چرا آسمان آبی رنگ است؟

در زندگی روزمره ما خیلی پدیده‌های فیزیکی جالب وجود دارد که گاه آنقدر برای ما تکراری شده‌اند که درباره آن‌ها فکر نمی‌کنیم و یا متوجه آن‌ها نیستیم.  یکی از این‌ پدیده‌ها آسمان است. مثلا اینکه چرا آسمان در طول روز آبی رنگ است و در موقع طلوع یا غروب خورشید رنگ قرمز به خود می‌گیرد؟ برای اینکه دلیل این پدیده را متوجه شوید، با ما همراه باشید.

چیزی که نسبتا واضح است این است که این پدیده به خورشید مربوط است، پس بیایید که با خورشید شروع کنیم. نوری که از خورشید می‌آید سفید به نظر می‌رسد اما ترکیبی از رنگ‌های مختلف است و همه ما می‌دانیم که این رنگ‌ها، چیزی نیست جز رنگ‌های رنگین کمان. حالا این نور سفید رنگ برای این‌که به ما برسد، از جو زمین عبور می‌کند.

اتمسفر (Atmosphere):

جو زمین مخلوطی از گاز‌ها و مواد اطراف زمین است. اتمسفر عمدتا از گاز نیتروژن (۷۸٪) و اکسیژن (۲۱٪) تشکیل شده است. گاز آرگون و آب (به صورت بخار، قطرات کوچک و کریستال‌های یخ) نیز به همراه مواد رایج دیگر در آن وجود دارد. همچنین مقدار کمی از گاز‌های دیگر و کمی گرد و غبار و خاکستر درون جو وجود دارد. [۱]

اثر تیندال (Tyndall Effect):

اولین قدم برای توجیح رنگ آسمان توسط فیزیکدانی به نام “جان تیندال” (John Tyndall) در سال ۱۸۵۹ برداشته شد. او کشف کرد هنگامی که نور از یک مایع سوسپانسیون شفاف (مایعی که در آن ذرات معلق وجود داشته باشد) عبور کند، طول موج‌های کوتاه‌تر مثل آبی بیش‌تر از طول موج‌های بلند‌تر مثل قرمز پراکنده می‌شوند. این پدیده را می‌توان با تاباندن یک نور سفید به یک ظرف آب که با کمی شیر یا صابون سفید مخلوط شده است، نشان داد. وقتی نور وارد ظرف می‌شود، می‌توان مشاهده کرد که نور به رنگ آبی منتشر می‌شود و در آخر ظرف، نور به رنگ قرمز متمایل می‌شود. [۲]

درست است که تیندال این پدیده را کشف کرد، اما بین فیزیک‌دادنان، با نام “پراکندگی رایلی” (Rayleigh scattering) معروف است؛ به خاطر محاسباتی که او در این زمینه انجام داد. او نشان داد که نور پراکنده‌شده برای ذرات به اندازه کافی کوچک با معکوس توان چهارم طول موج رابطه دارد.

بنابراین نور آبی بیشتر از نور قرمز پراکنده می‌شود (طول موج آبی حدودا ۴۰۰ و نور قرمز ۷۰۰ است).

(۷۰۰/۴۰۰)۲ ~=۱۰

گرد و خاک یا مولکول‌ها؟

تا حالا باید فهمیده باشید که دلیل آبی دیده شدن رنگ آسمان چیست، اما چه چیزی باعث این پراکندگی می‌شود؟ ذرات معلق در هوا مثل گرد و خاک یا مولکول‌های هوا؟

تیندال و رایلی فکر می‌کردند که رنگ آبی آسمان، به خاطر ذرات ریز گرد و غبار موجود در هوا و قطرات بخار آب در جو است. امروزه هم بعضی‌ها به اشتباه دلیل آبی بودن رنگ آسمان را همین می‌دانند. کمی بعد، دانشمندان فکر کردند که اگر این درست باشد، آن وقت رنگ آسمان در مواقعی که رطوبت هوا یا آلودگی بیشتر است تغییر می‌کند. پس احتمالا این مولکول‌های هوا هستند که نور را پراکنده می‌کنند. این قضیه سرانجام توسط انیشتین که فرمول کاملی برای پراکندگی نور توسط مولکول‌ها را به دست آورد، اثبات شد.

چرا آسمان بنفش نیست؟

شاید این سوال پیش بیاید که اگر نور با طول موج کمتر بیشتر پراکنده می‌شود، پس چرا آسمان بنفش نیست؟

نور خورشید کامل نیست و مقدار بنفش آن کمتر است و مقداری از بنفش، توسط اتمسفر جذب می‌شود. چشم ما نیز به نور بنفش کمتر حساس است. این بخشی از پاسخ است. در عین حال، یک رنگین‌کمان نشان می‌دهد که هنوز هم مقدار قابل توجهی از طیف بنفش وجود دارد.[۲]

ادامه پاسخ در نحوه دیدن ما نهفته است. در شبکیه چشم ما سه نوع گیرنده نور (سلول‌های مخروطی)  وجود دارد که قرمز و سبز و آبی نام دارند زیرا آنها به طول موج خودشان نسبت به بقیه طول موج‌ها بیشتر واکنش نشان می‌دهند. در نسبت‌های مختلف ترکیب، سیستم بینایی ما رنگ‌های مختلف را مشاهده می‌کند.[۲]

منحنی واکنش برای سه نوع سلول مخروطی در چشم انسان

زمانی که به آسمان نگاه می‌کنیم، سلول‌های مخروطی قرمز به قسمت کمی از نور قرمز پراکنده شده واکنش نشان می‌دهند؛ و این میزان از طول موج نارنجی و زرد کمتر است. سلول‌های سبز به طول موج‌های زرد و بیشتر نور سبز پراکنده شده و سبز-آبی واکنش نشان می‌دهند. سلول‌های آبی به طول موج‌های نزدیک آبی واکنش نشان می‌دهد؛ هر کدام که قوی تر باشد. اگر در طیف، طول موج نیلی و بنفش وجود نداشته باشد، آسمان آبی و کمی سبز تیره به نظر می‌رسد. با این حال، طول موج نیلی و بنفش پراکنده‌شده سلول‌های آبی و کمی سلول‌های قرمز را تحریک می‌کنند. به همین دلیل این رنک آبی و کمی قرمز به نظر می‌رسد. سلول‌های قرمز و سبز به یک اندازه تحریک می‌شوند. به همین دلیل است که آسمان آبی کمرنگ است.

این ممکن است اتفاقی نباشد که چشم با برای دیدن آسمان به عنوان رنگ خالص تنظیم شده است. ما برای تناسب با محیط زیست تکامل پیدا کرده‌ایم و توانایی جدا‌ کردن واضح‌تر رنگ‌های طبیعی احتمالا یک مزیت بقاست.

غروب

زمانی که هوا تمیز است، غروب زرد به نظر می‌رسد؛ زیرا نور خورشید فاصله زیادی از درون هوا عبور کرده و طول موج آبی آن پراکنده شده است. اگر هوا با ذرات ریز آلوده شده باشد، طبیعی یا طوری دیگر، غروب بیشتر قرمز است. غروب کنار دریا ممکن است نارنجی باشد، ذرات نمک موجود در هوا، بر روی اثر تیندال موثر هستند. آسمان اطراف خورشید قرمز دیده می‌شود، همچنین نور به طور مستقیم از خورشید می‌آید.

به دلیل اینکه تمام نور نسبتا به خوبی از طریق زوایای کوچک پراکنده شده‌است؛ اما نور آبی شانس بیشتری برای پراکنده‌شدن در فاصله‌های بیشتر دارد و رنگ‌های زرد و نارنجی و قرمز باقی می‌ماند.

همچنین در ویدیوی زیر، دلیل این پدیده به طور خلاصه گفته شده‌است.

محمد کاظمی

نویسنده: محمد کاظمی

۱۶ ساله، دانش‌آموز دبیرستان علامه حلی. علاقه‌مندی‌هایی که دارم هم فیزیک، الکترونیک، برنامه‌نویسی، ریاضی و ... (و البته خیلی چیز‌های دیگه که جا نمیشه!)

1 دیدگاه برای مطلب “چرا آسمان آبی رنگ است؟” موجود است.

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *