Waarom is de lucht blauw?

Het is de vraag die elk kind stelt, en die elk kind stelt op het moment dat de volwassene er het minst op voorbereid is: op de achterbank, in het gras, halverwege een boterham. Zij is zo oud als het kijken zelf, en zij heeft de eigenaardigheid dat zij juist door haar eenvoud de vrager een antwoord ontfutselt dat hij niet heeft. “Omdat het zo is”, zegt de volwassene dan, en het kind neemt daar genoegen mee, zoals kinderen dat doen met antwoorden die zij later zullen doorzien. Laat ons dat later thans aanbreken.

Over de naam, die het antwoord al in zich draagt

Er bestaat voor deze zaak een naam, en het is goed die meteen te noemen, want wie een verschijnsel een naam heeft gegeven, heeft het al half getemd. De lucht is blauw door Rayleigh-verstrooiing.

Daar staat het, in twee woorden, en het tweede woord doet het eigenlijke werk. Verstrooiing: het uiteenwaaieren, het alle kanten op gaan, het verliezen van de rechte lijn. Wat volgt is niets anders dan het uitpakken van dat ene woord, zoals men een brief openvouwt waarvan men het onderwerp al uit de envelop kon raden.

Over het witte licht, dat niet wit is

Het begin ligt bij de zon, of liever: bij wat er van de zon tot ons komt. Zonlicht lijkt wit. Het lijkt zo, en dat woord “lijkt” verdient hier alle aandacht, want het bestaat uit alle kleuren van het spectrum.

Het wit is dus geen kleur onder de kleuren, maar hun vergadering. Het is de toestand waarin alle kleuren tegelijk spreken en daardoor geen van hen afzonderlijk te verstaan is, zoals een zaal vol stemmen klinkt als één geruis. Om te begrijpen waarom de hemel blauw is, moet men dus eerst aanvaarden dat het licht dat haar blauw maakt zelf nooit blauw was. Het was alles tegelijk.

Over de ontmoeting met wat kleiner is dan de golf

En dan komt dat licht de atmosfeer binnen, en daar is het niet alleen.

Het botst op gasmoleculen, vooral op stikstof en zuurstof, en die moleculen zijn veel kleiner dan de golflengte van het licht. Men stelle zich de verhouding voor als die tussen een deining op zee en een kurk die erop ligt: het grote passeert het kleine, maar het kleine blijft niet onbewogen achter, en het grote gaat niet ongeschonden verder. Er gebeurt iets bij die ontmoeting, en wat er gebeurt is precies het woord dat wij al hadden.

Over de ongelijke verdeling

Die moleculen verstrooien het licht. Zij sturen het in alle richtingen, niet langer rechtdoor van de zon naar de grond, maar opzij, schuin, terug, overal heen. En zij doen dat, en hier wordt het belangwekkend, niet voor alle kleuren in gelijke mate. Korte golflengtes, het blauw en het violet, worden veel sterker verstrooid dan lange, het rood.

De natuur heeft voor die ongelijkheid een formule, en zij is van een strengheid die men zelden aantreft buiten de wiskunde. De verstrooiing schaalt met 1/λ⁴: met één gedeeld door de golflengte tot de vierde macht. Een kleine verkorting van de golf brengt dus een grote vermeerdering van de verstrooiing teweeg, want de vierde macht vergroot elk verschil tot ver voorbij de maat waarin het begon. Blauw licht, van ongeveer vierhonderdvijftig nanometer, wordt aldus ruwweg vijf à zes keer sterker verstrooid dan rood licht, van ongeveer zevenhonderd nanometer.

Vijf à zes keer. Men leze dat niet als een kleinigheid. Het is het verschil tussen een gast die even binnenkijkt en een gast die de hele avond blijft.

Over wat wij zien wanneer wij omhoog kijken

En nu kan de vraag eindelijk beantwoord worden, want alle onderdelen liggen klaar.

Wat u ziet als u omhoog kijkt, is dat verstrooide licht. Het komt vanuit alle kanten van de hemel uw kant op, want het werd in alle richtingen gestrooid, en het meest van wat zo gestrooid werd, was blauw. De hemel boven u is dus geen ding met een kleur, zoals een plafond een kleur heeft. Zij is een verzameling licht dat van zijn weg is geraakt, en dat, eenmaal van die weg geraakt, toevallig in uw oog terechtkwam. Het blauw van de lucht is het licht dat verdwaalde.

Over het paars dat had kunnen zijn

De oplettende lezer zal hier echter een bezwaar hebben, en het is een gegrond bezwaar. Want als korter sterker verstrooid wordt, waarom is de lucht dan niet paars?

Inderdaad: violet wordt eigenlijk nog sterker verstrooid dan blauw. De formule zou het dus moeten winnen. Maar formules werken in de werkelijkheid, en de werkelijkheid heeft haar eigen voorbehouden. De zon zendt minder violet uit. Een deel ervan wordt in de bovenste atmosfeer geabsorbeerd. En onze ogen zijn gevoeliger voor blauw. Drie omstandigheden, en elk ervan trekt aan dezelfde kant, zodat het netto-effect is dat de lucht blauw lijkt.

Men lette op het werkwoord, dat hier voor de tweede keer in dit stuk zijn werk doet: lijkt. Het wit van het zonlicht lijkt wit, het blauw van de hemel lijkt blauw. Wat wij voor de kleur van de dingen houden, is telkens een uitslag, en nooit een eigenschap.

Over de avond, die de rekening opmaakt

En dan, aan het einde van de dag, keert de zaak zich om, en zij doet dat zonder dat er aan de natuurkunde iets verandert. Alleen de weg verandert.

Bij zonsondergang moet het zonlicht een veel langere weg door de atmosfeer afleggen. Het moet door veel meer lucht heen voordat het bij ons is, en elke kilometer van die lucht is een gelegenheid tot verstrooiing. Onderweg wordt het blauw dan grotendeels weggestrooid, totdat er van dat blauw nog maar weinig over is. En wat overblijft, wat die lange tocht doorstaat omdat het zich het minst laat afleiden, is vooral oranje en rood.

Zo is de avondhemel het spiegelbeeld van de middaghemel. Overdag zien wij wat er verstrooid werd; ‘s avonds zien wij wat er na alle verstrooiing nog over was. Het is hetzelfde licht en dezelfde lucht. Alleen de afstand heeft gekozen.

Slotsom

Ziedaar het antwoord dat het kind op de achterbank had verdiend. De lucht is blauw door Rayleigh-verstrooiing. Zonlicht lijkt wit maar bestaat uit alle kleuren van het spectrum, en wanneer het in de atmosfeer botst op gasmoleculen, vooral stikstof en zuurstof, die veel kleiner zijn dan de golflengte van het licht, verstrooien die moleculen het in alle richtingen, de korte golflengtes veel sterker dan de lange. Met 1/λ⁴, zodat blauw van ongeveer vierhonderdvijftig nanometer ruwweg vijf à zes keer sterker verstrooid wordt dan rood van ongeveer zevenhonderd. Dat verstrooide licht komt van alle kanten van de hemel op ons af, en dat is wat wij zien. Paars wordt het niet, omdat de zon minder violet uitzendt, een deel ervan hoog in de atmosfeer wordt geabsorbeerd en onze ogen gevoeliger zijn voor blauw. En bij zonsondergang, als het licht een veel langere weg aflegt, is het blauw onderweg grotendeels weggestrooid en blijft er vooral oranje en rood over.

Wie dat nu op de achterbank wil navertellen, moet zich wel voorbereiden op de vervolgvraag. Want het kind zal knikken, even zwijgen, en dan vragen waarom de lucht dan ‘s nachts zwart is. En daarop geeft deze aflevering, met al haar woorden, geen enkel antwoord.