färgen på ett moln beror främst på färgen på det ljus det tar emot. Jordens naturliga ljuskälla är solen som ger ’vitt’ ljus. Vitt ljus kombinerar alla färger i det synliga spektrumet, vilket är det utbud av färger vi kan se.
varje färg i det synliga spektrumet representerar elektromagnetiska vågor av olika längder. Färgerna ändras när våglängden ökar från violett till indigo till Blå, Grön, Gul, orange, röd och djupröd.
när en ljusvågs längd ökar minskar dess energi. Det betyder att ljusvågorna som utgör violer, indigo och blå har högre energinivåer än de gula, orange och röda.
ett sätt att se solens färger är genom att använda ett prisma. Ljusets hastighet minskar något när den rör sig in i Prisma, vilket gör att den böjer sig något. Detta kallas brytning. Graden av brytning varierar med energinivån varje våg.
De lägsta energiljusvågorna bryter minst, medan de högsta energivågorna uppvisar den största brytningen. Slutresultatet är en spridning av ljus i en regnbåge av färger.
regnbågar är delvis resultatet av solljusbrytning genom en regndroppe, som fungerar som ett prisma.
så, om solljuset är ’vitt’, varför är himlen blå?
atomerna och molekylerna som består av gaser i atmosfären är mycket mindre än våglängderna för ljus som emitteras av solen.
när ljusvågor kommer in i atmosfären börjar de sprida sig i alla riktningar genom kollisioner med atomer och molekyler. Detta kallas Rayleigh scattering, uppkallad efter Lord Rayleigh.
himlens färg är ett resultat av spridning av alla våglängder. Ändå är denna spridning inte i lika stor del men tungt vägd mot de kortare våglängderna.
när solljus kommer in i atmosfären sprids mycket av de Violetta ljusvågorna först men mycket högt i atmosfären och ses därför inte lätt. Indigofärgljusvågor sprids nästa och kan ses från höga höjder som jetflygplan som flyger vid normala kryssningshöjder.
därefter sprids blå ljusvågor med en hastighet ungefär fyra gånger starkare än röda ljusvågor. Spridningsvolymen av de kortare blå ljusvågorna (med ytterligare spridning av violett och indigo) dominerar spridningen av de återstående färgvåglängderna. Därför uppfattar vi himmelens blå färg.
om himlen är blå, varför är moln vita?
till skillnad från Rayleigh-spridning, där ljusvågorna är mycket mindre än gaserna i atmosfären, är de enskilda vattendropparna som utgör ett moln av samma storlek som solljusets våglängd. När dropparna och ljusvågorna är av samma storlek inträffar en annan spridning, kallad ’Mie’ – spridning.
Mie-spridning skiljer inte enskilda våglängdsfärger och sprider därför alla våglängdsfärger på samma sätt. Resultatet är lika spritt ’vitt’ ljus från solen och därför ser vi vita moln.
men moln verkar inte alltid vita eftersom dis och damm i atmosfären kan få dem att se gula, orange eller röda ut. Och när molnen tjocknar kommer solljuset som passerar genom molnet att minska eller blockeras, vilket ger molnet en grå färg. Om det inte finns något direkt solljus som träffar molnet kan det återspegla himmelens färg och verka blåaktig.
Rayleigh och Mie
några av de mest pittoreska molnen förekommer nära soluppgång och solnedgång när de kan visas i lysande gula, apelsiner och röda. Färgerna är resultatet av en kombination av Rayleigh och Mie scattering.
när ljuset passerar genom atmosfären sprids de flesta av de kortare blå våglängderna och lämnar majoriteten av längre vågor för att fortsätta. Därför förändras den dominerande färgen på solljus till dessa längre våglängder.
när ljuset kommer in i atmosfären bryts det också med den största böjningen i sin väg nära jordens yta där atmosfären är mest tät. Detta gör att ljusets väg genom atmosfären förlängs, vilket ytterligare möjliggör mer Rayleigh-spridning.
när ljuset fortsätter att röra sig genom atmosfären sprids gula våglängder och lämnar orange våglängder. Ytterligare spridning av orange våglängder lämnar rött som den dominerande färgen på solljus.
därför, nära soluppgång och solnedgång, är ett molns färg vilken solljusfärg den får efter Rayleigh-spridning. Vi ser att solljusets färg på grund av Mei-spridning som sprider alla återstående våglängdsfärger lika.
färgen på uppfattningen
ibland, under direkt solljus, kommer moln att visas grå eller mörkgrå mot en blå himmel eller större bakgrund av vita moln. Det finns vanligtvis två skäl till denna effekt.
- molnen kan vara halvtransparenta vilket gör att bakgrundsblå himmel kan ses genom molnet. Vilket ger det ett mörkare utseende.
- en vanligare orsak är kontrasten mellan bakgrunden (blå himmel eller ytterligare moln) och förgrundsmoln överväldigar vår vision. I huvudsak luras våra ögon med vår uppfattning om förgrundsmoln som verkar mörka i förhållande till bakgrundens överväldigande ljusstyrka.
den senare anledningen är varför solfläckar ser mörka ut. Solens ljusstyrka är baserad på temperatur och en solfläcks temperatur är lägre än solens omgivande yta.
i förhållande till solens yta verkar solfläckar ganska mörka. Men om solfläckar isolerades från den omgivande ljusstyrkan skulle de fortfarande vara för ljusa För att titta på med det oskyddade ögat. Kontrasten i ljusstyrka mellan de två är det som orsakar solfläckar verkar mörka.