Solljuset är inte vitt – det är en regnbåge

När solljuset når jordens atmosfär ser det vitt ut, men det är i själva verket en blandning av alla synliga färger: violett, blått, grönt, gult, orange och rött. Varje färg har sin egen våglängd – violett och blått är korta, rött är långt. Den skillnaden avgör allt som följer.

Rayleigh-spridning: ljuset studsar mot luften

Atmosfären är full av kväve- och syremolekyler som är mycket mindre än ljusets våglängd. När solljuset träffar dem kastas det åt alla håll – ett fenomen som den brittiske fysikern Lord Rayleigh beskrev matematiskt 1871, och som därför kallas Rayleigh-spridning.

Det avgörande är att spridningen är kraftigt våglängdsberoende: kortvågigt blått ljus sprids ungefär tio gånger mer än långvågigt rött. Det blå ljuset kastas runt i hela atmosfären och når ögat från alla delar av himlen, medan rött och orange i stort sett fortsätter rakt fram. Därför ser vi en blå himmel.

Varför inte violett?

En berättigad följdfråga: violett ljus har ännu kortare våglängd än blått och borde spridas ännu mer. Varför är himlen då inte lila? Svaret är en kombination av tre saker, väl belagd i fysiken: solen sänder ut mer blått än violett ljus, en del av det violetta absorberas högt i atmosfären, och våra ögon är helt enkelt känsligare för blått. Royal Observatory Greenwich sammanfattar det som att himlen är blå, inte violett, eftersom solen sänder ut mer blått – och för att ögat uppfattar det bättre.

Solnedgångens magi

När solen står lågt vid horisonten måste ljuset ta sig genom ett mycket tjockare lager atmosfär än när den står rakt ovanför. Under den långa färden hinner det blå ljuset spridas bort helt – kvar blir de långa våglängderna som klarar resan: rött och orange. Hela himlen vid horisonten glöder i varma toner. Ju mer partiklar och damm i luften, till exempel efter skogsbränder eller vulkanutbrott, desto intensivare blir färgerna.

Varför är molnen vita?

Moln består av vattendroppar och iskristaller som är mycket större än luftens molekyler – ungefär lika stora som ljusets våglängd. Då gäller inte längre Rayleighs regel, utan en annan typ av spridning (Mie-spridning) tar vid, där alla våglängder sprids ungefär lika mycket. Molnet kastar tillbaka hela det synliga spektrumet på en gång, och summan av alla färger är vitt. Är molnet tjockt släpper det igenom lite ljus och ser grått ut underifrån.

En himmel som berättar fysik

Nästa gång du ser en klarblå sommarhimmel eller stannar upp vid en eldröd solnedgång ser du alltså fysik i arbete: det blå är ljus som studsat mot osynliga molekyler, det röda är vad som klarat sig hela vägen fram – och det vita molnet en påminnelse om att storleken på partiklarna förändrar allt.