Natuurkundige verschijnselen kom je tegen in de meest gewone en alledaagse situaties. Sterker nog, veel natuurkundig onderzoek is ontstaan doordat mensen gingen nadenken over wat ze om zich heen waarnamen. Zo ook kunstenaars. En een van de verschijnselen die zij tegenkwamen is vergrijzing.
Het woord vergrijzing kennen we vooral van de betekenis uit bevolkingsonderzoek en duidt erop dat het aantal ouderen in de totale bevolking toeneemt. Dat bedoelen we hier niet. Wat we wel bedoelen zie je de foto in figuur 1.
Vergrijzing is dat de kleuren van voorwerpen in de achtergrond vager worden en verkleuren naar donkerder blauwe tinten. Het heet ook wel atmosferisch perspectief of in het Engels aerial of atmospheric perspective en geeft zo een aanduiding van de verklaring.
Dit verschijnsel is al heel lang bekend, al eeuwen gebruiken kunstenaars deze waarneming om met kleurvervaging diepte in schilderijen weer te geven. Dat zie je bijvoorbeeld in het werk van de schilder Jan van Eyck die leefde van 1390 tot 1441, zie figuur 2.
Je ziet dat Van Eyck de bergen naarmate ze verder weg zijn, steeds vager en meer blauwig weergaf. Maar wacht even, blauw? Het verschijnsel heet toch vergrijzing? Hoe zit dat? Om dat te begrijpen moeten we het eerst op een iets fundamentelere manier hebben over hoe (zon)licht zich door de atmosfeer verplaatst.
Atmosfeer en licht
Wij nemen niet direct het licht waar zoals de zon het uitzendt. Tussen ons en de zon bevindt zich de aardatmosfeer en die bepaalt hoe wij dat licht waarnemen. Volgens Wikipedia is de atmosfeer: ‘…een mengsel van gassen dat door de zwaartekracht aan de Aarde is gebonden’. Voor dit verhaal moeten we, behalve met de gassen van de atmosfeer, ook rekening houden met van alles dat zich in die atmosfeer bevindt. Dat zijn onder meer microscopisch kleine deeltjes (bijvoorbeeld roet) en kleine waterdruppeltjes. Dit noemen we aerosolen en die hebben een grootte tussen 0,2 en 200 micrometer. Natuurlijk bevinden zich ook grotere waterdruppels in de lucht (bijvoorbeeld in een regenbui) of zelfs hele grote dingen zoals vliegtuigen. Voor nu zijn echter alleen de gassen en de aerosolen van belang, deze verstrooien namelijk het zonlicht dat de atmosfeer bereikt. Daarbij moeten we letten op het verschil in grootte tussen die twee. Moleculen hebben typische groottes van nanometers, terwijl aerosolen dus ongeveer duizend keer groter zijn, micrometers.
Gassen
Verstrooiing van licht aan gassen (=moleculen) heet Rayleigh-verstrooiing en de mate van verstrooiing is zeer sterk afhankelijk van de golflengte van het opvallende licht. Vaak kom je de uitdrukking 1/λ4 tegen, waarbij λ de golflengte is. De volledige formule is ingewikkelder, maar met deze 1/λ4 kun je wel begrijpen wat er gebeurt. De vierde macht duidt op de zeer sterke afhankelijkheid, een net iets andere golflengte zal zorgen voor een grote verandering in verstrooiing. Rood licht zal vrijwel niet verstrooid worden, oftewel rechtdoor gaan, terwijl blauw licht (met een kortere golflengte) heel sterk verstrooid zal worden.
Onze zon straalt wit licht uit, met zowel rood als blauw licht en natuurlijk de kleuren er tussenin. Als dat licht de atmosfeer treft zal de rode component van het licht rechtdoor gaan en de blauwe zal meer verstrooid worden. Omdat er dus blauw licht uit ‘verdwijnt’ zien wij de zon geel. En als de weglengte door de atmosfeer erg lang is (bij zonsopkomst en -ondergang) blijft er alleen rood licht over. Waar blijft dan dat blauwe licht? Dat verspreidt zich door de atmosfeer, zal verstrooid blijven worden en treft zo onze ogen van alle kanten. Daarom is de lucht blauw.
Aerosolen
Verstrooiing aan grotere deeltjes zoals aerosolen heet Mie-verstrooiing. Deze is niet sterk afhankelijk van de golflengte, dus alle kleuren worden evenveel verstrooid met als gevolg dat er geen scheiding van kleuren ontstaat. Een nevel voor de zon zal daarom het licht verzwakken maar niet van kleur veranderen. Ook mist is om deze reden wit.
Landschappen
Nu weten we voldoende van lichtverstrooiing in de atmosfeer om te kunnen begrijpen wat er met landschappen gebeurt. Daarbij moeten we er wel aan denken dat we het dan niet hebben over het licht uit een lichtbron, maar over licht dat al gereflecteerd is.
In de atmosfeer bevindt zich dus vooral blauw licht dat van alle kanten komt en dat doorlopend verstrooid blijft worden. Blauw licht komt dan ook terecht in onze zichtlijn naar een veraf gelegen landschap en zal ook naar ons toe verstrooid worden. Hoe verder een landschap van ons af is, hoe meer van dat blauwe licht zich zodoende mengt met de oorspronkelijk kleur (vaak groen) van het landschap. Dat is wat Van Eyck heel mooi heeft weergegeven. Dit effect zouden we dus inderdaad verblauwing moeten noemen. Waarom heet het dan toch vergrijzing? In deze beschrijving hebben we eigenlijk alleen het effect van Rayleigh-verstrooiing bekeken. Dit zou dus alleen optreden bij een kraakheldere atmosfeer waarin geen aerosolen aanwezig zijn. Maar dat komt bijna nooit voor, er is altijd wel vocht of wat nevel in de lucht. Die zorgen ervoor dat er een vervaging van het landschap optreedt, verzwakking van kleuren en vermindering van contrast. Dat is waarom wij een algehele verzwakking gecombineerd met een verkleuring naar de donkerder blauwtinten waarnemen. Dat zien we als vergrijzing.
Meer effecten
Met deze kennis kunnen we meer lichteffecten in de atmosfeer begrijpen. Wie wel eens op wintersport is geweest en hoog op een berg stond omringd door prachtig besneeuwde bergtoppen, kan het opgevallen zijn dat die witte bergen, naarmate ze verder weg zijn, steeds bruiner (of zo je wilt: viezer) eruitzien. Op die hoogte en bij winterse temperaturen is de atmosfeer vrij schoon. Het witte licht van een sneeuwtop zal, hoe langer het pad door de atmosfeer naar de waarnemer toe is, door de Rayleigh-verstrooiing steeds meer blauw kwijtraken, oftewel naar het rood kleuren en verzwakken. Dat samen geeft een bruine indruk.
Nog een mooie is de typisch Nederlandse witte wolk, die je zo vaak op schilderijen ziet. De waterdruppels in een wolk hebben de juiste grootte voor Mie-verstrooiing. Het (van opzij!) opvallende vrijwel witte zonlicht zal daar geen kleurschifting ondergaan, oftewel ze blijven wit. En vooral op heldere dagen zijn er weinig vervagende of verzwakkende effecten, zie figuur 3. Wolken zien er grijs uit als het licht vooral van achter komt (dat heet doorvallend licht) en het door absorptie en verstrooiing steeds zwakker wordt. De wolk ziet er dan donkerder uit.
Meer lezen
Over lichteffecten in de atmosfeer is nog ontzettend veel meer moois en leuks te lezen. Er zijn veel (weerkundige) sites te vinden die natuurkundige verklaringen geven, maar het best is en blijft toch wel de ‘oerbron’ van dit soort verschijnselen: het boek De natuurkunde van 't vrije veld van Marcel Minnaert, vooral deel I voor dit onderwerp.
