Powietrze jest wszędzie. W tej chwili otacza twoje ciało, wypełnia pomieszczenie, w którym siedzisz, i dociera do każdego zakamarka. Skoro jest go tak dużo, to dlaczego go nie widzimy? Przecież nie jest obojętne dla świata – bez niego nie moglibyśmy oddychć, a wiatr potrafi zerwać dach z domu. Odpowiedź na to pytanie nie wymaga doktoratu z fizyki. Wystarczy przyjrzeć się temu, z czego zbudowane jest światło i jak zachowują się cząsteczki gazów.
Z czego składa się to, czego nie widać?
Zacznijmy od podstaw. Powietrze nie jest pustką. To mieszanina różnych gazów, głównie azotu (około 78 procent) i tlenu (około 21 procent), z domieszką argonu, dwutlenku węgla i pary wodnej. Te składniki to maleńkie cząsteczki, czyli atomy połączone w cząsteczki. Są one tak małe, że ludzkie oko nie ma szans ich zarejestrować.
Aby to sobie wyobrazić, pomyśl o plaży z lotu ptaka. Z dużej odległości widzisz po prostu jasny pas piasku. Dopiero gdy podejdziecie bliżej, zauważycie pojedyncze ziarnka. W przypadku powietrza sprawa wygląda inaczej – nawet stojąc tuż przy nich, nie zobaczysz pojedynczych cząsteczek gazu, bo są one tysiące razy mniejsze niż ziarnko piasku czy nawet fala światła.
Cząsteczki w powietrzu są od siebie oddalone. W ciele stałym, takim jak stół, atomy są ściśnięte blisko siebie i tworzą zwartą strukturę, która odbija światło w konkretny sposób. W gazach jest zupełnie inaczej. Cząsteczki latają swobodnie, z dużymi przerwami między sobą. Przestrzeń między nimi jest po prostu… pusta. Kiedy światło pada na taką strukturę, zachowuje się zupełnie inaczej niż w przypadku twardych przedmiotów.
Jak światło mija się z powietrzem
Wszystko, co widzimy, widzimy dzięki światłu. Słońce lub żarówka wysyłają promienie, które odbijają się od przedmiotów i trafiają do naszych oczu. Jeśli przedmiot odbija światło czerwone, widzimy czerwoną bluzę. Jeśli pochłania wszystko oprócz zieleni, widzimy zielone liście.
A co robi powietrze? Gazy tworzące atmosferę mają tę właściwość, że światło po prostu przez nie przelatuje. Cząsteczki azotu i tlenu są tak małe, że fale światła widzialnego są od nich znacznie dłuższe. Oznacza to, że światło przechodzi między cząsteczkami niemal bez przeszkód, jak deszcz padający przez rzadki płot z siatki. Promienie świetlne nie odbijają się od powietrza w taki sposób, jak od ściany czy lustra, dlatego nasz wzrok nie rejestruje konkretnej powierzchni gazu.
Istnieje jednak zjawisko, w którym powietrze wpływa na światło. To rozpraszanie Rayleigha. Odpowiada ono za to, że niebo jest niebieskie, a zachody słońca czerwone. Krótsze fale światła, czyli barwa niebieska, odbijają się od cząsteczek gazu chętniej niż fale dłuższe. W efekcie niebieskie światło rozprasza się po całym niebie. Więc paradoksalnie, choć samego powietrza nie widzimy, to właśnie dzięki niemu widzimy kolor nieba.
Dlaczego dym i mgłę widać, a powietrze nie?
Często zadajemy sobie pytanie: skoro w powietrzu unoszą się różne substancje, to dlaczego czasem widzimy gęstą mgłę, dym z komina albo smog, a czystego powietrza nie? Kluczem jest rozmiar cząstek.
Czysty azot i tlen są malutkie. Z kolei dym to mikroskopijne cząstki węgla i popiołu, a mgła to malutkie kropelki wody. Są one na tyle duże, że potrafią zatrzymać i rozproszyć światło we wszystkich kierunkach. Kiedy światło uderza w kroplę wody we mgle, odbija się od niej i wraca do naszych oczu, tworząc białą, nieprzejrzystą ścianę. Powietrze takich dużych cząstek nie zawiera, dlatego światło swobodnie przez nie przechodzi.
Można to porównać do czystej szyby w oknie. Jeśli szkło jest idealnie umyte, niemal go nie zauważysz i możesz uderzyć w nie głową. Szyba przepuszcza światło. Jeśli jednak napuścisz na nią pary wodnej albo ubrudzisz błotem, światło zacznie się odbijać na tych nierównościach i nagle zobaczysz powierzchnię szkła. Czyste powietrze działa jak ta idealnie czysta szyba.
Czy powietrze ma kolor?
Fizycy powiedzą wam, że czyste powietrze ma lekko niebieskawy odcień, ale jest on tak słaby, że ludzkie oko nie jest w stanie go zauważyć w małych ilościach. Dopiero gdy patrzymy przez gigantyczną warstwę atmosfery – na przykład na horyzont, gdzie gazy nakładają się na siebie na przestrzeni dziesiątek kilometrów – widzimy, że odległe góry czy budynki stają się zamglone i niebieskawe. To zasługa właśnie grubej warstwy powietrza, która po drodze rozprasza światło.
Gdybyśmy znaleźli się w kosmosie i spojrzeli na Ziemię, zobaczylibyśmy delikatną, niebieską otoczkę. To właśnie nasza atmosfera. Z bliska, siedząc w pokoju, tego nie dostrzeżemy, bo warstwa gazu nad nami jest zbyt cienka, by kolor dał o sobie znać.
Kiedy widzimy powietrze?
Choć na co dzień go nie zauważamy, są sytuacje, w których powietrze staje się widoczne. Nie widzimy samego gazu, ale widzimy skutki jego działania na światło. Najlepszym przykładem jest falowanie gorącego powietrza nad rozgrzanym asfaltem w letni dzień.
Kiedy powietrze mocno się nagrzewa, jego gęstość się zmienia. Ciepłe powietrze jest lżejsze i unosi się do góry, mieszając się z chłodniejszym. Światło przechodzące przez te warstwy o różnej temperaturze załamuje się w różny sposób. W efekcie obraz zaczyna drgać i falować. Widzimy wtedy nie samo powietrze, ale drogę, jaką pokonuje światło załamujące się w nierównomiernie nagrzanych masach gazu.
Innym przykładem jest wiatr. Samego wiatru nie zobaczysz, ale widzisz kołyszące się gałęzie drzew, unoszony przez niego piasek czy wirujące liście. Powietrze zdradza swoją obecność przez to, co robi z innymi obiektami, które mają odpowiednią wielkość, by stawić mu opór.
Podsumowanie, które stawia sprawy na swoim miejscu
Niewidzialność powietrza to nie żaden trik natury, ale czysta fizyka. Cząsteczki gazów są zbyt małe, a odległości między nimi zbyt duże, by światło mogło się od nich odbijać w taki sposób, jaki rejestrują nasze oczy. Powietrze jest przezroczyste, bo przepuszcza fale świetlne niemal bez żadnego oporu. Dzięki temu nie żyjemy w świecie zasłoniętym przez gęstą mgłę, a nasze oczy mogą bez problemu podziwiać widoki. I choć czasem zapominamy o jego istnieniu, wystarczy głęboki oddech, by przypomnieć sobie, że to niewidzialne coś jest nam absolutnie niezbędne do życia.
Zostaw komentarz