, la intensitat de la llum difosa, depèn inversament de la quarta potència de la longitud d’ona, relació coneguda com a «llei de Rayleigh» (~ 1/λ4). La difusió per part de partícules de grandària superior a un desè de la longitud d’ona es comporta de forma diferent i s’explica amb l’anomenada difusió de Mie, que és una explicació més general de la difusió de radiació electromagnètica.

La forta dependència de la difusió amb la longitud d’ona (~1/λ-4) significa que a l’atmosfera la llum blava es difon molt més que la vermella. Això provoca que quan la llum del Sol travessa l’atmosfera la component blava es difongui molt més i d’aquesta manera hom veu llum blava de totes direccions, mentre que la part més vermella només es veu en la direcció directa del Sol.

Cal remarcar, però, que la teoria de Rayleigh es desenvolupà abans de la mecànica quàntica i, per tant, no es basa en les teories més correctes de la interacció radiació-matèria; nogensmenys, la teoria de Rayleigh és una bona aproximació a la forma en què la llum és difosa per partícules molt més petites que la longitud d’ona de la llum.

Per acabar de complicar més un fet tan obvi com que el cel és blau val a dir que de fet, la difusió de Rayleigh indica que el cel hauria de veure’s violeta. A més, la llei del cos negre afirma que la radiació del Sol és més important en el domini del violeta (i més encara per l’ultravioleta, encara que l’ultravioleta queda filtrat per la capa d’ozó), que per al blau. No obstant això, l’ull humà en visió fotòpica presenta un pic de sensibilitat al voltant del verd (longitud d’ona 555 nm), mentre que la sensibilitat al violeta és 100 vegades més feble. El desfàs vers el verd condueix a veure un cel blau

dispersio

 

Durant la posta i sortida del Sol

A l’alba i al capvespre, els raigs incideixen sobre l’atmosfera de forma obliqua, i han de travessar més aire. Això fa que s’arribin a dispersar els colors taronges i vermells, i que en conseqüència el cel adquireixi els espectaculars colors propis del crepuscle. A més, quan el nombre de partícules suspeses en l’aire és major, com quan hi ha molta pols o pol·lució, els colors del cel tendeixen a mostrar els tons vermells i taronges.  

Sortida de Sol al Delta de l'Ebre. Autor: Josep Torta
Sortida de Sol al Delta de l’Ebre. Autor: Josep Torta

Posta de Sol a Santa Margarida. Autor: Carles Costa Cortizo
Posta de Sol a Santa Margarida. Autor: Carles Costa Cortizo

  

Durant la nit

A la nit es veu el cel extremadament fosc, es podria dir, fins i tot, negre. Aquest fenomen és degut a que arriba molt poca llum, només reflectida per la Lluna i les estrelles, que no arriben a il·luminar la superfície terrestre. 

Cel de nit. Autora: Octarina8 (http://flickr.com/photos/octarina8/2143450511/)
Cel de nit. Autora: Octarina8 (http://flickr.com/photos/octarina8/2143450511/)

Pròximament, em comprometo a dedicar una entrada a la problemàtica de la contaminació lumínica nocturna, ja que té moltes més repercussions de les que es veuen a simple vista. Mentrestant, si us interessa molt el tema podeu consultar més informació a la web de l’associació “CEL FOSC”: http://www.celfosc.org/

 

Els núvols: a vegades blancs i a vegades foscos?

La Teoria de Mie, és una solució completament analítica a las equacions de Maxwell per la dispersió de la radiació electromagnètica per partícules esfèriques. Aquesta teoria es molt important en òptica meteorològica, ja que permet calcular la dispersió de llum per part dels núvols.  

Autor: "Bellmunt" (Roda de Ter, font: “elmeu3cat24”)
Autor: “Bellmunt” (Roda de Ter, font: “elmeu3cat24”)

Si la llum interactua amb una partícula gran (com per exemple, partícules d’aigua), no es genera dispersió de Rayleigh ja que la mida d’aquestes partícules no ho permet, de totes maneres aquestes partícules absorbeixen una part de la llum i en reflecteixen una altra part. El color de la llum que reflecteixen depèn directament de la composició química de la partícula reflectant, aquest efecte es coneix amb el nom de difusió de Mie.

Els núvols blancs són un exemple d’aquest efecte, on les gotes d’aigua incolores dispersen la llum en totes direccions, gairebé sense alterar el seu color.

Quan la difusió de Mie te lloc de manera massiva, les partícules difusores no son calorejades, el que fa que s’atenuï la llum blanca cap a colors més grisosos o foscos. Aquest efecte es veu en dies ennuvolats quan els núvols són gruixuts, mostrant colors grisos.

 

I finalment, aquí us deixo una pregunta molt fàcil…

Amb tota l’explicació que us he fet, sabrieu dir perquè el cel a les muntanyes elevades és menys lluminós i en canvi és d’un blau molt més profund?

everest-lhotse08a1everest1

(no cal que us digui que podeu deixar les vostres respostes als comentaris)

4 Respostes to “Els colors del cel”

  1. Salvador said

    Mol bé per l’explicació, amplia i detallada.

    M’apunto a participar i a respondre la pregunta. Quan més amunt estem, la capa d’aire que tenim per sobre és més prima i, per tant, ens arriba menys llum dispersada. Per aquest motiu conforme anem pujant, el cel es va enfosquin i quan sortim de l’atmosfera és negre.

  2. Costa M. said

    Molt bé Salvador!!

    M’alegro que finalment algú s’hagi atrevit a contestar a la pregunta!! Veig que el blog té moltes visites però sou pocs els que feu comentaris o contesteu les qüestions plantejades… potser m’hauré de plantejar algun premi pel primer/a que endevini els “enigmes”, o algo per l’estil…

    Per cert, aprofito per dir-vos que si teniu ganes de plantejar algun tema de discussió o proposar algun tema concret per a fer una nova entrada, no dubteu en escriure’m o deixar el vostre comentari🙂

    Fins aviat.

  3. Marcos Pradas said

    Molt bé Montse, com t’ho curres el teu blog. El meu és més rotllo, però m’has ensenyat la lliçó; així que et dóno les gràcies

    Jo també jugaré: responent a la teva pregunta, en les zones altes, la quantitat d’atmosfera atravessada és menys gruixa, i la densitat de l’aire és molt més petita. La dispersió Rayleigh en conseqüència és menor a l’alta muntanya, i la tonalitat de blau és menor i el cel més fosc alhora.

    És una de les raons per les que m’agrada pujar a l’alta muntanya. Per cert, jo també estic parlant dels mateixos temes a: http://antarct.wordpress.com/

    Records.

  4. Costa M. said

    Moltes gràcies Marcos pels teus comentaris!

    Certament, a molta gent li agrada anar a la muntanya perquè els colors allà són diferents i els inspiren sensacions especials.

    Ara mateix vaig a visitar el teu blog!!

    Ens veiem!

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s

 
%d bloggers like this: