Při dopadu rovnoběžných paprsků na rovinné rozhraní jsou odražené paprsky zase rovnoběžné. Není–li rozhraní rovinné, odráží se světlo různými směry, říkáme, že dochází k rozptylu světla. Rozptyl je dobře pozorovatelný na kouři (částečky pevné látky v plynu), mlze (kapky vody ve vzduchu), suspenzi (částečky pevné látky v kapalině), emulzi (směs dvou navzájem nemísitelných kapalin) nebo pevné látce typu mléčného skla.
Odraz rovnoběžných paprsků do různých směrů – rozptyl světla.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Kdyby nebylo molekul a atomů nebo drobných částeček v atmosféře, vypadalo by nebe na Zemi úplně stejně jako na Měsíci – bylo by i ve dne černé, poseté hvězdami. Osvětlené by bylo jen to, na co by přímo dapadalo sluneční záření. Vše ostatní by bylo v černočerném stínu. To že se sluneční paprsky na Zemi dostanou do všech zákoutí je způsobeno rozptylem světla. Atom, molekula, prachová částice se po dopadu světla stane novým zdrojem záření – rozptylují světlo. Existuje mnoho druhů rozptylu podle toho, jak velké a jakého druhu jsou rozptylující částice.
Již odpradávna si lidé kladly otázku proč je vlastně obloha modrá, oblaka bílá a západy Slunce červené. Jedna z prvních teorií říká, že je tomu tak proto, že molekuly některého z plynů, které jsou ve vzduchu obsaženy, mají modrou barvu. Další teorií je, že modrá barva vzniká smícháním černé barvy noční oblohy s bílou barvou slunečních paprsků.
První správné vysvětlení modré barvy oblohy přinesl lord Rayleigh. Zabýval se výzkumem světla v temné laboratoři, kde se paprskům světla do cesty dostávala prachová zrnka. Roku 1871 lord Rayleigh odvodil, že drobná prachová zrníčka, jejichž velikost je menší než vlnová délka světla, mohou díky rozptylu zbarvovat oblohu do modra. Podobným způsobem vysvětlil i barvu červánků, modravý nádech z mlhy, načervenalou barvu slunce nízko nad obzorem a další podobné jevy. Vzápětí se ale objevil problém. Způsobují-li totiž modré zbarvení oblohy zrníčka prachu, musí být obloha ve městech, kde je prachu více, modřejší než obloha vysoko v horách. Pozorování však byla v protikladu s tímto závěrem. Rayleigh vzal v úvahu fakt, že čím je vzduch čistší, tím je barva oblohy modřejší a dospěl tak k závěru, že k rozptylu musí docházet na molekulách vzduchu.
John Strutt, lord Rayleigh.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Ruský fyzik Leonid Mandelštam poukázal na to, že při náhodném pohybu molekul vzduchu dochází k vzájemným srážkám a těsným přiblížením částic a tím pádem vznikají větší či menší shluky molekul, které se však zase rychle rozpadají. Velikost těchto shluků pak může o mnoho řádů přesáhnout velikost vlastních molekul. A právě tyto shluky mají na svědomí modrou barvu oblohy. Krátce poté uveřejnil Gustav Mie obecnější teorii rozptylu světla.
Vezmeme-li v úvahu viditelné záření, které zaujímá rozmezí vlnových délek od 4,0 · 10-7 m do 7,9 · 10-7 m, pak maximální velikost částic, pro které lze použít Rayleighovu teorii, vychází cca 1,0 · 10-7 m. Rayleighova teorie se však lépe uplatní pro částice o řád a více řádů menších než je uvedená hodnota. Intenzita rozptylu závisí nepřímo úměrně na čtvrté mocnině vlnové délky, tzn. že je výraznější pro kratší vlnové délky (modré a fialové světlo). Proč tedy není obloha fialová? To má několik důvodů. Hustota energie fialového světla je menší než u modrého, lidské oko je na fialovou část viditelného záření mnohem méně citlivé než na modrou a ve fialové barvě atmosféra propouští o něco méně záření.
Kromě rayleighova rozptylu se na obloze uplatňuje i aerosolový rozptyl, který vzniká na pevných a kapalných částicích a na vlnové délce nezávisí. Výsledná barva světla je vždy bílá. Proto i oblaka či výrazně zakalená atmosféra mají bílou barvu. V případě výraznějšího zakalení atmosféry prachovými částicemi nebo drobnými kapičkami, které rozptylují sluneční záření neutrálně vzhledem k vlnové délce, je modrá barva oblohy utlumena a nebeská klenba nabývá bělavého vzhledu. Naproti tomu tmavě modrá až fialová barva svědčí o velké průzračnosti vzduchu.
V místě, kam slunce nesvítí, kde je stín, by mělo převládat modré osvětlení. Není tomu tak, protože vzduch obsahuje vždy větší či menší množství vodních par a ty pohlcují a rozptylují i delší vlnové délky světelného záření. Přesto, pokud je suchý vzduch, ve stínu modrá převládá. To je velmi dobře patrné v zimě na sněhu v zastíněném místě. Na místech, která jsou osvětlena sluncem převládá bílá bez modré (žlutá). Jestliže ovzduší obsahuje větší množství vodní páry nebo když je zataženo, pak jsou všechny barvy stejnoměrně rozptýlené a vzniká rozptýlené (difusní) bílé denní světlo, které jakoby svítilo odevšad a které nevrhá stíny.
Modré zabarvení vzduchu ve stínu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Když se však díváme skrz kouř či atmosféru na Slunce např. při východu (vrstva atmosféry je v tu dobu nejtlustší), jeví se nám zabarvené žlutočerveně. Naproti tomu na Měsíci, kde žádný vzduch není, vidí astronauti i ve dne černou oblohu. Na ni je oslnivě zářící Slunce – a současně i hvězdy.
Pokud světlo prochází prostředím, které málo absorbuje mikroskopické částečky, dochází k difuznímu rozptylu světla a odklonění procházejícího světla. Tím se paprsky stávají viditelnými v podobě kužele. Podobně se zviditelňují prachová zrníčka ve vzduchu při osvětlení zapadajícím sluncem, kouř fouknutý v šeru do úzkého paprsku světla, mlha v údolí, když se prodere mrakem úzký proužek světla. Tento jev se nazývá Tyndallův podle Johna Tyndalla.
Tyndallův jev využitý při fotografování.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
