Rayleighovo sipanje

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje
Rayleighovo sipanje je glavni vzrok za modro barvo neba.

Rayleighovo sipanje je prožno sipanje svetlobe ali drugega elektromagnetnega valovanja, pri čemer se fotoni sevanja odbijajo od delcev, tj. atomov in molekul, in z njimi trkajo brez izmenjave energije. Navadno je prisotno v plinih, lahko pa se pojavi tudi v tekočinah in trdninah. Je funkcija električne polarizabilnosti delcev. Sorodno sipanje svetlobe je Tyndallov pojav.

Rayleighovo sipanje sončne svetlobe v relativno čistem ozračju je glavni vzrok za modro barvo neba.

Poimenovano je po angleškem fiziku Johnu Rayleighu.

Aproksimacija velikosti delca in intezitete sipanja[uredi | uredi kodo]

Sipanje svetlobe pri nižji valovni dolžini je bolj intenzivno kot pa pri višji valovni dolžini; sipanje modre svetlobe je tako večje od rdeče.

Velikost delca, pri kateri se svetloba sipa, se lahko izrazi z razmerjem x preko značilne dimenzije r in valovne dolžine λ:

 x = \frac{2 \pi r} {\lambda}.

Rayleighovos sipanje se lahko definira pri pri zelo majhnem razmerju x, tj. x << 1. Sipanje pri večjih okroglih delcih pojasnjuje Miejeva teorija.

Količina sipanja žarka svetlobe je odvisna od velikosti delca in valovne dolžine svetlobe. Natančneje povedano je inteziteta sipane svetlobe premo sorazmerna s šesto potenco velikosti delca in obratno sorazmerna s četrto potenco valovne dolžine. Intenziteto sipane svetlobe I z določeno valovno dolžino λ nepolarizirane svetlobe lahko torej zapišemo z naslednjo enačbo:

 I = I_0 \frac{ 1+\cos^2 \theta }{2 R^2} \left( \frac{ 2 \pi }{ \lambda } \right)^4 \left( \frac{ n^2-1}{ n^2+2 } \right)^2 \left( \frac{d}{2} \right)^6 ,

kjer je:

Rayleighovo sipanje in molekule[uredi | uredi kodo]

Žarek zelenega laserja z močjo 5 mW je ponoči viden zaradi Rayleighovega sipanja in prašnih delcev.

Rayleighovo sipanje nastopi tudi pri interakciji fotonov z molekulami. Posamezna molekula nima jasno definiranega refraktivnega indeksa in premera, zato je glavni parameter molekul njihova polarizabilnost α, ki opisuje do kolikšne mere se sicer nepolarna molekula polarizira v zunanjem električnem polju. V danem primeru se lahko intenziteto sipanja zapiše kot:[1]

I = I_0 \frac{8\pi^4\alpha^2}{\lambda^4 R^2}(1+\cos^2\theta).

Količino sipanja na posameznem delcu se lahko izrazi tudi z absorpcijskim presekom σ. Pri dušiku (N2) npr. znaša σ 5,1 x 10-31 m2 pri valovni dolžini 532 nm (zelena svetloba). To pomeni, da bo pri atmosferskem tlaku razpršen 10-5 del svetlobe pri vsakem metru potovanja.[2]

Močna odvisnost sipanja od valovne dolžine (~λ−4) v atmosferi pomeni, da se bo modra svetloba veliko bolj razpšila kot pa rdeča svetloba. Rayleighovos sipanje je tudi dobri približek sipanja svetlobe v drugih medijih (kot je voda), kjer imajo delci majhno razmerje x.

Barva neba[uredi | uredi kodo]

Rdeča barva ob sončne vzhodu in zahodu nastane zaradi filtracije modre in zelene svetlobe zaradi daljše poti žarkov, ko je Sonce na obzorju.

Osnovni vzrok[uredi | uredi kodo]

Sončeva svetloba se v atmosferi sipa zaradi molekul (še posebej zaradi N2 in O2) in drugih majhnih delcev. Kot že omenjeno je intenziteta sipanja obratno sorazmerna od četrte potence valovne dolžine, zato se svetloba s krajšo valovno dolžino (kot je modra svetloba) bolj razprši kot pa svetloba z daljšo valovno dolžino (kot je rdeča svetloba), kar daje nebu modro barvo; vijolična svetloba se absorbira v višjih plasteh atmosfere. Pri gledanju v smeri Sonca pride v ospredje svetloba, ki ni bila razpršena, kot je rdeča in rumena svetloba. To daje Soncu rumeni odtenek, čeprav je v manjši meri za slednje odgovorna tudi fluorescenca flavinov v roženici. Le-ti namreč fluorescirajo pod ultravijolično (UV) svetlobo z valovno dolžino blizu vidne svetlobe, kar opazimo kot rumenkasto meglico.

Rdeča barva ob sončnem vzhodu in zahodu se pojavi zato, ker je sonce blizu obzorja (horizontu), kar pomeni, da je pot, ki jo žarki prepotujejo, večja. S tem je večji tudi volumen zraka, v katerem se svetloba razprši, zaradi česar se modra in zelena svetloba praktično filtrirata, v ospredje pa tako stopi rumeno-rdeča svetloba. V primeru onesnaženega zraka je rdeča barva še bolj izrazita, ob morju pa je oranžna zaradi delcev soli.

Partikli in drugi vzroki[uredi | uredi kodo]

Modrikasta meglica na goratih območjih z bogato vegetacijo nastane zaradi aerosolnih terpenov, ki jih izločajo rastline.

Rayleighovo sipanje nastane v glavnem zaradi interakcije fotonov z atomi in molekulami v zraku, lahko pa se pojavi zaradi npr. zaradi sulfatnih delcev v obliki aerosola. Velike koncentracije le-teh nastanejo največkrat ob t. i. plinijskih eksplozijah, tj. zelo močnih izbruhov ognjenikov, zaradi česar postane modro nebo svetlejše. Drugi znani primer tega so gorata območja z bogato vegetacijo, kjer pogosto nastane modrikasta meglica zaradi aerosolnih terpenov, ki jih izločajo rastline in reagirajo z ozonom ter tvorijo delce s premerom okoli 200 nm. Po drugi strani pa se lahko zaradi gozdnega požara ali izbruha vulkana tvorijo fini delci s premerom od 500-800 nm, ki pa razpršijo rdečo svetlobo. Luna ima proti poznemu večeru zato moder sij, kar je relativno redek pojav.

Sipanje lahko nastane tudi zaradi mikroskopskih nihanj v gostoti zraka, kar je posledica nakjlučnega gibanja molekul zraka; pri območjih z večjo ali manjšo gostoto zraka kot okolica se refraktivni indeks v manjši meri razlikuje od tistega v okolici, zaradi česar lahko tovrstna nihanja delujejo kot kratkoživi delci, ki razpršijo svetlobo.

Pri območjih z majhno svetlobno onesnaženostjo je nočno nebo ob luninem siju tudi modro, saj Luna praktično odseva sončevo svetlobo na Zemljo. Kljub temu človeško oko ne zazna same barve, saj je oko prilagojeno na gledanje v temi, tj. v mrežnici so izpostavljene paličnice, ki zaznavajo samo svetlost in ne barv.

Rayleighovo sipanje pri živalih[uredi | uredi kodo]

Ob kombinaciji odboja svetlobe od iridofor in sipanja svetlobe zaradi biokromov, ki se nahajajo v povrhnje ležečih kromatoforah, lahko nekatere živali, kot so plazilci in dvoživke, ustvarijo zeleno ali svetlo modro barvo kože.[3]

Glej tudi[uredi | uredi kodo]

Opombe in sklici[uredi | uredi kodo]

  1. ^ Nave, C.R. (2005). Rayleigh scattering. HyperPhysics, Georgia State University. Pridobljeno 16.02.2010.
  2. ^ Sneepm, M. & Ubachs, W. (2005). "Direct measurement of the Rayleigh scattering cross section in various gases". Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 92 (293). 
  3. ^ Fujii, R. (2000). »The regulation of motile activity in fish chromatophores«. Pigment Cell Res. 13: 300-19. PMID 11041206

Literatura[uredi | uredi kodo]

  • Bohren, C.F. & Huffman, D. (1983). Absorption and scattering of light by small particles. New York: John Wiley.
  • Ditchburn, R.W. (1963). Light, 2. izdaja. London: Blackie & Sons, str. 582–585.
  • Chakraborti, S. (2007). "Verification of the Rayleigh scattering cross section". American Journal of Physics 75 (9): 824−826. doi:10.1119/1.2752825. 
  • Ahrens, C.D. (1994). Meteorology Today: an introduction to weather, climate, and the environment, 5. izdaja. St. Paul MN: West Publishing Company, str. 88-89.

Zunanje povezave[uredi | uredi kodo]