Dlaczego śnieg jest biały?

29.01.2016 Centrum Nauki Kopernik

Zarówno śnieg, jak i lód to zamarznięta woda (fizyk powie: woda w postaci zestalonej). Niby to samo, a przecież zupełnie co innego! Lód najczęściej jest przezroczysty – jeśli proces jego krzepnięcia był powolny i niczym nie zaburzony. Śnieg za to ma wyraźnie biały kolor. Jak to wyjaśnić?

Lód jest strukturą jednolitą – kryształem, czyli czymś jednorodnym. Atomy w nim są uporządkowane jak żołnierze na apelu – każdy znajduje się w ściśle określonym miejscu. Kryształ lodu ma zaledwie kilka ścianek (np. sześć, jeśli mówimy o kostce).

Śnieg z kolei, to jakby „zmielony lód”, którego ziarnami są płatki śniegu. Pojedyncza śnieżynka jest strukturą bardzo regularną, podobnie jak lód. Jeśli przyjrzymy jej się pod mikroskopem, okaże się, że jest… przezroczysta!
Tajemnica nieprzezroczystości i bieli śniegu tkwi więc w ziarnistej strukturze. Policzmy teraz, ile jest wszystkich ścianek we wszystkich płatkach śniegu, które zmieścimy w dłoni. To setki tysięcy, jeśli nie miliony!

Z naszych obserwacji możemy wysnuć wniosek, że skupisko czegoś przezroczystego nie jest przezroczyste. Czy powinno nas to dziwić? Sprawdźmy inne substancje – np. pojedynczy kryształ cukru albo soli. Są całkiem przezroczyste. Ale miliony ziarenek cukru w cukiernicy lub soli w solniczce są postrzegane jako białe!

Kryształki cukru są przezroczyste, jeśli mają idealnie wypolerowane ścianki. Zazwyczaj jednak są one zmatowione – mają lekko białą powierzchnię, dzięki czemu postrzegamy biel jeszcze wyraźniej.

Przezroczysta jest także woda. Przyjrzyjmy się jednak wodzie silnie spienionej (np. podczas napuszczania jej do wanny). Staje się… biała! Dlaczego? Miliony bąbelków powietrza, pływających w wodzie, tworzą miliony ścianek (granic woda-powietrze).
Już wiemy, co wpływa na pojawienie się bieli – są to ścianki. W jaki sposób to robią?

Weźmy białą kartkę (fizyk powie: taką, która dobrze odbija wszystkie kolory i słabo je pochłania). Jeśli na taką kartkę pada światło białe (które jest mieszaniną wszystkich kolorów), to po odbiciu również widzimy światło białe, bo kartka tak samo dobrze odbija każdy kolor. Jeśli na białą kartkę pada czerwone światło, kartka będzie czerwona. Jeśli zielone – zielona, itd.

Zamieńmy kartkę na lustro. Ono też doskonale odbija każdy kolor. Jeśli na lustro pada białe światło, to patrząc pod odpowiednim kątem zobaczymy w odbiciu jego źródło, które oczywiście będzie białe. Jeśli źródło będzie czerwone, to zobaczymy jego czerwone odbicie, itd.

Na pierwszy rzut oka, biała kartka i lustro zachowują się tak samo. Każdy jednak widzi kolosalną różnicę między nimi. Ciężko się przejrzeć w białej kartce. I nikt nie powie o lustrze, że jest białe!

Zwróćmy uwagę, że jeśli na białą kartkę pada białe światło to jest ona postrzegana jako biała niezależnie od kąta, pod jakim na nią patrzymy. A lustro? Jeśli świeci na nie białe źródło światła, to żeby zobaczyć odbicie tego źródła trzeba spojrzeć pod odpowiednim kątem. Mówiąc  zatem „biała kartka doskonale odbija każdy kolor światła”, mamy na myśli coś trochę innego niż kiedy mówimy „lustro doskonale odbija każdy kolor światła”. Kartka odbija światło we wszystkich możliwych kierunkach. Mówimy, że je rozprasza. Lustro odbija je w ściśle określonym kierunku.

Te dwa sposoby odbijania światła powinny się po prostu różnie nazywać! Takie rozróżnienie istnieje w języku angielskim - mówimy o „specular reflection” (lustro) i „diffuse reflection” (kartka). Możemy to przetłumaczyć jako „odbicie lustrzane” i „odbicie rozproszeniowe”.

I tak kończy się cała historia. Jeśli biały promień światła przechodzi bez rozproszenia przez substancję, która nie pochłania światła, to taka substancja jest postrzegana jako przezroczysta (np. lód, szkło, kryształ soli, cukru). Jeśli natomiast biały promień wpada do substancji nie pochłaniającej światła, ale po przebyciu mikroskopijnie małej odległości jest rozpraszany w przypadkowym kierunku, po czym znowu jest rozpraszany i znowu i znowu… i tak miliony razy, to postrzegany substancję jako białą.