HORVÁTH GÁBOR

Fényszóródás a természetben

Fôbb fényszórási típusok

A fényszóródás többféleképpen létrejöhet. Ha a fény atomokon, molekulákon szóródik, molekuláris vagy Rayleigh-szórásról beszélünk, ha kolloidoldatokon, akkor Tyndall-szórásról, ha a fény hullámhossza nagyságrendjébe esô méretû szemcséken, akkor Mie-szórásról. A Rayleigh-szórásra r << l, a többire r >~ l jellemzô, ahol l a szóródó fény hullámhossza, r a szóró részecske sugara. Általában, ha egy olyan részecskére esik fény, amelynek a törésmutatója a környezô közegétôl eltér, és gyengén elnyelô, a részecske maga is szekunder fényforrássá válik, másodlagos fényt sugároz a tér minden irányába. Ellenben ha a részecske erôsen elnyelô (pl. koromszemcse), akkor a fényt diffraktálja, ami lényegében szórási folyamat eredménye, csak a fény úgy szóródik, hogy a tér egy bizonyos tartományában interferenciás kioltás megy végbe, így a részecske a fényhullámtérbôl egy tartományt mintegy kitakar (ilyenkor az ún. Huygens-Fresnel-elv érvényesül).

Ha a fény gázokbeli szóródását tekintjük, feltételezhetjük, hogy minden egyes molekula a többitôl függetlenül reemittálja a másodlagosan szórt fényt úgy, hogy a teljes szórt intenzitás - a levegôbeli szóródásnál az ún. égboltsugárzás - az egyes molekuláris intenzitások összegével egyenlô. Ennek oka, hogy a gázmolekulák az intenzív hômozgások miatt véletlenszerûen helyezkednek el a térben, így a molekulák egyedi sugárzásai semmilyen irányban nem interferálnak úgy, hogy erôsítenék vagy kioltanák egymást, csak a beesô fény irányában. Ez nem igaz akkor, ha a molekulák (atomok) periodikusan rendezôdnek el, mint pl. a kristályos anyagban. Sôt a periodikusság nem is annyira szükséges, inkább az, hogy megfelelôen sûrû legyen az anyag, s ne legyen a részecskék mozgása oly kaotikus, mint a gázokban. Ebbôl a szempontból tehát szóba jöhetnek amorf folyadékok, valamint szilárd anyagok is, ahol az oszcillátorként sugárzó molekulák már nem teljesen véletlenszerûen rendezettek, nem változtatják helyüket kaotikusan, így a számítások szerint a szórt hullámok határozott módon fognak interferálni egymással, aminek eredményeként a beesô fény útjának irányában erôsítik egymást, minden más irányban gyengítik. Az egyes hullámok erôs hullámmá összegzôdnek, amit megtört hullámnak nevezünk, a többi irányban kioltás jön létre. Ha a szóró specieszek tökéletesen periodikusan rendezôdnének el, a kioltás teljes lenne (az amorf, sûrû anyagoknál fennmarad egy kis intenzitású oldalra szórt sugárzás a kioltás nem tökéletes volta miatt). A megtört hullám a fény vákuumbeli c sebességétôl eltérô, v = c/n sebességgel terjed, ahol az n törésmutató az oszcillátorrezgések amplitúdójával kapcsolatos. Minthogy az oszcillátorok amplitúdója függ a frekvenciától, az oszcillátorok (atomok, molekulák) pedig a gerjesztô fény frekvenciájával végeznek kényszerrezgést, azért érthetô a diszperzió jelensége.

Azonban a kristályos anyagok sem ideálisak, tartalmaznak számos rácshibát, szennyezést, és fonongerjesztések is léteznek az abszolút zérus hômérséklet fölött. Ezek a rendellenességek kiszórják a fény egy részét a megtört hullám irányából. Ez a szóródás azonban azonos számú részecskére vonatkoztatva sokkal gyengébb a levegôbeli szórásnál, hiszen relatíve ezen rácsszabálytalanságok száma jóval kisebb, mint gázokban (a molekulák száma). Visszatérve a gázokra, másképpen is megközelíthetô a szórási mechanizmusuk, mint az elôbb tettük. A gázok molekuláinak említett rendezetlen mozgása miatt mikroméretekben erôsen ingadozik a gázok sûrûsége. Ezen sûrûségfluktuáció miatt úgy fogható fel, mintha az így kialakult parányi molekuláris méretû sûrûsödési gócok szórnák a fényt. Az amorf anyagokban (folyadékok, üvegek) ezek a sûrûségfluktuációk mintegy be vannak fagyva, hiszen a részecskék hômozgása csak az egyensúlyi helyzetük szûk környezetére korlátozódik, s ezen túlmenôen az aperiodikus szerkezet ellenére is, a nagy sûrûség miatt kisebbek a fluktuációk, s idôben sem olyan gyorsak. Ezzel indokolható, hogy ezek az anyagok a fénytörés szempontjából közelebb állnak a kristályos anyagokhoz, s csak kevéssé szórják a fényt (gondoljunk az átlátszó üvegre).

1. ábra. Rayleigh-részecskén való fényszóródás intenzitásának irányeloszlása a hullámhossz függvényében; l1 > l2> l3> l4

Fényszóródáskor másodlagos hullámok alakulnak ki a közegben, melyen a gerjesztô fény áthalad. Ilyen szekunder fényforrás fény hatására pl. úgy keletkezhet, hogy a részecskékben mint polarizálható töltésrendszerekben (a molekulák, atomok elektronburka az elektromágneses tér hatására deformálódik) állandó fáziseltolódással kényszerrezgések keletkeznek, amelyek következtében a részecske azonos frekvenciájú elektromágneses hullámot, fényt bocsát ki. Ilyen természetû szóródás fénye tehát csakis a gerjesztô fény hullámhosszait tartalmazhatja. A l -nál jóval kisebb méretû részecskén szóródott fényhullám fázisa a gerjesztôéhez képest állandó, mert a részecske különbözô pontjaiból azonos fázissal kiinduló fényhullámok közt számottevô útkülönbségek nem léphetnek fel, így nem létezhetnek olyan irányok sem, amelyek mentén interferencia útján erôsítés, kioltás következne be. Ezért a szóródott fény a gerjesztôével interferenciaképes, azaz koherens. Az ilyen kis részecskéknél ezért minden irányú, diffúz eltérítés áll elô, ezt nevezzük Rayleigh-szórásnak. A Rayleigh-szórásra jellemzô, hogy a szórt és a teljes beesô fény intenzitásviszonya a fény hullámhosszának negyedik hatványával fordítottan arányos, tehát a hosszabb hullámhosszúságú fény jóval kisebb mértékben szóródik, mint a rövidebb. A szóródó fény intenzitásának irány szerinti eloszlását az 1. ábrán tüntettük fel, ahol érzékettettük a hullámhosszfüggést is.

2. ábra. Rayleigh-szóráskor a különbözô rezgésvektorú szórt hullámok intenzitásának irányfüggése

Rayleigh-szórásnál tehát a szórási kép hengerszimmetrikus a beesô fény iránya mint tengely körül, ezenkívül a részecskét tartalmazó, a beesô fény irányára merôleges síkra tükörszimmetrikus, vagyis azonos arányú a szórás elôre és hátra. A szóródott fény polarizációs állapota eltér a beesôétôl. A merôlegesen szóródott fény lineárisan poláros lesz, azaz polarizációfoka 1, rezgési sikja pedig a beesô fény irányára merôleges. A gerjesztô fény irányára merôlegesen szóródó fény rezgési síkja azért merôleges a szóródási síkra, mert a gerjesztô természetes (0 polarizációfokú) fény rezgési amplitúdójának mindig van a szórási síkra merôleges komponense. Ha a szóródási szög eltér 90^o-tól, akkor a szóródott fény polarizációfoka kisebb lesz egynél, q = 180^o esetén pedig 0 lesz. Fektessünk gondoIatban egy kört a szóró részecskére úgy, hogy az a kör középpontjában legyen, a beesô fénysugár pedig a kör síkjába essen a 2/a ábra szerinti módon. Akkor ebben az esetben, ha Rayleigh-szórással van dolgunk, a kör síkjára merôleges, ill. azzal párhuzamos rezgésvektorú szórt sugárzás intenzitását a szórási szög függvényében a 2/b, 2/c ábra mutatja. A teljes szórási intenzitás nyilván e két I_párhuzamos és I_merôleges részintenzitás összege lesz I = I_párhuzamos + I_merôleges, s visszakapjuk az 1. ábra polárdiagramját (lásd a 2/d ábrát).

Ha a részecskeméret a szóródó fény hullámhosszának nagyságrendjébe esik, akkor Mie-szórásról beszélünk. Ilyenkor megváltozik a polarizációviszony és az irányeloszlás is. Egy Mie-szóró részecskén való fényszóródés intenzitásának irányeloszlását mutatja 3. ábránk. Megmaradt a beesô fény iránya körüli hengerszimmetria, de a részecskét magában foglaló, a beesô fény irányára merôleges sík már nem tükörszimmetria sík, jóval több fény szóródik elôre, mint hátra. A szóródás változatlanul hultámhosszfüggô, de már nem annyira, mint a Rayleigh-szórásnál. Az ábrán látható, hogy a különbözó hullámhosszak szóródási képe fôleg oldalirányban tér el. A Mie-szórásnál megmarad a nagyobb hullámhosszak felé való kisebb szórási jelleg.

3. ábra. Mie-féle szórás irányeloszlása a hullámhossz függvényében. A fény a nyíl irányában esik a részecskére, amit gömb alakúnak tételezünk fel

A gázmolekulák méretük miatt Rayleigh-szórnak; Mie-szóró részecskék pl. a makromolekulák, de a Tyndall-szórásért felelôs kolloidszemcsék is, így a Tyndall-szórás speciális Mie-szórás. A Mie-szórásnak a gyakorlatban számos alkalmazása létezik. A víz, az üveg pl. a bennük eloszló kolloidális méretû aranyszemcsék hatására csak a rubinvörös fényt engedi át, a többi, kisebb hullámhosszúságút kiszórják, így fényszûrôként alkalmazhatók (rubinüveg). Különbözô kolloidoldatokon a szóródó fény relatív intenzitásából következtetni lehet a részecskék koncentrációjára, átlagos méretére. Egyes fényszórást okozó polimer vegyületek molekulasúlyát is meg lehet határozni ily módon.

A fényszórás részecskeméret-függése a hullámhossz függvényében a 4. ábrán látható. A Rayleigh-szórás r < 0,03 µm-es részecskékre áll fenn. r < 0,5 µm részecskesugaraknál a rövid hullámhosszú fény szóródik jobban ("sárga Hold" tartomány, meteorológiai nómenklatúrával élve), míg nagyobb szórószemcséknél a nagyobb hullámhosszú fény szóródik erôsebben ("kék Hold" tartomány). A meteorológiai elnevezések magyarázata az, hogy ha a levegôben sok olyan részecske lelhetô fel, amelynek mérete a szóban forgó tartományba esik, akkor pl. a Hold fénye sárgás, ill. kékes árnyalatúvá válik a fényszóródás következtében. Nagy részecskeméret esetében a "kék Hold" intervallumon túl nem lehet az eddigiekhez hasonló jellegzetes szórási tartományokat elkülöníteni, ekkor gyakorlatilag megszûnik a fényszórás hullámhosszfüggése, az eredetileg fehér fény ebben a tartományban diffúzan fehéresen szóródik, innen nevezik ezt az intervallumot "fehér"-szórási tartománynak.

A meteorológiai "sárga Hold" tartomány megegyezik a fizikai Mie- és Tyndall-szórásival. A fenti szórási módok tisztán persze csak akkor figyelhetôk meg, ha a szóró részecskék túlnyomó többsége egy jól meghatározott mérettartományba esik, ami ténylegesen ritkán áll fenn, így az egyes szórási típusok keverednek egymással. Mivel a szóró részecskék között a levegô molekulái számbeli többségben vannak, ezért a Rayleigh-szórásra fennáll az elôbbi feltétel, tehát a Rayleigh-szórás viszonylagos állandósággal bír.

Ha sorrendet állítunk fel az egyes szórási módok természetbeli elôfordulásának gyakorisága szempontjából, elsô helyre a Rayleigh-szórás kerül, utána a Mie-szórás, ill. a "fehér-szórás" következik, legutolsó pedig a "kék Hold"-szórás. Mint késôbb látni fogjuk, az utóbbi típus csak igen ritka természeti feltételek fennállása esetén, csak rendkívül heves vulkánkitörések alkalmával figyelhetô meg. Az eddigiekhez hasonló természetû fényszóródást idegen részecskéktôl mentes, olyan optikai közeg is elôidézhet, amelyben a törésmutató térben és idôben statisztikusan ingadozik (ez az ún. Schlieren-jelenség). Ilyen helyzet alakul ki forró, napsütéses idôjárás esetén, mikor a légkör rendszertelen törésmutató-fluktuációit a különbözö hômérsékletü légtömegek turbulens kavargása idézi elô. A látható fény szóródása ekkor jellegzetes remegés, vibrálás formájában (a tereptárgyak kontúrja elmosódik, vibrál) közvetlenül észlelhetô; de a hosszabb hullámok is szóródnak, mivel a törésmutatóingadozás ekkor a hullámhossznál jóval nagyobb levegôtartományok elkülönüléseit jelenti, amelyek szórása hullámhosszfüggetlen ("fehér"-szórás). A nagyobb hullámhosszú hullámok szóródását ekkor infrafelvétellel lehet kimutatni.

Eddig olyan szóródási típusokról volt szó, amikor a beesô és a szórt fény frekvenciája azonos volt. Egy részecske azonban fény hatására nemcsak egyszerû kényszerrezgése miatt válhat másodlagos fényforrássá. Többatomos molekulán felléphet a fény ún. Raman-szóródása is, mikor a molekula mélyebb kölcsönhatásba lép a gerjesztô fénnyel, s oszcillációja, ill. rotációja révén a beesô fényétôl eltérô frekvenciájú és éppen ezért inkoherens fényt képes kibocsátani. Ekkor arról van szó, hogy a molekula vagy energiát vesz fel, vagy gerjesztettségénél fogva energiát ad le (kvantumokban) a beesô fénynek. Az elôbbi eset kisebb, az utóbbi nagyobb frekvenciájú fény kisugárzását eredményezi, mint a beesô fériy. Másik fajtája a szóródásnak, mikor pl. egyatomos alkáli gôzök bizonyos hullámhosszúságú fényt abszorbeálnak és azonnal azonos hullámhosszúságú, igen koherens rezonanciasugárzást, szórást keltenek.

A röntgensugárzás az egészen lazán kötött atomelektronokon szóródhat, aminek hatására a szóródott fény hullámhossza irányfüggôen, de minden esetben nô. Ez a Compton-effektus, az inkoherens fényszórás egyik jellegzetes képviselôje. Egyes kristályok vagy molekulák fotolumineszcencia útján is szórhatják a rájuk esô fényt.

Lumineszcencián értjük a fénysugárzás azon eseteit, amikor a fénykibocsátás oka nem a hômérsékleti sugárzás. Fluoreszcencia esetében (mint a lumineszcencia speciális esete) a fénnyel megvilágított anyag maga is fényt bocsát ki, melynek spektruma jellemzô az anyagra és általában a gerjesztôénél nagyobb hullámhosszúságú. Fluoreszkáláskor a beesô fényt elnyelik az atomok, molekulák, majd többnyire megváltozott hullámhosszal reemittálják addig, amíg tart a gerjesztés. A lumineszcencia másik fontos fajtája a foszforeszcencia. Ekkor a világítás a gerjesztés után is hosszabb-rövidebb ideig még fennmarad. Míg a fluoreszcencia esetén a fény abszorpciójának és emissziójának elemi folyamata ugyanazon molekulában, atomban történik, addig a foszforeszcenciánál általában ez nem így van, utóbbi esetben igen bonyolult tárolási mechanizmus iktatódik az abszorpciós és emissziós folyamat közé. Végül megemlítjük, hogy az 1960-as évek elején amerikai fizikusok a fény bizonyos kristályokon való Rayleigh-szóródását tanulmányozva fedezték fel az optikai felharmonikusok jelenségét, amikor a szóródó fény kölcsönhatva a beesôvel, két, ill. három azonos frekvenciájú (energiájú) foton egyesülvén kétszeres, ill. háromszoros frekvenciájú, igen gyenge sugárzás keletkezik.

Mielôtt rátérnénk a fényszóródás természetbeli elôfordulásaira, megemlítünk egy mindenki által könnyen elvégezhetô kísérletet, amivel egyszerre demonstrálható a kékes színt okozó Rayleigh-szórás és a hullámhosszfüggetlen "fehér-szórás". Megfigyelhetô, hogy az égô cígaretta izzó, parázsló végébôl kékes füst száll fel, míg a kifújt, valamint a szûrôn át kiszüremlô füst fehéres színû. Az elölrôl felszálló füst kékes színezetét a Rayleigh-szórás okozza, mivel ezek a füstszemcsék a fény hullámhosszánál jóval kisebbek. Az egész cigarettán és a szûrôn át szívott füstben az elôzô apró részecskék koagulálódnak (az egymáshoz csapódástól összetapadnak), s olyan nagyméretû füstszemcsék keletkeznek, amiken a fény "fehér-szóródik". Innen a fehéres szín.

Az aeroszol fényszórása

Az aeroszolok olyan kolloidális, kvázistabil, diszperz rendszerek, amelyekben a diszpergáló fázis gáz, a diszpergált anyag pedig vagy folyadék, vagy szilárd anyag. A folyadék aeroszolokat ködöknek, a szilárdakat pedig pornak, füstnek nevezzük. A bennünket körülvevô légkört is ilyen kolloidális rendszernek foghatjuk fel, ahol az oldószer a levegô, számtalan benne diszpergált részecskével, korom- és porszemcsével, víz és különbözô oldatok cseppecskéivel.

Ha a kolloidrészecske a természeti erôk munkája során kerül a diszpergáló közegbe, akkor természetes aeroszolokról beszélünk. Így a vulkáni mûködéskor láva, hamu, kôzettörmelék, erdôk égéstermékei jutnak a levegôbe. A szelek homokot, virágport, spórákat, apró növényi maradványokat, ásványszemcséket stb. kavarnak fel, a partok szikláihoz verôdô hullámokból pedig vízcseppek keletkeznek, diszpergálódnak, s a tengervíz elpárolgása után sókristályok maradnak vissza a levegôben. Ezek az idegen anyagok csak egy részét képezik a légkörben levô kolloidrészecskéknek, mivel az emberi tevékenységek ugyancsak hozzájárulnak az aeroszol képzôdéséhez. Ezen utóbbiakat mesterséges aeroszoloknak nevezzük. Így a városi tüzelés, közlekedés, az iparvidékeken termelôdô porok, égéstermékek, a cigarettázás, de a seprés stb. is lényegében aeroszolkeltés.

Az aeroszoloknak nemcsak a légköri fényszóródási jelenségekben van nagy szerepük, hanem jelentôs biológiai, fiziológiai hatásuk is ismert; fontos továbbá a meteorológiai hatásuk (felhô-fizika területén a csapadékképzôdésben). Az aeroszolszemcsék mérete igen széles tartományt fed le, s attól függôen, hogy az átlagos, többségi aeroszolméret milyen intervallumba esik, elôidézhet "sárga Hold", "kék Hold", Rayleigh- vagy "fehér"-szórást s az ezeknek megfelelô színeffektust.

Speciális, korunkra, a nagyvárosi levegôre igen jellemzô aeroszolfajta a fotokémiai szmog. Bizonyos mesterséges eredetû légszennyezô anyagok (pl. a kipufogógázok) a Nap sugarainak hatására átalakulnak, s ún. peroxi-acetilén-nitrát (PAN) és bizonyos N-tartalmú részecskék képzôdnek, amikre a 0,5 µm körüli méret a jellemzô. Ezek a szilárd kristályos szerkezetû részecskék a fényt úgy szórják, hogy az égbolt tejszerû, opálos fényt kap.

Az alpesi fény

Az alkonypír színeffektusait fokozni képes a megnövekedett aeroszolkoncentráció, de a jelenségért mégis túlnyomórészt a Rayleigh-szórás a felelôs, ami érthetô is, hiszen a szóró részecskék között a levegô molekulái vannak többségben. Az alkonypírral rokon fényjelenségben, az ún. alpesi fényeffektusban igen nagy szerepet játszik az aeroszol. Az alpesi fény többnyire a magasabb hegységekben figyelhetô meg, s keletkezéséhez elengedhetetlen, hogy a sztratoszférában megnövekedjék az aeroszolkoncentráció, valamint a troposzférában jók legyenek a látási viszonyok. E két feltétel csak ritkán teljesül egyszerre; fôleg az nagyon ritka, hogy jelentôsen nô a sztratoszféra aeroszolkoncentrációja. A sztratoszféra ugyanis - mivel az alatta lévô átmeneti rétegben pozitív a légkör hômérsékleti gradiense - mentes a nagyobb függôleges feláramlásoktól, inkább a nagy horizontális szelek a jellemzôek rá, ezért csak igen nehezen, hatalmas energiák felszabadulása árán (fôleg vulkánkitörések alkalmával) kerülhet nagyobb mennyiségû aeroszolszemcse e rétegbe. (Lásd Béll Béla-Zólyomi Bálint: Alpesi fény Budapesten c. cikkét folyóiratunk 1984. évi 1. számában. - a szerk.)

Nagy vulkánkitörések okozta légköri optikai színeffektusok

A Krakatau 1883-as kitörésének hatása oly drámai és katasztrofális volt, hogy a szokásosnál is részletesebb leírások születtek róla. A Royal Society korabeli jelentésében pl. külön fejezetet szenteltek leírásának. A fejezet az 1883-86 között lejátszódott szokatlan légköri optikai jelenségekrôl szólt, beleértve a szürkületi hatásokat, halo-jelenségeket; az égbolt elhomályosodását, elszínezôdését, a Nap, a Hold színváltozásait stb. Mi itt most a témánkhoz kapcsolódó részét tekíntjük az E. A. Russel és E. D. Archibald tollából származó leírásnak, azaz az égbolt, a Nap színeire vonatkozó utalásokat.

A Krakatau kitörése, különösen a tetôponton bekövetkezett robbanások hatalmas mennyiségû hamut lövelltek a levegôbe, kb. 8 km magasságba. Ennek hatása a kitörés közvetlen környékén sûrû hamuhullás és nagy sötétség volt, a hamufelhô eltakarta a Napot. A nagyobb hamurészecskék gyorsan kihullottak, a kisebbek azonban sokkal tovább lebegtek, és a felsô légkör áramlatai nyugat felé sodorva ôket, a Földet többször megkerülték. A hamufelhô elsô körutazása a trópusok vonalába esô keskeny zónára korlátozódott, a továbbiak során egyre inkább szétszóródott, végül jó néhány körülfordulás után a hatását már az egész Földön, a sarkvidékek kivételével, szinte mindenütt észlelni lehetett. Ez a finom porból álló ködfátyol sokféle szokatlan optikai jelenséget okozott. A legemlékezetesebbek a világszerte gyakori igen vörös; bíboros naplementék, ill. felkelték voltak. Egyikük ihlette meg Alfred Tennysont is:

Ezeket a szokatlanul vörös naplementéket és -felkeltéket a Nap sugarainak a parányi hamurészecskéken való Rayleigh-, ill. "sárga Hold" -szórása okozta azáltal, hogy a rövid hullámok (kék, zöld, sárga) kiszóródtak a direkt napsugárzásból, s az így narancssárgás-vörössé váló direkt fény a hamufelhônek a Naptól kis szögben látszó részeirôl szóródva, visszaverôdve intenzív alkonypírral öntötte el a tájat.

De a vulkanikus hamuból álló felhôk szemcsemérete korántsem volt azonos. A kisebb részecskékbál álló, magasabbra is feljutó felhôk Rayleigh- és Mie-szórást okoztak, a nagyobb szemcséjûek pedig a "kék Hold" tartományban szórták a fényt, így az égbolt és a Nap színe éppen a szokásosnak megfelelôhöz képest megfordult, a Nap lett kék és az ég vörös, mint ahogy az kiderül az elôbb említett beszámolóból (Ceylon Observer 1883. szept. 17.): "... Az utóbbi három napban a Nap ragyogó zöld színben kel fel; s ilyen marad addig, míg kb. 10^o-kal ér a látóhatár fölé. Feljebb haladtában azután gyönyörû kék színbe vált át, majd ez a kék olyan tündöklô lesz, mint az égô kén lángja. Amikor kb. 45^o-kal van a látóhatár felett, puszta szemmel már nem lehet ugyan belenézni, de fénye még a zeniten is kék. Ez késôbb a fakó kéktôl a világoskékig változik, s még délben is egy kicsit a holdsütéshez hasonlít. Napszálltakor ugyanezek a változások zajlanak le, csak fordított sorrendben. A Hold, amely mostanában délutánonként is látható, napnyugta után ugyancsak kékes árnyalatú..."

Ezeket az elszínezôdési jelenségeket annak idején a Földön szinte mindenütt lehetett látni. Az eddigiek alapján meg tudjuk magyarázni e szokatlan színeffektusokat. A Nap alacsony állásakor a zöld színét az okozta, hogy a hamufelhô nagyobb szemcsékbôl állt, s a "kék Hold" tartományban a nagyobb hullámhosszúságú fénysugarak szóródtak jobban, így a Föld felszínére érô direkt napfénybôl kiszóródtak a vörös, narancs- és citromsárga sugarak. A levegômolekulákon történô Rayleigh-szórás továbbra is megmaradt; így a direkt fénybôl az ibolya és kék komponens is kiszóródott, maradt egyedül a zöld. Felsôbb napálláskor a Rayleigh-szórással kiszóródó kék hányad a kisebb levegôréteg miatt jelentôsen csökkent, tehát a zöld szín eltolódott a zöldeskék, majd a kék árnyalat felé. A Holdra, amely a Nap fényét reflektálja, ugyanez érvényes.

Az égbolt ilyenkor az oldalra kiszóródó nagyobb hullámhosszúságú fényben, azaz vöröses-rózsaszínben dereng. Igazán meglepô és csodálatos látvány lehetett a rózsaszín égbolton zöld, kék színben tündöklô Nap. Persze a hamuszemcsék nem különültek el mindig egyértelmûen a "kék Hold" szórási tartományba, számos átmenet létezett, az optikai jelenségek ennek megfelelôen keveredtek, a finom színárnyalatok egybefonódtak. Jól példázza ezt Russel 1883. november 9-i, Surreybôl származó beszámolója: "... Naplementekor igen finom cirruszfátyol a Nap fölött. Figyelemre méltó fehéres-zöldes opálos derengés. Napszállta után kb. 15 perccel a Ny--DNy-i égbolt majdnem egészen a horizonttól 45^o-ig finom rózsaszínben tündökölt. Ez alatt különleges zöldes és zöldesfehér opálos fény. A rózsaszínû ragyogás elôbb bronzsárgába, majd zöldesbe fakult..." Hasonló hosszú idejû aeroszolkoncentrációt figyeltek meg századunkban is, 1963-ban az Agung-vulkán, valamint 1980-ban a Mt. St. Helens-vulkán heves kitörését követôen, 1982-ben pedig az El Chichon tört ki, s a kidobott hamufelhô hasonló jelenségeket idézett elô. Vulkánkitörésekkor, fôleg a légkörbe kerülô kén-dioxidból és vízgôzbôl a napsugárzás hatására kénsav keletkezik, ami igen apró cseppeket alkot. Az aeroszol további jelentôs részét képezik a szulfátrészecskék, szilikátszemcsék, fémsókristályok kb. 0,1 µm-es átlagmérettel.

A Mars légkörének optikai szórása

A bolygák közül a Merkúron kívül mindnek van légköre. A Vénuszé igen sûrû, számottevô felhôvel. A vénuszi felhôkben igen sok kénsavcsepp fordul elô, s szinte összefüggô felhôréteg takarja el a Napot, így a felszínére csak kevés, diffúz fény juthat le. A légköri gázok domináló komponense a CO₂, s nagyon sûrû légkörrôl van szó, hiszen a légnyomás a felszínen a földiének mintegy 100-szorosa. Éppen ezért felhôtakaró hiányában az erôteljes fényszóródás érdekes színeffektusokat okozhat. A jóval erôsebb Rayleigh-szórás miatt a Földön megszokottnál jóval intenzívebb kék lenne az égbolt, s a naplemente vörös színárnyalata is szokatlanul mélynek és erôsnek tûnne. A nappali mélykék égbolton a Nap is jóval sárgább színben tündökölne. Az óriásbolygókkal is hasonló a helyzet. Sûrû, az egész bolygóra kiterjedô sávos szerkezetû felhôrendszerük van, de mivel ûrszonda még nem látogatta meg ôket közelebbrôl úgy, hogy légkörükbe lemerült volna (a NASA tervbe vette ezt, a Galileo-ûrszondával, de a Challenger-katasztrófa miatt mindez késik), ezért nem is tudunk sokat róluk. A Marssal már más a helyzet. Szondák is meglátogatták, és légköre is igen ritka, a földiének alig ezredrésze a felszíni légnyomás. Pályaexcentricitása kb. 6-szor nagyobb, mint a Földé, ez lényeges különbséget okoz a naptávolságban a perihélium és afélium között (1,38, ill. 1,67 CSE). A perihéliumban beérkezô nagyobb mennyiségû napsugárzás magasabb hômérsékletet és erôsebb szeleket hoz létre. A szél által felkevert por közvetlen szoláris fûtése még nagyobb felszíni hômérsékletet eredményez. A felkavart por hôelnyelése és a szél egymást erôsítve olyan hatalmas porviharokat kavar, amelyek néha hónapokon keresztül fennmaradnak. A szélsebesség eléri a 160 km/h-t, a hômérséklet 20 ^oC-kal is meghaladja az átlagot, és a finom porrészecskéket a szél 50 km magasra emeli. A nappalok és éjszakák közötti nagy hômérséklet-különbségek által elôidézett erôs örvénylô légmozgások következtében a por sohasem ül le teljesen, mintegy 30 km magasságig mindig megtalálható. Mivel a finom por szemcsemérete éppen a "kék Hold" tartományba esik, ezért a fényszóródás miatt a Mars ege halvány rózsaszínû, amit csak fokoz, hogy a diszpergált por maga is bizonyos fém-oxidoktól vöröses, barnás színezetû.

A légköri aeroszolkoncentráció növekedésével magyarázható a földi téli napfelkelték és naplenyugták erôs vörös színe is, hiszen télen a fûtés miatt nô a mesterségesen keltett aeroszol mennyisége, de e részecskék akkorák, hogy nem a "kék Hold" tartományba, hanem a "sárga Hold"-ba vagy a Rayleigh-tartományba esnek. A marsi porviharoknál jóval kisebb mértékû hatásról van szó, mikor idôjárási front közeledtekor a felerôsödô légmozgások a szokásosnál több aeroszolt juttatnak a magasabb levegôrétegekbe. Ilyenkor az ég aljának feltûnôen vörös árnyalatából következtetni lehet egy esetleges idájárás-változás gyors bekövetkezésére.

A felhôk fényszórása

A felhôk is lényegében sûrû aeroszolkoncentrátumok, amelyekben az aeroszolt a kondenzációs magvakon kicsapódott apró vízcseppek, ill. jégkristályok alkotják. A felhô aeroszolrészecskéit a meteorológia felhôelemeknek nevezi. A felhôelemek olyan mérettartományba esnek, hogy rajtuk a fény hullámhosszfüggetlenül szóródik. Ezért fehéres-szürkés színûek a felhôk. De ez nemcsak a látható optikai tartományra igaz, hanem az UV-ra és infravörósre is a hullámhossz-függetlenség miatt. A Rayleigh- és a "fehér"-szórás közti különbség érzékeltetésére vizsgáljuk meg kissé az infravörös fény szóródását a levegôben.

A csak infravörös sugárakat áteresztô szûrôn keresztül, infrasugarakra érzékeny filmre készült negatív fényképek pozitív másolatain több eltérést láthatunk a normálfényképektôl: 1. a felhôk fehérek; 2. a derült égbolt egészen sötét; 3. a távolabbi tárgyak párás levegôben is kontrasztosabban látszanak.

A magyarázat egyszerû. Mivel a Rayleigh-szórás 1/l⁴-es, ezért még párás levegôben is az infravörös sugarak jobban megtartják irányukat, kevésbé szóródnak, mint a látható, rövidebb hullámhosszúságúak. Ezért láthatók jobban infravörös fényképen a távolabbi tárgyak. (Ennek pl. a geodéziában, ill. a katonaságnál van jelentôsége.) A derült ég nappali fénye a Napból jövô, de a levegôben szóródott sugarakból áll. Mivel a rövidebb hullámhosszúságú napsugarak szóródnak jobban, ezért az égboltfényben a nagyobb hullámhosszú (s így kevésbé szóródó) infrasugarak alig fordulnak elô. Az infravörös felvételen ezért sötét az ég. Infravörösben a felhôk világosságát az okozza, hogy a felhôkben a sugárzást szóró részecskék a fény hullámhosszánál nagyobbak, ezeken nemcsak a kék, de az infravörös sugarak is jelentôs mértékben szóródnak (hullámhossz-függetlenség). Amíg tehát az égbolt felhôtlen részérôl túlnyomóan kék sugarak érkeznek a fényképezôgéphez, addig a felhôk bôven irányítanak ide infrasugarakat is. Az infravörös szûrô a kék sugarakat nem engedi a filmre, ezért a derült ég a pozitív felvételen sötét lesz, a felhôk világosak.

A köd cseppecskéi a felhôelemekhez hasonló méretûek. A ködön ezért az infrasugarak sem tudnak nagyobb távolságra szóródás nélkül áthatolni. Amíg tehát a párás, vízgôzzel telített levegô az infravörös sugarak számára jól átlátszó, addig a vízcseppecskékbôl álló köd legfeljebb áttetszô.

Ha UV-ra érzékeny filmre fényképeznénk, akkor érthetô módon minden egészen fehéresnek, opálosnak, tejszerûnek tûnne, a felhôk nem látszanának a fehér égbolton, s a viszonylag közeli tárgyak is alig lennének kivehetôk, annyira elmosódna a képük.

Ugyancsak a hullámhosszfüggetlen "fehér"-szórás miatt látható a repülôgépek kondenzcsíkja, a Wilson-féle ködkamrában az ionizáló részecskék pályája a poros, füstös levegôn áthaladó lézersugár útja és az elsötétített szobába beszüremlô napsugár csillogása.

(Cikkünk következô részében a Rayleigh-szórás okozta kék szín megjelenésének eseteit vizsgáljuk a természetben.)