Het mirakel van de blauwe lucht

Wekelijks stuit Karel Knip in de alledaagse werkelijkheid op raadsels en onbegrijpelijke verschijnselen.

Deze week: wolken zijn wit, de lucht is blauw – maar is-ie op Mars echt geelbruin?

De aardse hemel (links) en de hemel boven Mars verschillen op foto’s sterk van kleur.
De aardse hemel (links) en de hemel boven Mars verschillen op foto’s sterk van kleur. Foto’s Georgi Licovski/EPA, NASA

Binnenkort zijn ze misschien voorgoed voorbij: die prachtige diepblauwe luchten waarop de coronacrisis ons trakteerde. Het KNMI besteedde er laatst aandacht aan, ook om het eens te hebben over de manier waarop het instituut de blauwheid van de blauwe lucht meet. De methode wordt al vijftien jaar gebruikt, tot dusver leek de hemel van 15 februari 2019 het blauwst, maar veel recente lentedagen scoorden ook uitzonderlijk hoog, met 22 en 31 maart als uitschieters. Het heeft te maken met aanvoer van lucht uit schone streken maar ook met weggevallen auto- en vliegverkeer.

Wie niet zelf kan bedenken hoe het blauw van de blauwe lucht ontstaat vergeet des te makkelijker wat de geaccepteerde verklaring is. Die blijkt ook altijd weer gecompliceerder dan hem bijstond. Het is een mirakel dat de 29-jarige John William Strutt, de latere Lord Rayleigh, in 1871 de verklaring vond zonder over een modern atoom- of molecuulmodel te beschikken. Zelfs de lichttheorie die hij gebruikte was nog elementair. Het witte licht van de zon was samengesteld uit een veelheid aan kleuren, de kleuren van de regenboog, en elke kleur had zijn eigen golflengte, wist hij. Want licht was te beschouwen als een trilling, een transversale trilling van ‘aether’.

Geïnspireerd door de observaties van anderen aan de polarisatie van het hemellicht en de blauwe kleur van rook kwam Strutt tot zijn theorie van ‘selectieve verstrooiing’. ‘Verstrooiing’ (scattering) is voor de gelegenheid te beschouwen als een soort random weerkaatsing aan minieme deeltjes. Paars en blauw licht, lichtsoorten van korte golflengte, worden effectiever verstrooid dan licht van langere golflengte zoals geel, oranje en rood. Kijkt een mens door de dikke luchtlagen boven zich in de richting van de zon dan ziet hij die geler dan de lui in het ruimtestation haar zien. Dat komt doordat de kleuren paars en blauw eruit zijn weg verstrooid, dat blauw en paars vinden we weer terug op grotere afstand van de zon. Zo zit het ongeveer.

Absorptie speelt nauwelijks een rol

Dat we lucht niet paars zien komt doordat het menselijk oog niet zo gevoelig is voor paars. Zoiets voor de hand liggends als absorptie, waaraan bijvoorbeeld dikke waterlagen hun blauwe kleur danken, speelt bij de vorming van het hemelblauw geen noemenswaardige rol. Alleen het stratosferisch ozon houdt wat langgolvig zichtbaar licht tegen.

Strutt kon afleiden dat de bovengenoemde kleurscheiding zich vooral goed zou ontwikkelen bij verstrooiende deeltjes met afmetingen van zo’n 10 à 20 procent van die van de lichtgolflengte. Hij dacht aan zoutdeeltjes, maar achteraf kwam vast te staan dat het moleculen stikstof en zuurstof waren. Deeltjes die juist heel veel groter zijn dan de lichtgolflengte, zoals wolkendruppels, verstrooien alle kleuren licht even goed. Daarom zijn wolken wit of grijs.

Deeltjes met afmetingen die de golflengte van licht maar weinig te boven gaan, zoals die van sigarettenrook en andere luchtvervuiling, vertonen vaak ook selectieve verstrooiing, maar minder uitgesproken dan die van luchtmoleculen. Kijk je dwars door sigarettenrook naar een witte lichtbron dan lijkt de rook vaak roodachtig.

Wat de leek niet zomaar doorziet

Dit zijn zo van die beschouwingen die je tegen komt als je zoekt naar het waarom van de blauwe lucht. De verstrooiingstheorie is voor de buitenstaander niet makkelijk te doorgronden, zeker niet als in rekening wordt gebracht dat licht eigenlijk een elektromagnetische trilling is. De leek doorziet bijvoorbeeld niet zomaar waarom het blauw van de hemel in de richting van de horizon altijd weer wittig wordt en hij zou op voorhand niet durven zeggen wáár aan de hemel het blauw het blauwst is. Dat kan ook reuze verschillen, schreef Minnaert in De natuurkunde van ’t vrije veld. De lage zon heeft het donkerste blauw op 95 graden afstand, de hoge op maar 65 graden. Het lastige zit hem hierin dat lucht niet alleen door de zon wordt verlicht maar ook door verlichte lucht.

Vroeger werden wel staalkaarten verkocht waarmee je de blauwste plekken vergelijkenderwijs kon opsporen. Ze waren afgeleid van de ‘cyanometer’ die in 1789 door De Saussure was ontwikkeld. De Saussure gebruikte 53 tinten van blauw, wit en grijs, oplopend van helder wit tot het diep donkerblauw dat de ijle lucht in hoge bergen opwekt. Minnaert gaf in 1968 nog aanwijzingen voor de zelfbouw van zo’n cyanometer maar die waren weinig concreet. Onlangs (2007) is een nieuw voorstel gedaan om te komen tot een systematische inrichting van hemelblauw-staalkaarten, nu met 100 tinten.

De hemel boven Mars lijkt geelbruin te kleuren op de foto’s die Marswagentjes maken. Foto NASA

Hoe zouden we de hemel op Mars zien? Op de foto’s die allerlei Marswagentjes van Marslandschappen maken prijkt boven de Marsheuvels meestal een geelbruine hemel. Logisch, zegt het Wikipedia-lemma ‘Rayleighverstrooiing’: de ijle atmosfeer wekt nauwelijks verstrooiing op en de vele stofdeeltjes (ijzeroxide) absorberen selectief het blauwe licht. Nee, het is gecompliceerder, noteert de site Serious Science. De stofdeeltjes absorberen niet alleen maar verstrooien ook, en er zit dus wel degelijk veel blauw in het spectrum van de Marshemel. Omdat de Marshemel heel lichtzwak is en de gevoeligheid van het menselijk oog bij lage lichtintensiteit naar het blauw verschuift (het purkinje-effect) zou een ruimtevaarder ter plekke misschien wel degelijk heel wat blauw zien. En zeker zou hij dat zien als er soms helemaal geen stof in de lucht zit want dan levert de weinige verstrooiing van de ijle Marsatmosfeer aan de horizon toch nog aardig wat blauw op.