Zašto su oblaci bijeli?

U prethodnoj objavi vidjeli smo da raspršenje svjetlosti na molekulama zraka nastaje kada se elektronski oblaci u molekuli pobude na titranje. Oni apsorbiraju upadni val i emitiraju ga u nasumičnom smjeru, s tim da jače raspršuju plavu svjetlost. Radi se o Rayleighevom raspršenju. Bitno za ovo raspršenje je da je čestica tisuću puta manja od valne duljine svjetlosti. Sličan princip vrijedi i za raspršenje na česticama koje su barem 10 puta manje od valne duljine svjetlosti.
No, što se događa ako svjetlost upada na kapljicu vode čija je veličina približno jednaka valnoj duljini svjetlosti. Veličina molekule vode je približno 0,3 nanometara pa ako svjetlost nailazi na kap vode oblika kugle veličine valne duljine svjetlosti, približno 0,5 mikrona, ta kapljica sadrži najmanje deset milijardi molekula vode. EM valu sada treba nešto vremena da prođe kroz kuglicu, a s obzirom da se giba kroz vodu on na drugu stranu kapljice stiže nešto kasnije od upadnog vala. Upadni val i emitirani val nisu u fazi. Štoviše, kapljica je sada dovoljno velika da se u njoj stvaraju stojni EM valovi. Njezini elektroni titraju na način da se na njezinoj površini pojavljuju pozitivni i negativni polovi na više mjesta. Ona više nije promjenjivi dipol, nego postaje promjenjivi električni multipol. Taj multipol emitira EM val u svim smjerovima i tako raspršuje upadni val. Takvo raspršenje zove se Mievo raspršenje, prema njemačkom fizičaru Gustavu Mieu koji je razvio teoriju raspršenja EM valova na sfernim česticama. S obzirom veliku na primjenu njegove teorije u današnjoj nanotehnologiji, dobro je znati nešto o tome.
Povećavamo li kapljicu tako da njezina veličina 2, 3 i više valnih duljina svjetlosti, broj polova (trbuha i čvorova) raste i titranje postaje sve složenije. Ukratko, umjesto jedne vlastite frekvencije titranja sada imamo niz karakterističnih rezonantnih frekvencija titranja. Možda je to najbolje predočiti gledajući Chladnijeve figure (vidjeti učenički projekt na YouTube ), koje se vide kao nakupine pijeska na čvorovima akustičnih stojnih valova na ravnoj ploči koja titra, a koju pobuđujemo nizom rezonantnih frekvencija. Na sličan način ponaša se elektron u atomu vodika, koji može titrati samo određenim frekvencijama, koje odgovaraju točno određenim elektronskim orbitalama (Atomic orbitals). Ove su analogije vrlo poželjne u nastavi jer stvaraju zorne predodžbe potrebne za razumijevanje valih svojstava tvari, posebno građe atoma i kvantne mehanike.
U rezonantnoj krivulji to se vidi kao niz minimuma i maksimuma, čija se amplituda oscilacija smanjuje s povećanjem frekvenvencije EM vala. U tom dijelu raspršenje relativno slabo ovisi o frekvenciji EM vala, što znači da kapljica približno jednako raspršuje svjetlost svih boja. Kada u naše oko dođu zrake svjetlosti svih boja iz različitih smjerova (difuzna svjetlost), oko to interpretira kao bijelu svjetlost. Oblaci se sastoje od kapljica ili kristalića vode reda veličine mikrona u kojima se svjetlost raspršuje na opisani način. Zato su oblaci bijeli. Oscilacije u rezonantnoj krivulji nestaju za kapljice veće od 10 mikrona. Za njih približno vrijede zakoni refleksije i loma, odnosno na njima se svjetlost raspršuje prema zakonima geometrijske optike.
Slika prikazuje rezonantnu krivulju (radarski odraz) za metalne kuglice gdje je na x osi omjer opsega kuglice i valne duljine EM vala. Promjenu intenziteta raspršenja možemo promatrati na dva načina: kao promjenu koja nastaje s povećanjem veličine kuglice (za određenu valnu duljinu) ili kao promjenu s povećanjem frekvencije za konstantnu veličinu kuglice.
Mievo raspršenje je u oblacima dominantno samo dok su kapljice male, veličine do oko 10 mikrometara. Ako kapljice postanu veće, dio svjetlosti se i dalje raspršuje iz kapljica, ali sve više svjetlosti se apsorbira prolaskom kroz kapljicu. Zbog toga kišni oblaci, koji sadrže velike kapi, nisu sasvim bijeli nego su sivi ili tamnosivi.
Osim u oblacima Mievo raspršenje prepoznajemo u bjelini pivske ili morske pjene, u bijeloj boji mlijeka, dima, magle, u zamućenoj mokraći ako je puna bakterija, u bjelini sperme, itd. Posebno je važno znati da na temelju bijele boje raspršene svjetlosti zaključujemo da otopina ili koloid sadrže mikronske čestice.