Miért kék az ég?
A legragyogóbb színeket az élő és
élettelen természet produkálja, a természet
szépsége a legtöbb ember számára
a színek élvezetét is jelenti. A természet
legszebb színjelenségeit többnyire nem pigmentáció
okozza, a színpompa eredetére a fizika és a kémia adja meg a választ.
Az alábbi jelenségeknek
ugyan nem sok köze van az emberi színkommunikációhoz,
de mivel érdekelheti az olvasókat, érdemes
legalább röviden áttekinteni őket.
Kék ég
Leonardo da Vinci (1452-1519)
nem sokkal halála előtt három kérdést
jegyzett föl, amire nem talált választ munkássága
folyamán, ebből az egyik: miért kék
az ég? Négyszáz évvel később J.W.S. Rayleigh angol fizikus
(1842-1919) adott rá magyarázatot.
Az égbolt színét a légköri
fényszóródás okozza, légkör
nélkül az ég fekete lenne. A légkörön
kívül, pl. a Holdon készült fényképeken
ez jól látszik. A napszakok és a légkör
színjelenségei több tényezőtől
függenek: a napfény beesési szögétől,
a légkör tisztaságától ill.
a szennyeződések mennyiségétől,
a (füst, por, vízpára) részecskék
méretétől és vegyi összetételétől.
A fény a részecskékhez érve minden
irányban szóródik. A légkör
molekulái és részecskéi részben
elnyelik, részben prizmaként megtörik a fényt.
A legrövidebb hullámú ibolyakéket
nagyobb szögben térítik el, ezért
jobban szét is szórják, mint a vöröset
(a kék tízszer jobban szóródik,
mint a vörös).
Derült időben és a déli órákban
háttal állva a napnak és felfelé
tekintve egészen mélykék az ég,
míg a horizont közelében egy „hígított”
kéket látunk, részben a színszóródás,
részben a vastagabb légréteg hatása
miatt.
| Kék
ég |
 |
 |
| A
horizonthoz közel kevésbé tiszta kék
az ég, míg fent egészen mélykék |
A
rövid hullámú (kék, ibolya)
sugarak minden irányban szóródnak
a levegő molekuláin, amikor a fény
belép a Föld légkörébe |
Kép
forrás:
http://wiek-to-tylko-liczby.blogspot.com/
2014/08/beauty-of-nature.html#
.VTJnffCdeVc |
|
Naplemente, hajnal
A lapos szögben érkező napfény sokkal
hosszabb utat tesz meg, míg szemünkbe ér,
közben sokkal vastagabb légkörön és
szennyeződés (füst, por, vízpára)
rétegen hatol át. Mindez úgy képzelhető
el, mint a prizmán áthatoló fény
színszóródása, amikor a hosszabb
hullámok (a vörös és sárga) laposabb
szögben törnek. Tiszta időben a naplemente nem
túl színes, ha azonban részecskék
kavarognak a kb. 1-2 km vastag felszínközeli rétegekben
– vörös az ég alja.
Hatalmas vulkánkitöréseket követően
különleges fény- és színjelenségekről
számoltak be. Az indonéziai Krakatau 1883-as kitörése
után sokáig porréteg terítette be
a Földet, ez idő alatt számos helyen figyeltek
meg zöldes színű napfelkeltét, a Nap
délben kékes-ibolyás színben ragyogott,
és a napsugárzás mintegy 20%-kal csökkent.
| Naplemente,
hajnal |
 |
 |
A
lemenő nap fénye vastagabb légrétegen
hatol át, míg a
szemünkbe ér. A rövidebb hullámok
(kék, zöld, sárga) közben fokozatosan
„elvesznek”, utoljára a hosszúhullámú
(vörös) is. |
Kép
forrás:
http://gbtucson.com/about-us/location/ |
Nagy vízfelület
A tenger és tó kék színe csak részben
az ég kékjének visszatükrözése,
maga a nagy tömegű víz is „kék”,
a szelektív fényelnyelés következtében.
A víztömeg leginkább a vörös-sárga
tartományban nyeli el a fénysugarakat, legkevésbé
pedig a 470 nm (a zöldeskék, „vízkék”)
sávban. A vízfelületről az a szín
(a fénynek az az alkotórésze) sugárzik
vissza, amelyet a legkevésbé nyel el, – ezért
látjuk kéknek. A víztömeg színét
a víz alatti objektumok (sziklák, algák)
is befolyásolják. A folyók színe
inkább piszkos-zöld, részben mert nem túl
mélyek, részben a rengeteg hordalék miatt.
| Nagy
vízfelület |
 |
 |
A
nagy víztömeg jellemzően
kék, zöldeskék |
Természetes
rózsaszín tó a tenger mellett (Ausztrália),
színét algák okozzák |
Kép
forrás:
1. http://www.canadafaq.ca/canadian+rockies/
2. http://www.takepart.com/photos/fragile-earth-july-2013/bubble-gum-lake |
A Föld néhány pontján (pl. Afrika,
Ausztrália) megdöbbentően színes tavak
vannak: élénk zöld, türkiz, vörös,
rózsaszín, tintakék. Ezek többnyire
kráterekben keletkezett tavak, ahol a különleges
színt vulkanikus gázok-gőzök, ill. algák
okozzák.
Szivárvány
Szivárványt csak akkor látunk, ha már
süt a nap, de még tart az eső vagy éppen
csak elállt, és a nap 42 foknál alacsonyabban
áll. Háttal állva a napnak azt látjuk,
hogy a fény megtörik, szóródik és
visszaverődik az esőcseppekről, melyek apró
prizmaként viselkednek. Fénytörés
játszódik le az esőcsepp külső
(domború) és belső (homorú) határfelületén
is, minden esetben széttart a fény, és
színeire bomlik. Mennél alacsonyabban áll
a nap, annál élénkebb színű
a szivárvány.
| Szivárvány |
 |
 |
| Szivárvány |
Egy
esőcsepp, melyen megtörik
a beeső napfény |
Fehér hó
A hópelyhek apró jégkristályok,
teljesen átlátszóak és színtelenek,
mint az üvegcserepek. A frissen hullott hópehely
a nagy hidegben sokáig megőrzi szabályos
hatszögű kristályalakját. A hópaplan
nagyrészt elnyeli a ráeső fényt, de
a kristályok, mint a kis tükrök, egyenletesen
verik vissza a fényt, ezért látjuk fehérnek.
Olvadáskor a kristályszerkezet – a „tükör”
– szétroncsolódik, és szürke
latyak lesz belőle.
| Hópehely |
 |
A
hópehely szabályos hatszögű jégkristály,
teljesen átlátszó és színtelen |
Sarki fény
A Föld pólusainak közelében derült
éjszakán látható mintegy 80-100
km vagy még magasabb, különleges színjelenség.
A Napból érkező elektron- és ionrészecskék,
és a Föld mágneses terének együttes
hatása eredményezi a színeket. Leggyakoribb
a sárgászöld illetve a vörös fény,
amit a nagy magasságban atomos állapotban lévő
oxigén idéz elő, a többi színt
pedig a semleges és ionizált nitrogénmolekula.
A sarki fény színe hasonló módon
jön létre, mint a katódsugárcsőben,
a hagyományos CRT monitorban.
| Sarki
fény |
 |
Kép
forrás:
http://www.taringa.net/posts/imagenes/13955521/
Aurora-Boreal-ese-fenomeno-maravilloso.html |
Drágakövek
A drágakövek évezredek óta tartó
hihetetlen vonzereje és magas ára ritkaságuknak
és különleges optikai tulajdonságaiknak
(fény, szín, átlátszóság),
vagyis szépségüknek köszönhető.
A kristályszerkezetű drágakő, ha minden
szennyeződéstől mentes, akkor víztiszta,
teljesen átlátszó. A szennyeződés
(nyomelem, idegen részecske) a kristályban a rácspont
helyén vagy a kristályrácsok között
helyezkedhet el, ekkor a fény különböző
alkotórészeit veri vissza, ettől nyeri jellegzetes
színét. Kristályhiba is okozhat színjelenséget,
mert ilyen helyen elnyelődnek bizonyos fényalkotórészek.
A szennyeződés lehet króm, vanádium,
réz, kén, mangán stb., melyek különféle
színeket eredményeznek. Az egyik leggyakoribb
nyomelem a vas, ennek különböző ionjai okozhatnak
zöld, sárga, rózsaszín, vörös
színváltozatokat.
A korund a gyémánt után a legkeményebb
kristály, tiszta állapotban színtelen,
tömör rács-szerkezetű alumínium-oxidból
épül fel. A két legértékesebb
korund a vörös rubin és a zafír, ez utóbbit
többnyire kéknek ismerjük, bár más
színekben is előfordul. A rubin króm-iont
tartalmaz, mely elnyeli a fény zöld alkotórészét,
ettől kapja bíboras vagy vöröses színét
a kő, míg a kék zafír vas és
titán nyomelemeket tartalmaz.
| Korund |
 |
Korund
kristályrácsa: a rácspontokban alumínium
és oxigén atomok.
Rubin: a bíbor színt a kristályrácsba
beépült króm-ionok okozzák. |
Kép
forrás:
http://en.wikipedia.org/wiki/Sapphire |
Néhány drágakő, kristály és
ásvány optikai jellemzője, hogy más
színt mutatnak ráeső
fényben és áteső (áthatoló)
fényben, továbbá a karc-nyomuk színe
is eltérő lehet.
Szappanbuborék
Az egyszerű, de látványos gyerekjáték
egy sor fizikai, sőt matematikai probléma szemléltetésére
alkalmas. A szappanbuborék pár másodperces
életében bemutatja a felületi feszültség
és a minimális felületek matematikai modelljét,
továbbá a fényinterferencia jelenségét.
A buborék fala egy vékony vízréteg,
melynek külső-belső felületén még
vékonyabb szappanrétegek úsznak. A beeső
fénysugár két felületi rétegről
verődik vissza, ezután interferál (a hullámok összeadódnak vagy semlegesítik
egymást) – így keletkezik a gömb felületén
mozgó szivárvány. Színezett vízből
nem lehet színesebb buborékot fújni.
| Szappanbuborék |
 |
A
beeső (polikróm, „fehér”)
fénysugár két rétegen törik
meg és
verődik vissza, közben interferál
– ez kelti a szivárványszíneket |
Szintén interferencia okozza számos rovar (pl.
szitakötő) szárnyának „színjátékát”
is.
Szerkezeti színek
Az élő és élettelen természet
egészen különleges szín- technikákat
dolgozott ki. A madarak (páva, kolibri, papagáj)
kék és zöld tolla, lepkék (pl. Morpho
cypris, azúrlepke) szárnya, aranyhalak pikkelye,
bogarak páncélja, gyöngyök, kagylók
színe, fénye és ragyogása meglepően
szép és változatos. Jellemző, hogy
a gyöngyből, opálból, de még
az azúrlepke szárnyából is ékszer
készül.
E sokféle „színes médium” közös
jellemzője, hogy a színt nem (elsősorban) pigmentáció
okozza, hanem a felület különlegesen vékony,
többrétegű, összetett szerkezete optikai
úton hozza létre. A felületi réteg
szerkezeti vastagsága a fény hullámhosszának
tartományába, ill. ennek közelébe
esik, így a beeső fény a felületi rétegek
különböző mélységeiből
verődik vissza. A madártoll rétegeinek vastagsága
300-1500 nm, megközelíti a fény hullámhosszát.
A visszaverődés során a fénysugarak
más-más rétegekből fordulnak vissza,
majd összeadódnak vagy kioltják egymást
(interferálnak), és ragyogó színeket
eredményeznek. A lepke szárnyának mikroszkopikus
szerkezete a háztető cserepeihez hasonló
elrendezést mutat, itt is a különleges rétegek
fény- interferenciája kelti életre a színt.
| Lepke |
 |
| Lepke
és szárnyának kinagyított
részlete |
Kép
forrás:
1. http://www.fanpop.com/clubs/butterflies/images/4088166/
title/metalic-blue-butterfly-photo
2. https://www.pinterest.com/insectlore/insect-wing-texture/ |
A pávatoll pigmentje a közönséges sötétbarna
melanin, mely elnyeli a ráeső fény nagyobb
részét, ennek hiányában a toll fehér
lenne. A papagáj sárga, vörös és
zöld tolla már speciális pigmentáció
(karotin, lutein) eredménye. A flamingó toll pirosas
rózsaszínjét a táplálékául
szolgáló vörös rákféléktől
nyeri.
| Színes
madártollak |
 |
 |
| A páva és a kolibri tollszíne (főleg)
optikai eredetű |
 |
 |
| A kanári és a flamingó színe
pigmentáció eredménye |
Kép
forrás:
1. http://pixabay.com
2. https://www.pinterest.com/luvthatguy1616/iridescent/
3. http://www.birdsgallery.net/canary-informations-pictures/
4. http://abcsofanimalworld.blogspot.hu/2011/08/bizarre-and-unique-
sleeping-habits-of.html |
Hamvas színek
A kék gyümölcsök (szilva, szőlő,
kökény, áfonya) színe is optikai úton
jön létre. Ezeknek a terméseknek valójában
sötétlila vagy vöröses héja van,
amit leheletvékony ezüstfehér viaszréteg
borít, ez a hamvasság vagy hímpor. A viasz
víztaszító hatású védőréteg
a termésen. A vékony réteg részben
átengedi a fényt és szétszórja
a sugarakat, egy részüket visszaveri, legnagyobb
arányban a rövid hullámúakat –
ezért látjuk ezeket a gyümölcsöket
kékesnek. Ha ledörzsöljük a viaszréteget,
eltűnik a kék szín.
| Hamvas
színek |
 |
 |
 |
A sötétlila és vörös héjú
gyümölcsökön vékony viaszréteg
okozza a kék színt |
Képek
forrása:
http://pixabay.com/ |
Növényi színek
Az organikus színek bonyolult vegyületek, melyek
igen érzékenyek környezetük kémiai
összetételére. A növények legjellegzetesebb
színét, a zöldet a klorofill-molekula
eredményezi, mely a nap fényenergiáját
és a széndioxidot alakítja át a
fotoszintézis során. A klorofill két különböző
–zöld színt adó– vegyületből,
egy kékes- és egy sárgászöldből
áll, és eltérő a fényelnyelő
képessége: a napfényből a hosszú
(vörös) és a rövid (ibolyakék)
hullámokat nyelik el. A klorofill-molekulában
a szén (C), hidrogén (H), oxigén (O) és
nitrogén (N) atomok gyűrűt képeznek
és egy magnézium-atomot fognak közre.
Szinte jelképi erejű, hogy a vér ugyanilyen
felépítésű, csak magnézium
(Mg) helyett egy vas-atom (Fe) van a gyűrűk közepén!
| Klorofill-
és vér molekula |
 |
| A
klorofillnak és a vérnek hasonló
a szerkezeti felépítése |
Kép
forrás:
http://radicalbotany.com/ |
A klorofill mellett a sárga lutein (xantofill)
és a narancspiros karotin okoz jellegzetes –sárga,
vörös, bíbor, lila– növényszíneket.
A lutein megtalálható a tojássárgájában,
a kukoricában és szemünk retinájában
is. A karotin és a lutein olyan fényalkotórészeket
nyel el, amiket a klorofill nem tud.
| Őszi
erdő |
 |
| A
klorofill lassú elhalása |
Kép
forrás:
http://www.dailykos.com/story/2009/03/31/714828/-Good-News-
Omnibus-Public-Lands-Bill-is-now-Law |
Az őszi erdő színkavalkádját
a klorofill lassú elhalása okozza, miközben
a piros-sárga festékanyagok tovább megmaradnak.
Ezek a cukorhoz kötődve találhatók a
levelekben, de ősszel ezek is elbomlanak, a cukrokat a
növény elraktározza. A színek a levélben
megtalálható vegyületektől, a lebomlás
mértékétől és a sejtnedv pH-jától
függenek. Ha a sejtnedv kellően savas, a pigmentek
vörös színt idéznek elő, ha kevéssé
savas, a szín inkább lilás. (Ez hasonló,
mint a lakmuszpapír színváltozása:
savas közegben piros, lúgos közegben ibolyakék).
Virágok
A virágok színéért az antocián vegyület a felelős. A cián nem a méregre,
hanem a görög cyanos/küanosz szóra
utal, ami sötétkéket jelent. Az antociánok
vízben oldódó, de fény és
hőálló vegyületek, megtalálhatóak
a növény virágjában, termésében,
levelében is. Kémiai környezettől függően
kék és piros színeket eredményez,
és a talaj kémhatása is befolyásolja
a színt. Érdekes, hogy ugyanaz a vegyület
okozza a pipacs piros és a búzavirág kék
színét, csak sejtnedveik más kémiai
jellegűek. Az antociánból ártalmatlan
ételszínezék is készül (E163),
mellyel gyógyszereket, kozmetikai szereket színeznek.
| Búzavirág
és pipacs |
 |
| Ugyanaz
a vegyület okozza a színüket |
|
Felhasznált
és ajánlott irodalom:
Ball:
Bright Earth, 26.p.
Bauer J. – Bouska – Tvrz:
Drágakőkalauz
Bernolák:
A fény
Causes of Color - WebExhibit
Eckstut – Eckstut:
The Secret Language of Color, 48.p.
Gemstone - Wikipedia
Hall, C.:
Drágakövek – Képes ismertető a
világ több mint 130 drágakövéről
Horváth:
Fényszóródás
Horváth:
Kék szín a természetben
Rajkovits – Illy:
Az élő természet színei
Szundy:
A rejtőzködő kémia
Vizi:
A színek kémiai eredete
***
Irodalom, nyomtatott (P)
Irodalom,
elektronikus (E)
|
