Rayleighspreiing

Rayleigh-spreiing (kalla opp etter den engelske fysikaren Lord Rayleigh) er den elastiske spreiinga av lys eller anna elektromagnetiske stråling av partiklar som er mykje mindre enn bølgjelengda til lyset. Desse partiklane kan vere individuelle atom eller molekyl. Dette kan skje når lys går gjennom gjennomsiktige faste stoff eller væsker, men er mest tydeleg i gassar. Rayleigh-spreiing er ein funksjon av den elektriske polariserbarheita til partiklane. 

Rayleigh-spreiing av sollys i ein klår atmosfære er hovudårsaka til at himmelen er blå: Rayleih-spreiing og spreiing av lys i skyer medverkar til diffus stråling i atmosfæren (solstråling er direkte stråling).

Småskala parametertilnærming

Storleiken på ein spreiingspartikkel er parametrisert ved forholdet x av den karakteristiske dimensjonen r og bølgjelengda λ:

Rayleigh-spreiing kan definerast som spreiinga i det småskala parameterregimet . Spreiing frå større sfæriske partiklar vert forklart ved hjelp av mie-teori for ein parameter x med vilkårleg storleik. For små x vert mie-teorien redusert til ei tilnærma rayleigh-spreiing. 

Mengda av rayleigh-spreiing som skjer for ein lysstråle er avhengig av både storleiken på partiklane og bølgjelengda til lyset. Intensiteten til det spreidde lyset varierer med ein sjette potens av partikkelstorleiken og varierer inverst med fjerdepotensen av bølgjelengda. 

Intensiteten I av lys spreidd av ein enkelt liten partikkel frå ei stråle ikkje-polarisert lys med bølgjelengd λ og intensitet I0 vert skrive:

der R er avstanden til partkkelen, θ er spreiingsvinkelen, n er brytingsindeksen til partikkelen og d er diameteren til partikkelen. 

Vinkelfordelinga til rayleigh-spreiing, styrt av ()-leddet, er symmetrisk om eit plan normalt på den innfallande retninga til lysstrålen (t.d. om lag θ = 90°), så frammoverspreiing er like stor som bakoverspreiing. Integrert over heile sfæren rundt partikkelen gjev rayleigh-spreiinga tverrsnittet

Rayleigh-spreiingskoeffisienten for ei gruppe av spreiingspartiklar er talet på partiklar per volum N gangar tverrsnittet.

Rayleigh-spreiing frå molekyl 

Rayleigh-spreiing frå molekyl er òg mogeleg. Eit enkelt molekyl har ikkje ein veldefinert brytingsindeks og diameter. Istadenfor har eit molekyl ein polariserbarheit α, som skildrar kor mykje elektrisk ladingar på molekylet vil flytte seg i eit elektrisk felt. I dette tilfellet er rayleigh-spreiingsintensiteten for ein enkel partikkel skriven som

Mengda rayleigh-spreiing frå ein enkel partikkel kan òg uttrykkast som eit absorpsjonstverrsnitt σ. Til dømes har den største bestanddelen i atmosfæren , nitrogen, eit rayleigh-tversnitt på  ved ei bølgjelengd på 532 nm (grønt lys). Dette tyder at med lufttrykket i atmosfæren, vil om lag ein 10-5-del av lyset verte spreidd for kvar meter det går. 

At bølgjelengda er så viktig for spreiinga (~λ−4) tyder at blått lys vert mykje lettare spreidd enn raudt lys. I atmosfæren fører dette til at dei blå bølgjelengdene vert spreidd mykje meir enn dei lengre (raude) bølgjelengdene, og derfor ser ein blått lys frå alle kantar av atmosfæren. Direkte stråling (per definisjon) kjem direkte frå sola.

Kvifor himmelen er blå

Lys frå sola som ikkje går direkte til augo våre, vert spreidde av molekyl og andre små partiklar i atmosfæren. Som tidlegare forklart, så er rayleigh-spreiinga omvend proporsjonal til fjerdepotensen av bølgjelengda, så blått lys, som har kortast bølgjelengd, vil verte spreidd meir enn lengre bølgjelengder og særleg raudt lys, som har lengst bølgjelengd av synleg lys. Dette fører til at himmelen vert farga blå. Om ein ser direkte mot sola (noko ein ikkje bør gjer), så vert ikkje fargane spreidde bort, og dei lengre bølgjelengdene som raudt og gult lys er synlege. Dette gjer at sola i seg sjølv får ein gulaktig farge. Sett frå frå verdsrommet er himmelen svart og sola kvit. 

Det raude sollyset vert forsterka når sola er nær horisonten, fordi volumet av luft som sollyset må igjennom er mykje større enn når sola står høgt på himmelen. Dermed vert gradienten frå ei raud-gul-sol til blå himmel mykje større ved soloppgang og solnedgang. 

Rayleigh-spreiing skjer hovudsakleg ved at lyset vekselverkar med luftmolekyla. Noko av spreiinga kan òg kome av aerosolar av svovelpartiklar. I fleire år etter eit stort vulkanutbrot vert blåfargen til himmelen merkbar lysare på grunn av svovelmengda i stratosfæren. Ei anna kjelde til spreiing er mikroskopiske tettleikssviningar, som fører til at luftmolekyla går i tilfeldig rørsle. Eit område med høgare eller lågare tettleik har litt forskjellig brytingsindeks enn det omliggande området, og fungerer dermed som kortvarige partiklar som kan spreie lys. 

På stader med lite lysforureining vert ein måneopplyst himmel og farga blå, av same årsaker som at himmelen er blå om dagen. Vi oppfattar ikkje ein måneopplyst himmel som blå fordi lyset er så svakt. Menneskesynet kjem hovudsakleg frå stavar som ikkje har noko fargeoppfatting.

Sjå òg 
 Raman-spreiing
 Dynamisk lysspreiing
 Mie-teori
 Tyndall-effekt
 Kritisk opalescens
 Rayleigh-kriterium
 Luftperspektiv

Kjelder
Denne artikkelen bygger på «Rayleigh scattering» frå ,  den 6. desember 2009. 
 oppgav desse kjeldene: 
C.F. Bohren, D. Huffman, Absorption og scattering of light by small particles, John Wiley, New York 1983. Contains a good description of the asymptotic behavior of Mie theory for small size parameter (Rayleigh approximation).

Bakgrunnsstoff
 HyperPhysics om rayleigh-spreiing
 Full fysisk forklaring av fargen på himmelen.
 Fjerne effektar av rayleigh-spreiing på eit bilete i Photoshop 
 Ei kort skildring av rayleigh-spreiing 

Spreiing og absorpsjon
Optiske fenomen i atmosfæren
Sikt
Lys