چرا آسمان آبی است؟

آسمان آبی: اندازه، محدودیت است

علمِ پشت آسمان آبی

مانند موز، اتم‌ها ، مولکول‌ها و ذرات موجود در جو نور را جذب و پراکنده می‌کنند. اگر آن‌ها این کار را نمی‌کردند، یا به عبارت دیگر، اگر زمین اتمسفر نداشت، ما خورشید را به عنوان ستاره‌ای بسیار درخشان در کنار سایر ستاره‌ها در یک آسمان که همیشه شب بود درک می‌کردیم. با این حال، همه طول موج‌ها در طیف نور مرئی به یک اندازه در اتمسفر زمین پراکنده نمی‌شوند.

در اتمسفر، طول موج‌های کوتاه‌تر و پرانرژی‌تر، در سمت انتهای بنفش طیف نور مرئی (یک سر طیف نور مرئی بنفش و سر دیگر آن قرمز است-مترجم)، بهتر از آن‌هایی که در سمت انتهای قرمز طیف نور مرئی که طولانی‌تر و کم‌انرژی‌تر هستند پراکنده می‌شوند. این تمایل طول موج‌های کوتاه‌تر به پراکنش بیشتر تا حدی به دلیل انرژی بالاتر آنها است که به آنها امکان می‌دهد بیشتر در اطراف رد و بدل شوند و البته تا حدی هم به دلیل هندسه ذراتی است که این طول موج‌ها با آنها در جو تعامل دارند.

در سال 1871، لرد ریلی (Lord Rayleigh) فرمولی را به دست آورد که اجزای ین برهمکنش‌ها را توصیف می‌کرد، و در آن ذرات اتمسفر بسیار کوچکتر از طول موج تابشی هستند که به آنها برخورد می‌کند.

مدل پراکندگی ریلی نشان داد که در چنین سیستم‌هایی، شدت نور پراکنده‌شده با توان چهارم طول موج آن رابطه عکس دارد. به عبارت دیگر، طول موج‌های کوتاه‌تر (مانند نور آبی و بنفش) زمانی که ذرات سازنده اتمسفر (مانند مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن) نسبتاً کوچک هستند، بسیار بیشتر از طول موج‌های بلند پراکنده می‌شوند. تحت این شرایط، نور پراکنده نیز تمایل دارد به طور مساوی در همه جهات پراکنده شود، به همین دلیل است که آسمان بسیار اشباع از رنگ به نظر می‌رسد.

درک انسان و رنگ آسمان

اگر آنقدر جسور و ناآگاه بودیم که مستقیم به خورشید نگاه کنیم، تمام طول موج‌ها را می‌دیدیم، چرا که نور خورشید مستقیماً به چشمان ما می‌رسید. به همین دلیل است که خورشید و اطراف آن سفید به نظر می‌رسند. ولی وقتی از محل خورشید دور می‌شویم، نور را بیشتر از طول موج‌های کوتاه‌تر و پراکنده مانند بنفش، نیلی و آبی می‌بینیم.

پس چرا آسمان به جای آبی روشن، بنفش نیست؟ پاسخ این سوال در ساختار چشم‌ انسان است. انسان‌ها رنگ را با استفاده از ساختارهایی به نام مخروط درک می‌کنند. شبکیه‌های چشمان شما هر کدام با حدود 5 میلیون مخروط، از سه نوع تشکیل شده‌اند که در دیدن رنگ‌های مختلف تخصص دارند. اگرچه هر نوع مخروط به طول موج‌های اوج خاصی حساس است، اما دامنه انواع مخروط با هم همپوشانی دارند. در نتیجه، طیف‌های مختلف و ترکیبات طیفی متنوع، با اینکه گوناگونی دارند، به عنوان یک رنگ واحد تشخیص داده می‌شوند. این بدین معنی است که بر خلاف حواس شنوایی ما که می‌تواند سازهای مجزا را در یک ارکستر تشخیص دهد، چشم و مغز ما ترکیبات خاصی از طول موج‌ها را به عنوان یک رنگ واحد تفسیر می‌کند. حس بینایی ما نور آبی-بنفش آسمان را مخلوطی از نور آبی و سفید تفسیر می‌کند و به همین دلیل است که آسمان آبی روشن‌تر است.