چرا آسمان آبی است؟

اقتصاد۲۴- شیوا سپهری: آسمان برای چشم انسان آبی به نظر می‌رسد، زیرا امواج کوتاه نور آبی بیشتر از سایر رنگ‌های طیف نور پراکنده می‌شوند و این باعث می‌شود که نور آبی قابل‌مشاهده‌تر باشد.

برای درک اینکه چرا آسمان آبی است، ابتدا باید کمی درباره نور بدانیم. نوری که از خورشید به ما می‌رسد سفید به نظر می‌رسد، اما در واقع از طیف گسترده‌ای از رنگ‌های مختلف تشکیل شده است، همان‌طور که در رنگین‌کمان می‌توانیم آنها را ببینیم.

نور را می‌توان به‌عنوان موجی از انرژی در نظر گرفت که هر رنگ دارای طول موج متفاوتی است. در یک سر طیف، نور قرمز با طول موج بلندتر قرار دارد و در طرف دیگر نور‌های آبی و بنفش با طول موج بسیار کوتاه‌تر وجود دارند.

چرا آسمان آبی است؟

وقتی نور خورشید به جو زمین می‌رسد، توسط مولکول‌های ریز گاز (عمدتاً نیتروژن و اکسیژن) در هوا پراکنده یا منحرف می‌شود. از آنجایی که این مولکول‌ها بسیار کوچک‌تر از طول موج نور مرئی هستند، میزان پراکندگی به طول موج نور بستگی دارد. این پدیده، "پراکندگی ریلی" نامیده می‌شود که به افتخار لرد رایلی، کاشف آن، نام‌گذاری شده است.

طول موج‌های کوتاه‌تر (مانند آبی و بنفش) بیشتر پراکنده می‌شوند، به همین دلیل مقدار بیشتری از نور آبی به چشم ما می‌رسد. شاید این سؤال پیش بیاید که چرا آسمان بنفش به نظر نمی‌رسد، در حالی که نور بنفش حتی بیشتر از نور آبی پراکنده می‌شود؟ این به این دلیل است که نور خورشید مقدار کمی نور بنفش دارد و چشمان ما به نور آبی بسیار حساس‌تر از نور بنفش هستند.

نور آبی که به آسمان رنگ می‌دهد به‌اندازه‌ای روشن است که ستارگانی را که شب‌ها می‌بینیم، محو می‌کند؛ چرا که نوری که آنها منتشر می‌کنند بسیار کم‌نورتر از نور آبی است.

چرا آبی آسمان در نزدیکی افق کمرنگ‌تر به نظر می‌رسد؟

شاید متوجه شده باشید که آسمان در بالای سر بسیار درخشان‌تر است و هر چه به سمت افق می‌رود کمرنگ‌تر می‌شود. این به این دلیل است که نور از افق، مسافت بیشتری را در جو طی کرده و در طول مسیر بیشتر پراکنده و بازپراکنه شده است. سطح زمین نیز در پراکندگی و بازتاب نور نقش دارد. در نتیجه این افزایش پراکندگی، میزان تسلط نور آبی کاهش یافته و نور سفید بیشتری به چشم ما می‌رسد.

چرا غروب آفتاب قرمز یا نارنجی است؟

طلوع و غروب خورشید می‌تواند از زیباترین جلوه‌های طبیعی باشد، اما چه چیزی باعث می‌شود آسمان در این زمان‌ها به رنگ‌های متفاوتی دربیاید؟

در زمان طلوع و غروب، خورشید در افق بسیار پایین قرار دارد. این بدان معناست که نوری که به ما می‌رسد، مسافت طولانی‌تری را در جو طی کرده است. از آنجا که نور آبی به‌طور قوی‌تری توسط جو پراکنده می‌شود، چندین بار پراکنده شده و به جهات مختلف منحرف می‌شود و قبل از رسیدن به چشم ما، از مسیر خارج می‌شود. در نتیجه، نور زرد و قرمز بیشتری برای دیدن ما باقی می‌ماند.

در زمان ظهر، نور مسافت کمتری را از جو عبور می‌کند. نور هنگام رسیدن به جو زمین در تمام جهات پراکنده می‌شود، به همین دلیل ما نور آبی را می‌بینیم. نور آبی بیش از رنگ‌های دیگر پراکنده می‌شود، زیرا به‌صورت امواج کوتاه‌تر و کوچک‌تر حرکت می‌کند. با این حال، در زمان غروب خورشید، نور مسافت بیشتری را در جو طی می‌کند. نور آبی با طول موج کوتاه بیشتر پراکنده می‌شود، زیرا نور خورشید مسافت بیشتری را طی می‌کند و در نتیجه نور زرد و قرمز با طول موج بلندتر به چشم ما می‌رسد. این پدیده به دلیل پراکندگی ریلی رخ می‌دهد.

پراکندگی ریلی و ارتباط آن با آبی بودن آسمان

پراکندگی ریلی پدیده‌ای فیزیکی است که در آن نور توسط ذرات بسیار کوچکی که اندازه آنها بسیار کمتر از طول موج نور هستند پراکنده می‌شود. این پدیده به افتخار فیزیکدان بریتانیایی، لرد ریلی که در اواخر قرن نوزدهم این فرآیند را مطالعه و تشریح کرد، نام‌گذاری شده است. پراکندگی ریلی زمانی رخ می‌دهد که نور از خورشید به جو زمین برخورد می‌کند و با مولکول‌های گاز مانند نیتروژن و اکسیژن تعامل پیدا می‌کند. از آنجا که طول موج‌های مختلف نور به میزان متفاوتی پراکنده می‌شوند، رنگ‌های مختلف در جهت‌های گوناگون پخش می‌شوند.

نور خورشید که برای ما سفید به نظر می‌رسد، در واقع ترکیبی از طیف‌های رنگی مختلف است که هرکدام طول موج متفاوتی دارند. نور آبی و بنفش که دارای طول موج‌های کوتاه‌تری هستند، بسیار بیشتر از نور‌های دارای طول موج بلند (مانند قرمز و زرد) پراکنده می‌شوند. با این حال، به دلیل حساسیت بیشتر چشم انسان به نور آبی نسبت به نور بنفش و همچنین وجود مقدار کمتری از نور بنفش در نور خورشید، آسمان برای ما عمدتاً آبی به نظر می‌رسد.

زمانی که خورشید در بالای آسمان قرار دارد (در ظهر)، نور خورشید مسیر کوتاه‌تری را در جو طی می‌کند و پراکندگی نور آبی بیشتر از سایر رنگ‌ها رخ می‌دهد. این پراکندگی قوی باعث می‌شود نور آبی به سمت چشم ما هدایت شود و آسمان به رنگ آبی درآید. در مقابل، در هنگام طلوع و غروب خورشید، نور مسیر طولانی‌تری را از جو عبور می‌کند و در این فرآیند، نور آبی به دلیل پراکندگی زیاد از مسیر خارج می‌شود و نور‌های زرد و قرمز با طول موج بلندتر به ما می‌رسند.

در مجموع، پراکندگی ریلی کلید اصلی در پاسخ به این پرسش است که چرا آسمان آبی به نظر می‌رسد. این پدیده نتیجه تعامل نور خورشید با جو زمین و تفاوت پراکندگی طول موج‌های مختلف نور است که موجب می‌شود آبی درخشان آسمان در روز و قرمز و نارنجی گرم در غروب یا طلوع به چشم ما برسد.

چرا ابر‌ها سفید هستند؟

ابر‌ها سفید هستند، زیرا نور خورشید سفید است. هنگامی که نور از میان ابر عبور می‌کند، با قطرات آب موجود در ابر برخورد می‌کند که بسیار بزرگ‌تر از ذرات موجود در جو هستند.

وقتی نور خورشید به یک ذره جو برخورد می‌کند، نور آبی قوی‌تر از سایر رنگ‌ها پراکنده می‌شود و باعث می‌شود آسمان آبی به نظر برسد. اما در یک ابر، نور خورشید توسط قطرات بزرگ‌تر آب پراکنده می‌شود. این قطرات همه رنگ‌ها را تقریباً به یک اندازه پراکنده می‌کنند و در نتیجه نور سفید باقی می‌ماند و ابر‌ها در پس‌زمینه آسمان آبی، سفید به نظر می‌رسند.

همانطور که پیشتر اشاره کردیم نور خورشید یا نور مرئی را می‌توان به‌عنوان موجی در نظر گرفت که بخشی از طیف الکترومغناطیسی است. ما می‌توانیم این طیف کامل را زمانی ببینیم که نور به رنگین‌کمان تجزیه شود. این طیف شامل انواع موج‌های دیگر، از پرتو‌های بسیار کوتاه مانند اشعه ایکس و گاما گرفته تا امواج رادیویی بسیار بلند می‌شود.

هر رنگ مرئی دارای طول موج متفاوتی است؛ نور آبی کوتاه‌ترین طول موج را دارد (حدود ۴۰۰ نانومتر) و نور قرمز بلندترین طول موج را دارد (حدود ۷۰۰ نانومتر). ذرات کوچک‌تر می‌توانند طول موج‌های کوتاه‌تر (مانند نور آبی) را مؤثرتر پراکنده کنند، مانند ذرات موجود در جو که باعث آبی دیده‌شدن آسمان می‌شوند.

اما قطرات آب بزرگ‌تر درون ابر، تمام طول موج‌ها را تقریباً به یک اندازه پراکنده می‌کنند. از آنجا که میلیون‌ها قطره آب در یک ابر وجود دارد، نور پراکنده‌شده با هم ترکیب می‌شود و رنگ سفید تولید می‌کند.

پس چرا ابر‌ها گاهی خاکستری هستند؟

سطح پایینی ابر‌ها به دلیل همان فرآیند پراکندگی که باعث سفیدشدن آنها می‌شود، اغلب خاکستری به نظر می‌رسد. زمانی که نور درون ابر پراکنده می‌شود، معمولاً به سمت بالا یا طرفین ابر بازتاب می‌شود. این فرآیند باعث می‌شود که قسمت‌های بالایی و کناری ابر روشن‌تر و سفیدتر باشند، درحالی‌که سطح پایینی ابر که نور کمتری دریافت می‌کند، تیره‌تر به نظر برسد.

این پدیده در ابر‌های باران‌زا مشهودتر است، زیرا قطرات آب در این ابر‌ها بزرگ‌تر هستند و نور بیشتری را پراکنده می‌کنند. در نتیجه، نور کمتری به سطح پایینی ابر می‌رسد و باعث می‌شود ابر‌های باران‌زا ظاهری تیره و سنگین پیدا کنند.

از آنجایی که سطح بالایی ابر‌ها همواره منبع ثابتی از نور سفید خورشید را دریافت می‌کند، همیشه سفید هستند. اگر تاکنون سوار هواپیما شده‌اید، از پنجره به بیرون نگاه کنید. زمانی که بالای ابر‌ها هستید، خواهید دید که سطح بالایی همه ابر‌ها سفید و درخشان به نظر می‌رسد.