Gennem historien har mennesker følt en dyb beundring for himlen, ikke kun under kontemplative nætter, der fremkalder eksistentielle refleksioner, men også i dagtimerne, hvor den præsenterer et levende spektrum af farver. På et tidspunkt i vores liv har vi alle undret os over, hvorfor himlen ser blå ud, eller hvorfor den bliver orange og røde toner under solnedgang. Dette spørgsmål blev oprindeligt løst af Lord Rayleigh, også kendt som John William Strutt, en matematiker, der gjorde denne opdagelse i slutningen af det 19. århundrede.
I denne artikel vil vi forklare dig Rayleigh effekt, dens karakteristika og hvorfor himlen er blå.
Rayleigh effekt
Solen udsender en bred vifte af elektromagnetisk stråling, herunder synligt lys, almindeligvis kendt som hvidt lys. Interessant nok er hvidt lys faktisk en kombination af alle regnbuens farver, hvor violet er den korteste bølgelængde og rød er den længste. Som Sollys bevæger sig gennem atmosfæren og interagerer med forskellige stoffer såsom gasser, faste partikler og vandmolekyler. Når disse partikler er mindre end en tiendedel af en mikrometer, forårsager de spredning af hvidt lys i alle retninger, med større vægt på blåt lys.
Denne præference for blåt lys kan forklares med spredningskoefficienten, som beregnes ved hjælp af formlen 1/λ4, hvor λ repræsenterer bølgelængden. Da violet og blåt lys har de korteste bølgelængder i det synlige spektrum, producerer de den højeste kvotient, når de substitueres i formlen, som er . Dette fænomen er almindeligvis kendt som Rayleigh-spredning.
Som et resultat skærer de spredte stråler sig med gaspartiklerne, der fungerer som en reflekterende overflade, hvilket får dem til at bøje sig igen og forstærke deres styrke.
Hvorfor er himlen blå?
I betragtning af de oplysninger, der er nævnt ovenfor, kan man forvente, at himlen ser lilla ud i stedet for blå på grund af dens kortere bølgelængde. Dette er dog ikke tilfældet, fordi det menneskelige øje ikke er særlig følsomt over for farven violet. Udover, Synligt lys indeholder faktisk en højere andel af blå bølgelængdestråling end violet.
I tilfælde, hvor partikler overstiger bølgelængden i størrelse, forekommer der ikke differentiel spredning. I stedet er alle komponenter af hvidt lys lige spredt. Dette fænomen forklarer skyernes hvide udseende, da vanddråberne, der udgør dem, overstiger en tiendedel mikrometer i diameter. Men når disse vanddråber bliver tæt komprimeret, lys kan ikke passere gennem dem, hvilket resulterer i et gråligt udseende forbundet med omfattende skydække.
Det skal dog erkendes, at himlen ikke opretholder en konstant blå nuance. Som et resultat forklarer fænomenet Rayleigh-spredning ikke fuldt ud tilstedeværelsen af forskellige nuancer af rødt under solopgang og solnedgang. Der er dog en forklaring på dette faktum.
Når Solen går ned og går ind i tusmørkefasen, får dens position i horisonten lyset til at rejse en større afstand for at nå os og ikke længere er vinkelret. Denne ændring i vinkel resulterer i en lavere incidens, hvilket får det blå lys til at spredes, før det når vores øjne. I stedet, . Det er vigtigt at bemærke, at Rayleigh-spredning fortsætter med at forekomme, men på et andet sted i atmosfæren, end hvor Solen er i zenit.
historie
Gennem historien har himlen fanget vores opmærksomhed både om dagen og om natten. Det har tjent som et lærred for vores fantasi til at vandre. Naturligt, nysgerrighed og videnskabelig forskning har ikke været fritaget for denne fascination. Som med andre hverdagsfænomener, såsom bladenes skiftende farve eller regnens oprindelse, har forskere forsøgt at opdage himlens mysterier. I stedet for at formindske dens mystiske appel, har dens opdagelser kun uddybet vores forståelse og beundring.
Under sine infrarøde eksperimenter i 1869 faldt Rayleigh over et uventet fund: lyset spredt af små partikler havde en subtil blå nuance. Dette fik ham til at spekulere i, at en lignende spredning af sollys var ansvarlig for himlens blå farve. Han kunne dog ikke helt forklare, hvorfor blåt lys blev foretrukket, eller hvorfor himlens farve var så intens, hvilket udelukkede atmosfærisk støv som den eneste forklaring.
Hans banebrydende arbejde om farven og polariseringen af lys fra himlen blev offentliggjort i 1871. Hans mål var at måle Tyndall-effekten i vanddråber ved at kvantificere tilstedeværelsen af små partikler og deres brydningsindeks. Med udgangspunkt i James Clerk Maxwells tidligere bevis på lysets elektromagnetiske natur viste Rayleigh i 1881, at hans ligninger fulgte af elektromagnetisme. Han udvidede sine resultater i 1899 og udvidede anvendelsen til individuelle molekyler og erstattede termer vedrørende partikelvolumener og brydningsindeks med termer for molekylær polariserbarhed.
Dispersion i porøse materialer
Porøse materialer har evnen til at udvise spredning af Rayleigh-typen, som følger et λ-4 spredningsmønster. Dette fænomen er især tydeligt i nanoporøse materialer, hvor der er en betydelig kontrast i brydningsindekset mellem porerne og de faste dele af sintret aluminiumoxid. Som følge heraf lysspredning bliver utrolig intens, hvilket får den til at skifte retning cirka hver femte mikrometer.
Denne bemærkelsesværdige dispersionsadfærd tilskrives den unikke nanoporøse struktur opnået gennem sintringsprocessen, som involverer brugen af monodispersivt aluminiumoxidpulver til at skabe en snæver fordeling af porestørrelser, typisk omkring 70 nm.
