Zajímavá historie

Již odpradávna si lidé pokládají otázku proč že je vlastně obloha modrá. Jedna z prvních teorií, jež se snažily vysvětlit modrou barvu oblohy říká, že je tomu tak proto, že molekuly některého z plynů, které jsou ve vzduchu obsaženy, mají modrou barvu. K vyvrácení této teorie se stačí zamyslet nad tím, jak by asi vypadala okolní krajina, kdyby to byla pravda. Při pohledu do větší vzdálenosti bychom se totiž dívali přes silnou vrstvu vzduchu a vzdálenější předměty by se nám tudíž všechny musely jevit namodralé, podobně jako kdybychom se na ně dívali přes modře zbarvené sklo.

Další teorií, kterou vyvrátil Isaac Newton (1643 - 1727, anglický fyzik, matematik a astronom, který je znám především díky svým pohybovým zákonům, které jsou dodnes stěžejní součástí nebeské mechaniky a dalších odvětví fyziky) je, že modrá barva vzniká, smíchá-li se černá barva oblohy, která je v noci, s bílou barvou slunečních paprsků. Newton vyvrátil i předchozí teorii a dokázal tak, že vzduch není zabarven. I přes to se mu modrou barvu oblohy nepovedlo vysvětlit a kromě toho vytvořil další teorii, jež však byla opět scestná. Předpokládal totiž, že modrá barva oblohy vzniká stejným způsobem jako modrá část duhy, totiž lomem světla na dešťových kapkách. I když tato teorie měla vážné trhliny, tak ani takový vědec jako Newton, si jich nevšiml.

První správné krůčky k vysvětlení modré barvy oblohy podnikl až 200 let po Newtonovi Lord Rayleigh (John William Strutt, 3. baron Rayleigh [1842 - 1919], anglický fyzik, objevitel vzácného plynu argonu, držitel Nobelovy ceny za fyziku za rok 1904, kterou získal za zkoumání hustoty nejdůležitějších plynů a za objev argonu). Rayleigh se totiž zabýval mimo jiné výzkumem světla, které prováděl paradoxně v temné laboratoři. Je zcela pochopitelné, že paprskům světla se do cesty dostávala prachová zrnka, která byla tímto osvětlena. A právě tato prachová zrnka pravděpodobně přivedla Rayleigha na správnou cestu. Vyřkl proto teorii, že drobná prachová zrnka můžou mít na svědomí modrou barvu oblohy. Samozřejmě, že svou domněnku prověřil výpočtem. Roku 1871 tak vysvětlil, že drobná prachová zrníčka, jejichž velikost je menší než vlnová délka světla, mohou díky rozptylu zbarvovat oblohu do modra. K přesnějšímu fyzikálnímu vysvětlení se dostanu až později, ale dodám, že podobným způsobem vysvětlil i barvu červánků, modravý nádech z mlhy, načervenalou barvu slunce nízko nad obzorem a další podobné jevy.

Zdálo se, že problém zbarvení oblohy je vysvětlen, ovšem netrvalo dlouho a v teorii se objevily trhliny. Způsobují-li totiž modré zbarvení oblohy zrníčka prachu, musí být obloha ve městech, kde je prachu více, modřejší než obloha vysoko v horách. Pozorování však byla v protikladu s tímto závěrem a tak se Rayleigh pustil do ověřování svých rovnic. Shledal, že jsou správné z čehož vyplynulo, že "pachatelem" nejsou zrníčka prachu, ale musí jím být něco jiného. Rayleigh vzal v úvahu fakt, že čím je vzduch čistší, tím je barva oblohy modřejší a dospěl tak k závěru, že k rozptylu tedy musí docházet na molekulách, z nichž sestává vzduch.

Opět se zdálo, že tato teorie již zcela vysvětluje zbarvení oblohy, ale roku 1907 se znovu objevily otázky, který ji zpochybnily. Ruský fyzik Leonid Mandelštam (Leonid Isaakovič Mandelštam [1879 - 1944], sovětský fyzik, který se zabýval rozptylem světla, šířením rádiových vln, teorií nelineárních kmitů...) totiž poukázal na to, že počet molekul ve vzduchu je příliš velký (počet molekul v 1 m³; je roven N ~ cca 2,7 · 10²⁵. Při tak velkém počtu molekul se totiž vyruší složky rozptylu jdoucí do stran a světlo tak zachová pouze svůj původní směr. Mandelštam si však uvědomil, že molekuly vzduchu stejně jako molekuly každého plynu se pohybují. Jde o náhodný pohyb relativně velkými rychlostmi (například molekula kyslíku O₂ se při teplotě T = 273 K pohybuje střední rychlostí v = cca 650 m · s^-1. Při takovém náhodném pohybu nutně dochází k vzájemným srážkám a těsným přiblížením částic a tím pádem vznikají větší či menší shluky molekul, které se však zase rychle rozpadají. Velikost těchto shluků pak může o mnoho řádů přesáhnout velikost vlastních molekul. A právě tady tyto shluky mají na svědomí modrou barvu oblohy. Leonid Mandelštam byl tedy tím, kdo konečně dořešil tuto dlouholetou záhadu, ovšem nejvýznamnější měrou přispěl Rayleigh, a proto se rozptyl nazývá po něm.

Nedlouho poté pak uveřejnil Gustav Mie (Gustav Adolf Feodor Wilhelm Ludwig Mie [1869 - 1957], německý fyzik, jenž se roku 1908 zapsal do dějin fyziky ucelenou teorií rozptylu světla založenou na řešení Maxwellových rovnic) svou teorii rozptylu světla, která je obecnější než teorie Rayleighova.

Proč není obloha fialová?

Jaký je vlastně rozdíl mezi Rayleighovým a Mieovým rozptylem? Úplně jednoduše se dá říci, že Mieova teorie je obecnější teorií než Rayleighova; jinak řečeno Rayleighova teorie je podmnožinou Mieovy. Rayleighův rozptyl je omezen dvěma podmínkami:

1. musí být splněna relace 2 · p · r/l je mnohem menší než 1, kde r je poloměr rozptylující částice a l (lambda) je vlnová délka;
2. rozptylující částice musí být elektricky nevodivé.

   (1)

Převzato: Optické úkazy v atmosféře
Článek vyšel původně ve zpravodaji Parhelium č. 3/2007