pilven väri riippuu ensisijaisesti sen vastaanottaman valon väristä. Maan luonnollinen valon lähde on aurinko, joka tuottaa ’valkoista’ valoa. Valkoinen valo yhdistää kaikki värit ”näkyvässä spektrissä”, joka on valikoima värejä voimme nähdä.
jokainen näkyvän spektrin väri edustaa eripituisia sähkömagneettisia aaltoja. Värit muuttuvat aallonpituuden kasvaessa violetista indigoon siniseksi, vihreäksi, keltaiseksi, oranssiksi, punaiseksi ja syvänpunaiseksi.
valoaallon pituuden kasvaessa sen energia pienenee. Tämä tarkoittaa, että valoaalloilla, jotka muodostavat orvokit, indigon ja sinisen, on korkeampi energiataso kuin keltaisella, oranssilla ja punaisella.
yksi tapa nähdä auringonvalon värit on käyttää Prismaa. Valon nopeus pienenee hieman sen liikkuessa Prismaan, jolloin se taipuu hieman. Tätä kutsutaan taittumiseksi. Taittumisaste vaihtelee kunkin aallon energiatason mukaan.
pienienergiset valoaallot taittavat vähiten, kun taas korkeimmat energia-aallot taittuvat eniten. Lopputuloksena on valon hajaantuminen sateenkaaren väreiksi.
sateenkaaret ovat osittain seurausta auringonvalon taittumisesta prisman tavoin toimivan sadepisaran läpi.
jos siis auringonvalo on ’valkoista’, miksi taivas on sininen?
kaasukehässä olevat atomit ja molekyylit ovat paljon pienempiä kuin auringon säteilemän valon aallonpituudet.
valoaaltojen saapuessa ilmakehään ne alkavat hajota kaikkiin suuntiin törmäämällä atomeihin ja molekyyleihin. Tämä on nimeltään Rayleigh scattering, joka on nimetty Lordi Rayleighin mukaan.
taivaan väri johtuu kaikkien aallonpituuksien sironnasta. Tämä sironta ei kuitenkaan ole yhtä suuressa osassa, vaan painotetaan voimakkaasti kohti lyhyempiä aallonpituuksia.
auringonvalon saapuessa ilmakehään suuri osa violeteista valoaalloista hajaantuu ensin, mutta hyvin korkealle ilmakehässä, eikä niitä siksi ole helppo nähdä. Seuraavaksi hajaantuvat indigonväriset valoaallot, jotka voidaan nähdä korkeista korkeuksista, kuten suihkukoneista, jotka lentävät normaaleissa matkalentokorkeuksissa.
seuraavaksi siniset valoaallot siroavat noin neljä kertaa voimakkaammin kuin punaiset valoaallot. Lyhyempien sinisen valon aaltojen sirontamäärä (lisäsirontamäärä violetilla ja indigolla) hallitsee sirontaa jäljellä olevilla värin aallonpituuksilla. Siksi havaitsemme taivaan sinisen värin.
jos taivas on sininen, miksi pilvet ovat valkoisia?
toisin kuin Rayleigh-sironnassa, jossa valoaallot ovat paljon pienempiä kuin ilmakehän kaasut, yksittäiset vesipisarat, jotka muodostavat pilven, ovat samankokoisia kuin auringonvalon aallonpituus. Kun pisarat ja valoaallot ovat samankokoisia, tapahtuu erilainen sironta, jota kutsutaan ” Mie ” – sironnaksi.
Mie-sironta ei erottele yksittäisiä aallon pituusvärejä, joten se hajottaa kaikki aallon pituusvärit samoiksi. Tuloksena on yhtä siroteltu ’valkoinen’ valo auringosta ja siksi näemme valkoisia pilviä.
pilvet eivät kuitenkaan aina näy valkoisina, koska ilmakehän Usva ja pöly voivat saada ne näyttämään keltaisilta, oransseilta tai punaisilta. Ja kun pilvet paksuuntuvat, pilven läpi kulkeva auringonvalo vähenee tai tukkeutuu, jolloin pilvi saa harmaan värin. Jos pilveen ei osu suoraa auringonvaloa, se saattaa heijastaa taivaan väriä ja näyttää sinertävältä.
Rayleigh ja Mie
jotkut kuvauksellisimmista pilvistä esiintyvät lähellä auringonnousua ja-laskua, jolloin ne voivat näkyä kirkkaina keltaisina, appelsiineina ja punaisina. Värit syntyvät Rayleigh – ja Mie-sironnan yhdistelmästä.
valon kulkiessa ilmakehän läpi suurin osa lyhyemmistä sinisistä aallonpituuksista hajaantuu jättäen suurimman osan pidemmistä aalloista jatkumaan. Siksi auringonvalon vallitseva väri muuttuu näille pidemmille aallonpituuksille.
myös valon saapuessa ilmakehään se taittuu suurin mutka reitillään lähellä maan pintaa, jossa ilmakehä on tiheimmillään. Tämä saa valon kulkureitin ilmakehän läpi pidentymään, mikä lisää Rayleighin sirontaa.
valon jatkaessa matkaansa ilmakehästä huolimatta keltaiset aallonpituudet hajaantuvat jättäen jälkeensä oransseja aallonpituuksia. Oranssien aallonpituuksien sironta jättää punaisen vallitsevaksi auringonvalon väriksi.
näin ollen auringon nousun ja laskun lähellä pilven väri on se, minkä auringonvalon värin se saa Rayleighin sironnan jälkeen. Näemme, että auringonvalon väri johtuu Mei sironta, joka siroaa kaikki jäljellä aallonpituus värit yhtä.
Havaintoväri
joskus suorassa auringonpaisteessa pilvet näyttävät harmailta tai tummanharmailta sinistä taivasta vasten tai suuremmalta taustalta valkoisia pilviä. Tähän vaikutukseen on yleensä kaksi syytä.
- pilvet voivat olla puoliksi läpinäkyviä, jolloin taustasininen taivas näkyy pilven läpi. Näin se näyttää tummemmalta.
- yleisempi syy on taustan (sininen taivas tai lisäpilvet) ja etualapilven välinen kontrasti, joka peittää näkökykymme. Pohjimmiltaan silmiämme huijaa se, että havaitsemme etualapilvien näyttäytyvän tummina suhteessa taustan ylitsepursuavaan kirkkauteen.
tämä jälkimmäinen syy on se, miksi auringonpilkut näyttävät tummilta. Auringon kirkkaus perustuu lämpötilaan ja auringonpilkun lämpötila on pienempi kuin auringon ympäröivä pinta.
suhteessa auringon pintaan auringonpilkut näyttävät melko tummilta. Jos auringonpilkut kuitenkin eristettäisiin ympäröivästä kirkkaudesta, ne olisivat silti liian kirkkaita katsottavaksi suojaamattomalla silmällä. Kontrasti kirkkauden välillä on se, mikä aiheuttaa auringonpilkut näyttävät tummilta.