دليل آبي بودن آسمان

چرا آسمان صاف در هنگام روز اغلب آبي ، ولي در نزديکي افق سفيد است؟

چرا خورشيد در حال غروب سرخ و آسمان درست در بالاي آن همچون پرده‌ اي رنگارنگ است؟

چرا در شامگاه سايه‌اي منحني با حاشيه‌اي سرخ در آسمان شرق پديدار مي‌شود؟ 

چرا گاهي اندکي پس از غروب خورشيد لکه‌اي ارغواني در آسمان مغرب نمآيان و سپس ناپديد مي‌شود؟

اين پرسشها مارا به بررسي چه چيزي فرا مي‌خوانند. بسياري از طرحواره‌هاي مشهور در آسمان صاف بيشتر شامل انتشار نور خورشيد از مواد موجود در هواست. از قبيل غبار ، افشانه‌ها ، بلورهاي يخ و قطرکها و طرحواره‌هاي ديگر مبتني بر جذب انتهاي سرخ طيف مرئي بوسيله آب و اوزون در جو. هرگاه يک مه دود مصنوعي بوسيله يک باريکه نور سفيد روشن شود و از زاويه معين مورد ملاحظه قرار گيرد، مانند رنگ آسمان بسيار صاف ديده مي‌شود. آيا گاز خالص مانند هوا که عاري از همه ذرات باشد نمي‌تواند نور را منتشر کند و آن را به رنگهاي مختلف تجزيه خواهد کرد؟

پديده انتشار

انتشار نور و تفکيک رنگها مربوط به خود مولکولهاي هواست، حتي در غياب ذرات خارجي هم آسماني آبي خواهيم داشت. طول موج نور از آبي به سبز ، زرد و سرخ افزايش مي‌يابد و طول موج مربوط به نور قرمز حدود 1.68 برابر طول موج نور آبي است. هر يک از اجزاي نور خورشيد در همه جهت ها از مولکول منتشر مي‌شود، ولي شدت آن همسان نيست. درخشان ترين انتشار در جهت روبرو (مانند اينکه نور يک راست از مولکول مي‌گذرد) و رو به پشت (بسوي خورشيد) است.

به نظر نيوتن رنگهاي ظاهري اجسام طبيعي بستگي به اين دارد که از آنها چه رنگي شديدتر منعکس يا بسوي بيننده پراکنده مي‌شود . بطور کلي ، شيوه ساده‌اي وجود ندارد که بر اساس ساختار سطح ترکيب شيميايي و مانند آنها پيش بيني کنيم که آن ماده چه رنگهايي را منعکس يا پراکنده مي‌کند. با اين همه ، علت آبي بودن رنگ آسمان را با استدلال ساده‌اي مي‌توان توضيح داد.

همانطور که تامس يانگ با آزمايش نشان داد، طول موجهاي گوناگون نور رنگهاي متفاوت دارند، طول موج نور را با واحد نانومتر يا با واحد آنگستروم مي‌سنجند. دامنه طيف قابل رؤيت براي آدمي nm 400 براي نور بنفش تا حدود nm 700 براي نور قرمز است. مانع هاي کوچک مي‌توانند انرژي يک موج فرودي را در همه جهت ها پراکنده کنند و مقدار پراکندگي بستگي به طول موج دارد. به عنوان يک قاعده کلي ، هر چه طول موج در مقايسه با اندازه مانع بزرگتر باشد، موج بوسيله مانع کمتر پراکنده مي‌شود. براي ذراتي کوچکتر از يک طول موج ، مقدار پراکندگي نور با عکس توان چهارم طول موج تغيـــيــر مي‌کند. مثلاً ، طول‌ موج نور قرمز در حدود دو برابر طول موج نور آبي است. بنابراين پراکندگي نور قرمز در حدود يک شانزدهم پراکندگي نور آبي است. نوري که نسبت به مسير اوليه خورشيد در زاويه قائم منتشر شود، تنها نيمي از درخشندگي را خواهد داشت. همه رنگها به اين شيوه منتشر مي‌شوند. ولي شدت انتشار هر يک از اين رنگها در هر جهتي متفاوت است. شدت با عکس توان چهارم طول موج متناسب است. از اين رو نور موج کوتاه (مانند آبي) خيلي شديد تر از نور سرخ منتشر مي شود که طول موج بلندتري دارد. از آنجا که نسبت طول موج آنها 1.68 است، نسبت انتشار نور آبي 8 برابر درخشان تر از نور سرخ است.

آسمان آبي

اکنون مي‌توانيد بفهميد که چرا رنگ آسمان آبي است. نور خورشيد بوسيله مولکولها و ذرات گرد و غبار موجود در آسمان ، که معمولاً در مقايسه با طول موجهاي نور مرئي بسيار کوچکند، پراکنده مي‌شود. به اين ترتيب ، نور طول موجهاي کوتاه (نور آبي) بسيار شديدتر از نور طول موجهاي بلندتر بوسيله اين ذرات پراکنده مي‌شوند. وقتي که به آسمان صاف نگاه مي‌کنيم ، بيشتر اين نور پراکنده شده است که به چشم ما مي‌رسد. دامنه طول موجهاي کوتاه پراکنده شده (و حساسيت چشم آدمي به رنگ) منجر به احساس رنگ آبي مي‌شود.

کوتاهترين طول موجهاي طيف مرئي بيشتر مطابق بنفش است تا آبي ، پس چرا آسمان بجاي آنکه بنفش باشد آبي است؟ نور خورشيد اوليه در رنگ بنفش تا حدي ضعيف تر از آبي آست و بنفش کمتر از آبي به ما مي‌رسد. دليل مهمتر اينکه چشم انسان نسبت به بنفش کمتر از آبي حساس است. اينکه مردم آبي بودن آسمان را بوجود بخار آب در جو نسبت بدهند، شايد به اين دليل باشد که اغلب توده‌هاي آب آبي رنگ است.

از دلايل آبي بودن دريا اين است که وقتي نور سفيد چند متر از ميان آب مي‌گذرد، مولکولهاي آب بخشي از انتهاي سرخ طيف را جذب مي‌کند و نوري که سرانجام به چشم بيننده منعکس مي‌شود بيشتر آبي شده است. و در آسمان آب کافي براي چنين جذبي وجود ندارد. لايه اوزون نيز نور سرخ را تضعيف مي‌کند، ولي نقش ناچيزي در آبي شدن آسمان دارد. از سوي ديگر ، فرض مي‌کنيم که در يک روز مه آلود به آسمان نگاه مي‌کنيم.

در اين صورت ، نور آبي باريکه ‌اي که به چشم ما مي‌رسد بطور کامل پراکنده شده است، در حالي که طول موجهاي بلندتر پراکنده نشده‌اند. بنابراين، احساس مي‌کنيم که رنگ خورشيد متمايل به قرمز شده است. اگر آسمان جوي نداشت، آسمان سياه به نظر مي‌رسيد و ستارگان در روز ديده مي‌شدند. در واقع از ارتفاع Km 16 به بالا ، که در آنجا جو زمين بسيار رقيق مي‌شود، همان طوري که فضانوردان دريافته ‌اند، آسمان سياه به نظر مي‌رسد و ستارگان در روز ديده مي‌شوند.

تأثير شرايط جوي

گاهي هوا داراي ذرات گرد و غبار يا قطره‌هاي آبي به بزرگي طول موج نور مرئي است. اگر چنين باشد، رنگ هايي جز رنگ آبي ممکن است به شدت پراکنده شوند. مثلاً ، کيفيت رنگ آسمان با بخار آب موجود در جو زمين تغيير مي‌کند. روزهايي که هوا صاف و خشک است، آسمان آبي‌تر از روزهايي است که رطوبت هوا زياد است. آسمان نيلگون ايتاليا و يونان ، که قرنها الهام ‌بخش شاعران و نقاشان بوده است، به سبب خشکي استثنايي هواي اين سرزمين هاست.

مه آبي ـ خاکستري رنگي که گاهي شهرهاي بزرگ را مي‌پوشاند بيشتر به سبب ذراتي است که از موتورهاي درون‌ سوز (اتومبيلها ، کاميونها) و کارخانه هاي صنعتي منتشر شده‌اند. موتور اتومبيل ، حتي وقتي که در حالت خلاص کار مي‌کند، در هر ثانيه بيشتر از 100 ميليارد ذره منتشر مي‌کند. بيشتر اين ذرات نامرئي هستند و اندازه آنها در حدود m 0.000001 است.

چنين ذره‌هايي کالبدي براي تجمع گازها ، مايعات و ذرات جامد ديگـر مي‌شوند. اين ذره‌هاي بزرگتر سبب پراکندگي نور و تيرگي هوا مي‌شوند. گرانش بر اين ذره‌ها تا وقتي که بر اثر تجمع مواد بيشتر در اطراف آنها خيلي بزرگ نشده‌اند چندان تأثيري ندارد. اين ذرات اگر بر اثر باران و برف مکرر شسته نشوند ممکن است ماهها در جو زمين بمانند. تأثير چنين ابرهاي غبارآلودي بر آب و هوا و بر سلامتي آدمي بسيار مهم است.

رنگ غروب

وقتي به آسمان روز نگاه مي‌کنيد نوري را مي‌بينيد که از لايه اوزون اندکي گذشته و جذب بوسيله آن ناچيز بوده است. در هنگام غروب وقتي شعاع هاي نور از ميان لايه اوزون مسيري مورب (و از اينرو طولانيتر) دارند تا يه ما برسند، جذب بوسيله اوزون اهميت پيدا مي‌کند، ولي در آن موقع نيز دليل آبي بودن آسمان ساز و کارهاي مربوط به پراکندگي (انتشار ريلي) مي‌باشد، که قبلا بيان شده.

همين تأثيرها رنگ کوههاي تيره را در يک روز آفتابي توضيح مي‌دهد. اگر کوهها زياد دور نباشند، تصويرشان آبي رنگ است. چون نور مسلط آبي بوسيله مولکولهاي ميان شما و کوهها منتشر مي‌شود، کوههاي تا حدي دور هم باز آبي است. ولي کوههايي که در فاصله دوري قرار دارند سفيد هستند، درست همانگونه که افق سفيد ديده مي‌شود. نور خور شيد در حال غروب در واقع نارنجي رنگ است (بين سرخ و زرد)، در حالي که اگر در مسيرشان بسوي ما تنها از ميان مولکولهاي هوان مي‌گذشت، رنگش سرخ بود. دليل اينکه رنگ آن سرخ يک دست نيست، اين است که نور نه تنها از ميان مولکولها ، بلکه از ميان ذرات ريز و افشانکهاي جو هم منتشر مي‌شود.

در هر موقع از روز وقتي در جهت خورشيد نگاه کنيد، بخشي از نور درخشان آن را دريافت مي‌کنيد که از ميان همان ذرات ريز و افشانکها منتشر مي‌شود و از اين رو آن بخش از آسمان روشنتر از آن است که در غياب ذرات مي‌توانست باشد. وقتي خورشيد در بالاي آسمان روشنتر از آن است که در غياب ذرت مي‌توانست باشد. وقتي خورشيد در بالاي آسمان است، اطرافش سفيد روشن است. ولي وقتي پايين تر قرار دارد، هر چه غلظت ذرات بيشتر باشد، اطراف خورشيد در حال غروب درخشان تر و محيط آن مشخصتر است.

در جريان غروب آفتاب در هواي صاف ، سمت الرأس (آسمان درست در بالاي سر) آبي ‌تر از هنگام روز مي‌شود. با توجه به اين که افق نزديک خوشيد ممکن است سرخ باشد، اين افزايش رنگ آبي عجيب به نظر مي‌رسد. براي اين ‌آبي بودن چندين توضيح داده شده که محتمل ترين آنها مربوط به لايه اوزون است. وقتي هنگام غروب نور خورشيد مسير اريب تري را از ميان لايه طي مي‌کند، جذب انتهاي سرخ طيف بوسيله اوزون ،‌موجب تسلط انتهاي آبي بر بامه نور مي‌شود. برخلاف انتشار ريلي که بامه در طي مسير با آن روبرو مي شود.

آسمان پس از غروب

درست پس از غروب خورشيد ، سايه زمين از افق خاور بالا مي شايد. مرز سايه ، سرخ يا ارغواني است. رنگ آن بستگي به نوري دارد که بر اثر انتشار ريلي در مسير طولاني اش از لايه هاي پايين جو سرخ شده است. در نزديکي جايي که لبه بالايي سايه را مي بينيد بخشي از نور در معرض انتشار ريلي قرار دارد و بسوي ما مي آيد. وقتي نور را دريافت ميکنيد، رنگ سرخ را در لبه بالا مشاهده مي کنيد. بخش بالايي سايه زير لبه ممکن است آبي کم رنگ باشد.

به احتمالي بامه آبي ناشي ار نور خورشيد است که از ميان بخش بالايي و کم چگال تر جو مي‌گذرد، از آنجايي که جزء آبي بامه ، به اندازه‌اي تضعيف نمي‌شود که در عبور از بخشهاي پايين جو امکان آن وجود دارد، زيرا با مولکولهاي هواي بيشتري درگير بوده است. نزديک به 10 دقيقه پس از آنکه خورشيد غرو ب مي‌کند، گه گاه لکه‌اي ارغواني بر فراز آن در جايي ميان 30 و 75 درجه از سمت الرأس پديد مي‌آيد. اين لکه که اغلب نور ارغواني ناميده مي‌شود، به ظاهر ناشي از وجود لايه‌اي از ذرات در ارتفاع 16 تا 20 کيلومتري و در بخش زيرين لايه اوزون است.

اين ذرات ممکن است غبار بيابان يا ذرات خاکستر يک فوران آتشفشان يا آتش سوزي بزرگي در جنگل باشد. لکه ارغواني حاصل نور بسيار سرخ و بسيار آبي است که از ناحيه‌هاي مختلف آسمان منتشر مي‌شود. اجزاي سرخ از نور خوشيد در حاشيه زمين است و از جو زمين مي‌گذرد که انتشار ريلي نور را سرخ مي‌کند. بخشي از اين نور از لايه ذرات عبور کرده و به همين خاطر نور خيلي سرخ دريافت مي‌شود. اجزاي آبي از نور خورشيدي مي‌رسد که از بخشهاي فوقاني جو مي‌تابد و از اين رو به آن اندازه سرخ نشده است.

بخشي از نور در معرض انتشار ريلي قرار مي‌گيرد و نور آبي بسوي شما فرستاده مي‌شود. وقتي به مسير نگاه مي‌کنيد، هر دو اجزاي نور سرخ و آبي در مسير خط ديد شما حرکت مي‌کنند و ترکيب شان احساس نور ارغواني را پديد مي‌آورد. دليل اينکه بخشهاي ديگر آسمان ارغواني نيست، اين است که بجاي رنگ سرخ و آبي تنها ترکيب هاي متفاوتي از ته رنگها را دريافت مي‌کنيم. وقتي بسوي آنها نگاه مي‌کنيم، ممکن است بسته به زاويه ديدمان اقسام ته رنگها را داشته باشند.

نور ارغواني ديگر ولي نادر که در حوالي همان بخش نور اولي در آسمان ظاهر مي‌شود، اما يک و نيم تا دو ساعت پس از غروب آفتاب اتفاق مي‌افتد. احتمال مي‌رود اين نور نيز بوسيله همان لايه ذراتي بوجود مي‌آيد که نور ارغواني اولي پديد آمد. اگر لايه گسترده باشد، بخشي از نور که از لايه زير افق منتشر مي‌شود ، ممکن است دوباره از لايه مرئي منتشر شود. نور توليد شده بخوبي درخشان است و در آن صورت يک لکه ارغواني کمرنگ ديده مي‌شود.