Az ég színe a Nap fényének és a Föld légkörében lévő molekulák és részecskék közötti kölcsönhatásból származik .
A napsugárzási hullámok szórása a felhőtlen légkörben leginkább a fényspektrum energikusabb részeire hat , amelyek megfelelnek az emberi látás kék színének . Ezeknek a rövid hullámhosszúságú részeknek nagyobb a szórása, mint közvetlen fényben: az ég kék. A szuszpenzióban lévő vízcseppekből álló felhő szinte egyformán diffundál a spektrum minden részén: akromatikus fehérnek tűnik.
Az ég színének érzékelése a vizuális alkalmazkodástól is függ .
„Helyesebb lenne az ég színeiről beszélni, mert ott csodálhatunk, a kék vagy a szinte lilás árnyalatokkal a napra, a narancsra és a krepuszkuláris vörösre merőleges irányban. Nem is beszélve az északi fény nagy világító drapériáiról és a szivárvány palettájáról . "
- A. Villevielle.
A Földön és a nap közepén egy tiszta napon a kék árnyalatai a nap irányától, a napszaktól, a megfigyelési régiótól és a magasságtól függően változnak. Számos színnév az égszín színén alapszik egy mérsékelt égövi országban, jó idő esetén: égkék , égszínkék . A tájképfestésben általában a változó árnyalatú és felhőkkel teli eget részesítjük előnyben. A XIX . Században a színkereskedő Rowney latinul caeruleum néven "színes ég" néven forgalmazta a pigmentet, amelynek kék tulajdonjoga még gyertyafényben is megjelenik.
Napközben a külső fázis, amikor a Nap felkel , vagy készletek , megfigyelhetjük telítetlen kék ég minden irányban, kivéve, hogy a Nap, és nagyon fényes és fehér ebbe az irányba.
Napközben a napfény dominál; a más csillagokból érkező fény mennyisége elhanyagolható. Tiszta napon - vagyis felhőtlen égen, kevés vagy egyáltalán nem szennyezett porral - ennek a fénynek egy része tükrös sugarakkal jut el a föld felszínére, miután megtört . Egy másik rész kölcsönhatásba lép a légkör molekuláival. Nitrogén molekulák , amelyek elfoglalják 78% -a mennyiség a Föld légkörébe , és az oxigén molekulák , amelyek elfoglalják 20%, hatnak beeső fény.
A fény elektromágneses hullám . Amikor az elektromágneses fénymező megérkezik egy molekulára vagy egy atomra, az deformálja ennek elektronfelhőjét, és elektrosztatikus dipólust hoz létre, amely viszont elektromágneses hullámot bocsát ki. Ez a hullám bármely irányban kibocsátható, de a beeső hullám szögétől függő intenzitással.
A fény a Rayleigh- modell szerint szelektálódik (szelektív mindenirányú szórás), ha az érintett molekulák nagysága a hullámhossz tizedének nagysága vagy ennél kisebb, ez a helyzet a földi légkörben részt vevő molekulák esetében, mivel a a dinitrogén molekula 0,315 nm , az oxigéné 0,292 nm . A molekula által a Rayleigh-modellben szórt átlagos teljesítmény a következő:
.Vagy:
A fénysugarakat a vákuum hullámhossza szerint szokás kijelölni . Kiterjedtek a szivárvány színeinek sorrendjében, a 600 nm körüli vöröstől a 400 nm körüli ibolyáig . Mivel a hullám impulzusa fordítottan arányos a hullámhosszal, a lilaé körülbelül 3/2 a vörösé. Az egyenletben a 4 hatványára jut; a szórás tehát a 81/16 ibolya fényt érinti, körülbelül ötször nagyobb, mint a vörösé.
Ennek eredményeként a Naptól érkező sugárzást a következő tényezővel arányos tényezővel súlyozzák : a látható spektrum kékhez közeli része ezért az égen mindenhol szórt és megfigyelhető, míg a vörösek szinte közvetlenül keresztezik az atmoszférát.
A Rayleigh-modellben a szórt intenzitás
vagy
Napközben a nap magasan az égen van, és az egész légkör a kék színt erősebben szórja, mint a vörös (a légköri gázmolekulák által oldalirányban szórt fény főleg kék, mert a napfény kezdetben nem sok lila). Másrészről napkeltekor vagy napnyugtakor a vörös fény eljut hozzánk, amikor a nap felé nézünk, mivel az kevésbé szétszórt: a napfény, amely legelészik, tíz-tizenötször nagyobb légköri rétegen halad át, mint a zenitnél. A Rayleigh-szórás fokozza és érinti a látható spektrum rövid és közepes hullámhosszait (a hosszabb hullámhosszak, azaz a vörös, jobban áteresztett és kevésbé szétszórt keresztezik ezt a légköri réteget). A Nap közvetlen sugárzását, amelyet ez a szórás megszabadít a rövid hullámhosszak egy részétől, a sárga, tehát a nap színe uralja.
Az ég színe a napsugárzás előfordulásától függ, változik az órákkal és az évszakokkal, valamint a légkör összetételével, elsősorban a szuszpenzióban lévő vízcseppek mennyiségétől és méretétől. Magasságban, ahol a levegőben lévő vízcseppek ritkábbak, a diszperzió kevésbé. Az ég mélyebb kék , kevésbé fényes és telítettebb .
Ha a légkör általában nincs telítve részecskékkel a tengerszint feletti magasságban, a légkör alsó rétegei tartalmaznak aeroszolokat és port, amelyek módosítják a fizikai folyamatot: A Mie szétszóródás ezen az alacsonyabb magasságon történik. Az aeroszolok közül a felhőket képező szuszpendált vízcseppek a leggyakoribbak. Az Mie szóródása egyenletes a látható spektrumban; a felhők ezért az őket megvilágító fény színében jelennek meg, vagyis fehérek vagy szürkeak.
Ha az eget olyan irányban figyeljük meg, amely α szöget képez a Nap irányával, a sugárzás annál inkább polarizálódik, amikor a megfigyelés iránya eltávolodik a csillag irányától. A domináns irány merőleges a nap irányára, és a fény Rayleigh-szórás általi polarizációjának sebessége :
Mivel a Rayleigh-szórás dominál, a Nap irányára merőleges irányból érkező fény szinte teljesen polarizálódik. A Rayleigh-szórás fordítottan arányos a hullámhossz 4. hatványával , kék fényt eredményez, amelynek polarizációját a fotózásban kihasználva mélyebb kék eget kapunk.
Az ég hajnalban vagy alkonyatkor sok színből áll, általában meleg, mint a narancs és a vörös. Ezekben a napszakokban a Rayleigh-szórás nem az egyetlen jelenség a játékban. Az ózonréteg , amelyet a napfény nagyobb távolságon keresztez, amikor a Nap a láthatáron van , elnyeli a sugárzás egy részét. Világító és a sötétkék színt adja ég a zenitnél alkonyatkor . A diffúzió továbbra is a fő jelenség. Mivel a Nap sugarainak áthaladó légköri rétege 10-15-ször nagyobb, amikor a Nap a láthatáron van, a zenit helyzetéhez képest, a legrövidebb hullámhosszak (lila és kék) szóródása eloszlatja őket. az ég narancssárga színe a Nap irányába, amikor felkel és lemegy.
Napkelte a kaliforniai sivatagban, 2012.
Naplemente Botswanában a Chobe folyó felett, 2007.
Naplemente a Michigani-tó felett , 2016.
Az éjszakai eget megfosztják a napfénytől. Ennek eredményeként sötét van , így csillagok ezrei figyelhetők meg az égen. A csillagok napközben mindig jelen vannak (a legfényesebbek távcsővel láthatók ), de nem láthatók, mert a Nap versenyez velük.
A paradoxon Olbers ismert , mint „az ég a tűz” állítja egy ellentmondás, ha feltételezzük a rögzített univerzum közötti fekete égen az éjszaka végtelen csillagok egy végtelen univerzumban.
Az emberi látás s' alkalmazkodik az uralkodó fény, amely úgy tűnik, mindig fehér, hacsak nem nagyon különbözik a sugárzás a fekete test . Ez a tulajdonság lehetővé teszi az objektumok színük alapján történő felismerését, még különböző fénykörnyezetekben is.
Az égből érkező fény összehasonlíthatatlanul gyengébb, mint a napé, és rövid hullámhosszakon sokkal gazdagabb. Amikor a nap látható, kéknek tűnik.
Az emberi szem háromféle fotoreceptort tartalmaz, amelyeket kúpnak nevezünk, amelyek mindegyike érzékeny egy bizonyos hullámhossz-tartományra. Az S kúpok, rövid hullámhosszúság esetén, a fovea retináján lévő összes kúpnak csak körülbelül 10% -át teszik ki . Az S kúpok maximális érzékenysége 442 nm körül van , az M kúpoké (közepes hullámhosszúság esetén) 543 nm , az L kúpok (hosszú hullámhosszak) 570 nm .
A szín kiosztásának folyamata a kúpok által küldött jelek számára az agyban zajló ideges folyamat. A szembe érkező fénynek sajátos spektrális intenzitása van, amely minden egyes kúptípusra választ vált ki, amely megfelel a spektrális intenzitás szorzatának a kérdéses kúptípus spektrális válaszával.
Az ég fényének spektrális intenzitását a fehér fény és a monokromatikus fény keverékével azonos módon érzékeljük . Az égbolton szórt fény és a kúpok érzékenységének elméleti görbéit alkalmazó elméleti modellezés a következőket tartalmazza:
Ezek az értékek csak kis mértékben módosulnak, ha a valós ég spektrumokat vesszük figyelembe ( monokromatikus λ 476 nm-en , az I fehér fény és I λ aránya 0,063).
A színvakságban szenvedő emberek , amelyek a színérzékelés rendellenességei egy bizonyos típusú fotoreceptorok hiánya miatt, sokkal kevesebb színt különböztetnek meg, mint másokat. A kóros S kúpos populációval rendelkező tritanopok az ég kékjét zöldnek érzékelik.
Az emberi szem reakciója az ég fényspektrumára a fő akadály, amelyet más bolygók égszínének azonosításakor vetnek fel: az érzékelők, szűrők és fedélzeti kamerák válaszai nem ugyanazok, mint a szemé, a rögzített felvételeké elfogultságot mutat, és a szonda által látott „színek” eltérnek az emberek által látott színektől.
A Marson megfigyelhető volt az ég színe. 1976-ban a Viking 1 szonda meglepő módon jelezte, hogy a marsi ég kék, amit a szonda eszközeinek kalibrálása után megtagadtak. A Viking 1 a három alapszín (kék, piros és zöld) szűrőkerékkel szerzett képeket , így az első során azt a benyomást kelti, hogy a föld intenzív piros-narancssárga és az ég nagyon tiszta, enyhe kék árnyalattal borús napra a Földön. Ennek a három színnek a szintézishez való súlyozását nem alkalmazták az emberi fotopikus (nappali látás) látáshoz.
A marsi égbolt napközben lazac vagy skarlátvörös . Ez a szín annak köszönhető, hogy a porszélek felrobbantják az anyagot a légkörben, ami vörösre színezi. Napnyugtakor és napfelkeltekor a marsi égbolt színe megváltozik, mint a Földön, de árnyalata kevésbé vörös.
Úgy tűnik, hogy a velencei ég színe az 1980-as évek szovjet próbái szerint narancsvörös színű.
Az ég kékje sok monoteista vagy politeista vallási írásban társul istenségekkel vagy drágakövekkel. Az Exodusban és az Újszövetségben a zafír a menny emblémája, Isten trónjára hivatkozva. Az egyiptomiak számára a lapis lazuli kapcsolódik Amunhoz, a menny és föld teremtőjéhez. A hinduizmusban és a tibeti buddhizmusban az ég kékje a lélek színe is.
Az éghez kapcsolódó istenek többségének kék díszeket vagy ruhákat kellett volna viselnie: Mavu , az Ewe ( Ghána környéke ) égistene , Odin ...
Az ókorban az ég színe a különféle mitológiák mellett megtalálta első magyarázatait a görög filozófusoknál, akik megpróbálták megmagyarázni az őket körülvevő természeti optikai jelenségeket. Az ég kékje eredetük szerintük az volt, hogy a fény áthaladt a levegőn, és a levegő, amely az eredetnél színtelen volt, amikor lecsapódott, kék vagy piros színt adott a fénynek.
Leonard Euler 1760-ban kifejti, hogy az ég kékje a magasságtól elveszíti intenzitását. A nappali égszín színével kapcsolatos találgatások között, ellentétben az éjszakai égboltival, a goetheiek kiemelkednek abban, hogy színelméletét erre alapozza.
A kutatás kísérleti fordulatot vett Horace-Bénédict de Saussure- tel , aki 1790 körül 51 kék színű színskálát használt, amelyet "cianométernek" nevezett az ég színének értékeléséhez. Ez azt mutatja, hogy az ég színe intenzívebb a magasságban. Jean-Baptiste Biot olyan eszközt épít, amelyet "colorigrade" -nek nevez, és azt mutatja, hogy a szín intenzitása kevésbé közel van a Napéhoz, és hogy fénye polarizált . 1830 körül François Arago elmagyarázza, hogy „az ég kék fénye (…) a molekuláris sugárzásnak és nem a tükrös vagy réteges visszaverődésnek köszönhető” . A Forbes 1839-től foglalkozik a témával, számos cikket publikálva, köztük " A légkör átlátszóságáról és a rajta áthaladó napsugarak kihalási törvényeiről " 1843-ban a királyi kitüntetést . A Forbes érdeklődött a fény vízgőzön keresztül történő átviteléért; 1871-ben Rayleigh matematikai megfogalmazást adott a fény szórására a sugárzás hullámhosszánál jóval kisebb méretű részecskék által , a kék szín eredetére.