Op een zonnige dag valt weer eens op hoe prachtig diepblauw de hemel van kleur kan zijn. Hoe ontstaat deze kleur, kun je je afvragen. Waarom is ze niet rood, groen of geel?
We nemen verschijnselen in de natuur waar, ordenen deze en proberen vanuit deze ordening tot een duiding te komen. Deze duiding is vaak wiskundig van aard. Het aantrekkelijke is dat de wiskundige oplossing die we vinden altijd geldend is, ook op een ander tijdstip en op een andere plek. We kunnen er voorspellingen mee doen. De ontwikkelde theorie is universeel, tot het moment dat we metingen doen die hier in strijd mee zijn. We vinden andere duidingen, andere oplossingen, en ook deze zijn weer (voorlopig) universeel.
Deze wetenschappelijke methode van onderzoek is objectief en deducerend. Vanuit een hoeveelheid aan informatie van buitenaf komen we door middel van ordening tot één specifieke oplossing.
Zo is de wetenschap tot de conclusie gekomen dat de blauwe kleur in de dampkring ontstaat door het zonlicht dat daar op schijnt. De dampkring blijkt uit moleculen stikstof en zuurstof te bestaan. Deze moleculen zijn zo klein dat het licht dat er opvalt verstrooid wordt. Verstrooien is het verschijnsel dat licht in aanraking met (kleine) moleculen verschillende kanten opgaat, in plaats van één richting zoals gewoonlijk.
Het blijkt nu dat de mate van verstrooiing afhankelijk is van de golflengte van het licht dat er op valt. Dit volgens de zogenaamde verstrooiingswet van Rayleigh. De verstrooiing is omgekeerd evenredig met de golflengte tot de vierde macht.
In formule: s = constante · 1/λ4
Waarbij s de hoeveelheid verstrooid licht is en λ de golflengte van het licht.
Nu bestaat licht afkomstig van de zon uit alle kleuren van de regenboog. Die kleuren zijn rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo, violet. Het verschil tussen deze zeven kleuren is gelegen in hun golflengte. Rood heeft de grootste golflengte, zo'n 700 nm (nm = nanometer = één miljardste meter), violet de kleinste, zo'n 400 nm. De andere kleuren zitten daar qua grootte tussenin.
Als je naar de formule voor de verstrooiing kijkt en je vult een grote waarde voor de golflengte in, dan zie je dat de verstrooiing zeer klein is. Iets delen door een groot getal levert een klein getal op. Het feit dat de golflengte tot de vierde macht is, maakt dit nog erger. Andersom, delen door een klein getal levert een grote waarde op.
Zoals gezegd, violet heeft de kleinste golflengte. Violet zal dus verreweg het sterkst verstrooid worden. Iets minder gebeurt dat bij indigo, en nog iets minder bij blauw. Verder niet, de andere kleuren vallen weg. Omdat onze ogen violet niet of nauwelijks kunnen waarnemen, zien wij alleen indigo-blauw. Dit is precies de diepblauwe kleur van de hemelbol.
Als er vocht in de lucht hangt, worden de kleine stikstof- en zuurstofmoleculen omgeven door veel grotere watermoleculen. Door die grotere moleculen zal er nog wel verstrooiing optreden, maar deze hangt nog nauwelijks van de golflengte af. De formule van Rayleigh blijkt hier niet op te gaan. Alle kleuren worden gelijkmatig verstrooid. Het gevolg is dat bij toenemende vochtigheid de lucht van blauw naar wittig wordt (wit is alle kleuren tezamen). Let maar op als het bijvoorbeeld heiig weer is. Het blauw verdwijnt dan.
Dat is ook de reden dat wolken wit van kleur zijn, ook mist trouwens. De grote watermoleculen zorgen daar voor. Wordt de dichtheid van de watermoleculen groter, dan wordt er steeds meer licht geabsorbeerd, waardoor de kleur verandert richting grijs en zelfs diepzwart bij hele zware regenwolken.
Hetzelfde gebeurt bij smogvorming. De roet- en stofdeeltjes zijn veel groter dan de moleculen stikstof en zuurstof. Boven een stad vol industrie en uitlaatgassen is de lucht daardoor zelden strakblauw. Eerder grijzig wit. Je kunt dan ook concluderen dat (bij een onbewolkte hemel) de kleur van de atmosfeer de mate van smog aangeeft. Des te witter of grijzer de lucht, des te meer smog. Na een regenbui (als alle stofdeeltjes op de grond zijn neergeslagen) is de lucht om die reden dieper blauw dan ervoor.
Je kunt zelf een experiment uitvoeren, waarbij je dit kunt aantonen. Hoewel dit in een tijd van waarschuwingen en door de overheid opgelegde regels haast niet meer mag. Blaas op 2 verschillende manieren de rook van een sigaret uit (doe ikzelf niet hoor, als niet-roker, maar er zijn altijd proefkonijnen die zich voor de wetenschap op willen offeren, zich daarmee een alibi verschaffend om toch te blijven roken, ha).
1. Neem een trek van je sigaret en blaas de rook direct uit, zonder echt te inhaleren. Je zult zien dat de rook tamelijk blauw van kleur is. Of laat de sigaret gewoon branden, dan zie je het nog duidelijker.
2. Inhaleer nu diep, laat de rook een tijdje in je mond en longen rusten en blaas dan uit. De rook zal wit van kleur zijn.
Verklaring: in het tweede geval zal de rook vermengd zijn met water uit je lichaam. De verstrooiing van licht is hier anders, door de grote watermoleculen. Het blauw wordt wit.