Im Laufe der Geschichte empfanden die Menschen eine tiefe Bewunderung für den Himmel, nicht nur in besinnlichen Nächten, die zu existenziellen Überlegungen anregen, sondern auch bei Tageslicht, wenn er ein lebendiges Farbspektrum präsentiert. Irgendwann in unserem Leben haben wir uns alle gefragt, warum der Himmel blau erscheint oder warum er bei Sonnenuntergang Orange- und Rottöne annimmt. Diese Frage wurde ursprünglich von Lord Rayleigh, auch bekannt als John William Strutt, gelöst, einem Mathematiker, der diese Entdeckung im späten 19. Jahrhundert machte.
In diesem Artikel erklären wir Ihnen das Rayleigh-Effekt, seine Eigenschaften und warum der Himmel blau ist.
Rayleigh-Effekt
Die Sonne sendet ein breites Spektrum elektromagnetischer Strahlung aus, einschließlich sichtbarem Licht, das allgemein als weißes Licht bekannt ist. Interessanterweise ist weißes Licht tatsächlich eine Kombination aller Farben des Regenbogens, wobei Violett die kürzeste Wellenlänge und Rot die längste ist. Als Sonnenlicht wandert durch die Atmosphäre und interagiert mit verschiedenen Substanzen wie Gasen, festen Partikeln und Wassermolekülen. Wenn diese Partikel kleiner als ein Zehntel Mikrometer sind, verursachen sie eine Streuung des weißen Lichts in alle Richtungen, wobei der Schwerpunkt auf blauem Licht liegt.
Diese Bevorzugung von blauem Licht lässt sich durch den Dispersionskoeffizienten erklären, der nach der Formel 1/λ4 berechnet wird, wobei λ die Wellenlänge darstellt. Da violettes und blaues Licht die kürzesten Wellenlängen im sichtbaren Spektrum haben, erzeugen sie das höchste Verhältnis, wenn sie in die Formel eingesetzt werden führt zu einer höheren Ausbreitungswahrscheinlichkeit. Dieses Phänomen ist allgemein als Rayleigh-Streuung bekannt.
Dadurch treffen die gestreuten Strahlen auf die Gasteilchen, die als reflektierende Oberfläche fungieren, wodurch sie sich erneut biegen und ihre Stärke verstärken.
Warum ist der Himmel blau?
Angesichts der oben genannten Informationen könnte man erwarten, dass der Himmel aufgrund seiner kürzeren Wellenlänge violett statt blau erscheint. Dies ist jedoch nicht der Fall, da das menschliche Auge nicht sehr empfindlich auf die Farbe Violett reagiert. Außerdem, Sichtbares Licht enthält tatsächlich einen höheren Anteil blauer Wellenlängenstrahlung als violetter.
In Fällen, in denen Partikel größer als die Wellenlänge sind, tritt keine differenzielle Streuung auf. Stattdessen werden alle Anteile des weißen Lichts gleichmäßig gestreut. Dieses Phänomen erklärt das weiße Erscheinungsbild der Wolken, da die Wassertröpfchen, aus denen sie bestehen, einen Durchmesser von mehr als einem Zehntel Mikrometer haben. Wenn diese Wassertröpfchen jedoch dicht verdichtet werden, Licht kann sie nicht durchdringen, was zu einem gräulichen Erscheinungsbild führt, das mit einer ausgedehnten Wolkendecke verbunden ist.
Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass der Himmel keinen konstanten Blauton beibehält. Daher erklärt das Phänomen der Rayleigh-Streuung das Vorhandensein verschiedener Rottöne bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang nicht vollständig. Es gibt jedoch eine Erklärung für diese Tatsache.
Wenn die Sonne untergeht und in die Dämmerungsphase eintritt, führt ihre Position am Horizont dazu, dass das Licht eine größere Entfernung zurücklegt, um uns zu erreichen, und nicht mehr senkrecht verläuft. Diese Winkeländerung führt zu einem geringeren Einfall, wodurch das blaue Licht gestreut wird, bevor es unsere Augen erreicht. Stattdessen, Längere Wellenlängen dominieren und äußern sich in rötlichen Tönen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Rayleigh-Streuung weiterhin auftritt, jedoch an einem anderen Ort in der Atmosphäre, wo die Sonne im Zenit steht.
Geschichte
Im Laufe der Geschichte hat der Himmel sowohl tagsüber als auch nachts unsere Aufmerksamkeit gefesselt. Es diente als Leinwand für unsere Fantasie. Natürlich, Neugier und wissenschaftliche Forschung sind dieser Faszination nicht entgangen. Wie bei anderen Alltagsphänomenen, etwa der Farbveränderung der Blätter oder der Entstehung des Regens, haben Forscher versucht, die Geheimnisse des Himmels zu ergründen. Anstatt seinen mystischen Reiz zu mindern, haben seine Entdeckungen unser Verständnis und unsere Bewunderung nur vertieft.
Während seiner Infrarotexperimente im Jahr 1869 stieß Rayleigh auf eine unerwartete Entdeckung: Das von winzigen Partikeln gestreute Licht hatte einen subtilen blauen Farbton. Dies veranlasste ihn zu der Vermutung, dass eine ähnliche Streuung des Sonnenlichts für die blaue Farbe des Himmels verantwortlich sei. Allerdings konnte er nicht vollständig erklären, warum blaues Licht bevorzugt wurde oder warum die Farbe des Himmels so intensiv war, und schloss atmosphärischen Staub als einzige Erklärung aus.
Die innovative Arbeit von Lord Rayleigh über die Farbe und Polarisation des Lichts vom Himmel wurde 1871 veröffentlicht. Ihr Ziel war es, den Tyndall-Effekt in Wassertropfen zu messen, indem sie das Vorhandensein kleiner Partikel und die Brechungsindizes quantifizierten. Aufbauend auf James Clerk Maxwells früherem Beweis der elektromagnetischen Natur des Lichts zeigte Rayleigh 1881, dass seine Gleichungen vom Elektromagnetismus abgeleitet waren. Er erweiterte seine Erkenntnisse im Jahr 1899 und erweiterte die Anwendung auf einzelne Moleküle, indem er Begriffe, die sich auf Partikelvolumina und Brechungsindizes bezogen, durch Begriffe der molekularen Polarisierbarkeit ersetzte.
Dispersion in porösen Materialien
Poröse Materialien können eine Rayleigh-Streuung aufweisen, die einem λ-4-Streumuster folgt. Dieses Phänomen tritt besonders deutlich bei nanoporösen Materialien auf, bei denen ein deutlicher Kontrast im Brechungsindex zwischen den Poren und den festen Anteilen von gesintertem Aluminiumoxid besteht. Infolgedessen ist die Die Lichtstreuung wird unglaublich intensiv und führt dazu, dass sie etwa alle fünf Mikrometer die Richtung ändert.
Dieses bemerkenswerte Dispersionsverhalten ist auf die einzigartige nanoporöse Struktur zurückzuführen, die durch den Sinterprozess erreicht wird, bei dem monodisperses Aluminiumoxidpulver verwendet wird, um eine enge Porengrößenverteilung von typischerweise etwa 70 nm zu erzeugen.
Ich hoffe, dass Sie mit diesen Informationen mehr über den Rayleigh-Effekt und seine Eigenschaften erfahren können.