Waarom is de lucht blauw? De natuurlijke verklaring

Iedereen heeft wel eens naar de hemel gekeken en zich afgevraagd: waarom is de lucht eigenlijk blauw? Het is een van die vragen die eenvoudig klinkt, maar waar het antwoord verrassend veel natuurkunde achter blijkt te schuil gaan. In dit artikel leggen we in begrijpelijke taal waarom de lucht blauw is, en waarom die kleur bij zonsondergang plotseling verandert in rood en oranje.

Het zonlicht bestaat uit alle kleuren

Om te begrijpen waarom de lucht blauw is, moeten we eerst kijken naar zonlicht. Zonlicht lijkt wit, maar eigenlijk bestaat het uit alle kleuren van de regenboog: rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet. Samen vormen deze kleuren wit licht. Dat kun je zelf zien als je een prisma of een glas water in het zonlicht houdt: het licht valt uiteen in alle kleuren van de regenboog.

Elke kleur licht heeft zijn eigen golflengte. Rood licht heeft de langste golflengte, violet en blauw licht hebben de kortste golflengtes. Dit verschil in golflengte is cruciaal voor het begrijpen van waarom de lucht blauw is.

Licht reist in golven

Licht is een vorm van elektromagnetische straling. Het reist in golven, net als rimpelingen op het water. Het verschil is dat lichtgolven heel klein zijn. De afstand van de ene top van een lichtgolf tot de volgende top noemen we de golflengte. Voor zichtbaar licht is die golflengte erg klein: rood licht heeft ongeveer 700 nanometer, blauw licht ongeveer 400 nanometer.

Een nanometer is een miljoenste van een millimeter. Dat betekent dat er duizenden lichtgolven naast elkaar passen in de breedte van één haar. Toch is het verschil in golflengte tussen rood en blauw licht precies wat de kleur van de lucht bepaalt.

De atmosfeer als verstrooier

De aarde wordt omringd door een atmosfeer, een laag gassen die vooral uit stikstof (zo’n 78 procent) en zuurstof (ongeveer 21 procent) bestaat. Daarnaast zitten er kleine hoeveelheden argon, koolstofdioxide en waterdamp in. Deze gasmoleculen zijn heel klein, maar ze zitten dicht genoeg bij elkaar om invloed te hebben op het zonlicht dat door de atmosfeer heen reist.

Als zonlicht de atmosfeer binnenkomt, botst het tegen deze gasmoleculen aan. Hierdoor wordt het licht in alle richtingen verstrooid. Dit proces heet Rayleighverstrooiing, vernoemd naar de Britse natuurkundige Lord Rayleigh die dit in de negentiende eeuw ontdekte. Het belangrijkste aspect van dit proces is dat het niet alle kleuren licht even sterk verstrooid.

Waarom vooral blauw?

De Rayleighverstrooiing is sterker naarmate de golflengte van het licht korter is. Blauw licht heeft een korte golflengte en wordt daardoor veel sterker verstrooid dan rood licht met zijn lange golflengte. In feite wordt blauw licht ongeveer vijf keer sterker verstrooid dan rood licht. Dit betekent dat als zonlicht door de atmosfeer reist, het blauwe deel van het licht in alle richtingen wordt verspreid.

Als je overdag naar de hemel kijkt, zie je dat verstrooide blauwe licht. Het blauwe licht komt van overal in de hemel naar je oog, niet alleen rechtstreeks van de zon vandaan. Daardoor lijkt de hele hemel blauw, in plaats van dat je alleen de zon ziet.

Violet licht heeft een nog kortere golflengte dan blauw en wordt nog sterker verstrooid. Waarom is de lucht dan niet violet? Dat komt doordat de zon minder violet licht uitstraalt, en doordat onze ogen veel minder gevoelig zijn voor violet dan voor blauw. Daardoor zien we vooral het blauwe deel van het verstrooide licht.

Bij zonsondergang verandert de kleur

Als de zon laag aan de hemel staat, tijdens zonsopgang of zonsondergang, legt het zonlicht een veel langere weg door de atmosfeer af dan als de zon hoog staat. Hierdoor is er veel meer atmosfeer om doorheen te reizen, en wordt vrijwel al het blauwe licht onderweg verstrooid en in alle richtingen verspreid. Het licht dat dan nog bij ons oog komt, is voornamelijk de langere golflengtes: rood, oranje en geel. Daardoor kleurt de hemel tijdens zonsondergang zo prachtig rood en oranje.

Hoe lager de zon staat, des te meer atmosfeer moet het licht doorheen. Daarom zijn zonsondergangen vaak het mooist als de zon net onder de horizon verdwenen is. De combinatie van rood, oranje en goudgeel die we dan zien, is precies het overgebleven licht nadat alle blauwe en groene golflengtes al eerder zijn verstrooid.

Waarom zijn wolken wit?

Mocht je je dit afvragen: wolken zijn wit omdat de waterdruppels en ijskristallen in wolken veel groter zijn dan gasmoleculen. Hierdoor verstoort het licht niet in het blauwe deel van het spectrum, maar worden alle kleuren ongeveer gelijk verstrooid. Alle kleuren samen vormen wit, vandaar dat wolken wit lijken.

Dit proces heet Mieverstrooiing, vernoemd naar de Duitse natuurkundige Gustav Mie. Het verschil met Rayleighverstrooiing is dat bij Mieverstrooiing de golflengte niet zo veel uitmaakt. Grotere deeltjes verstrooiden alle kleuren gelijkmatig, wat resulteert in wit licht.

Op andere planeten

De kleur van de lucht is niet overal hetzelfde. Op Mars is de atmosfeer heel dun en bestaat voor het grootste deel uit koolstofdioxide. Bovendien is de atmosfeer vol fijn stof dat roodachtig is. Daardoor is de hemel op Mars meestal niet blauw, maar eerder geelachtig of bruinachtig. Tijdens de zonsondergang is de hemel op Mars juist blauw, precies omgekeerd aan op aarde. Dat komt doordat het fijnste stof het blauwe licht doorlaat, terwijl het andere kleuren verstrooid.

Op Venus, met zijn dikke atmosfeer van koolstofdioxide en zwavelzuurdamp, is de hemel waarschijnlijk een oranjeachtige kleur. Dat toont aan dat de kleur van de lucht afhangt van de samenstelling en dikte van de atmosfeer en van de soort deeltjes die erin zitten.

Conclusie

De lucht is blauw doordat zonlicht wordt verstrooid door de moleculen in de atmosfeer, en blauw licht daarbij het sterkst wordt verstrooid omdat het een korte golflengte heeft. Bij zonsondergang ligt het licht een langere weg door de atmosfeer, waardoor het blauwe licht al verstrooid is en we vooral de rode en oranje kleuren zien. Het is een prachtig voorbeeld van hoe een eenvoudig ogend verschijnsel een rijke natuurkundige verklaring heeft. De volgende keer dat je naar een blauwe hemel kijkt, weet je precies hoe dat komt.