دلیل رنگ آبی آسمان چیست؟ | ریشه های علمی علت رنگ آسمان

چرا آسمان بالای سر ما آبی است؟ این سوال رایج، شاید در نگاه اول چیز ساده و پیش پا افتاده‌ای به نظر برسد. اما تا به حال به دلیل رنگ آبی آسمان فکر کرده اید؟

پاسخ کوتاه به سوال، این است: نور آبی در جوّ ما، بیشتر از نور قرمز پراکنده می‌شود و از این رو آسمان آبی دیده می‌شود. این اساساً درست است، اما پس چرا ما آسمان بنفش را نمی‌بینیم؟

رنگ آبی آسمان که مشاهده می‌کنیم به دو عامل بستگی دارد: نحوه تعامل نور خورشید با جو زمین، و اینکه چشمان ما چگونه آن نور را درک می‌کنند. در این مقاله نجوافکت، به دلیل رنگ آبی آسمان می‌پردازیم و به این سوال هم پاسخ می‌دهیم که چرا هنگام غروب، آسمان به رنگ‌های سرخ و نارنجی دیده می‌شود.

دلیل رنگ آبی آسمان: منشأ رنگ‌ها از کجاست؟

نور سفید خورشید، ترکیبی از تمام رنگ‌های رنگین کمان است. این را آیزاک نیوتن با استفاده از یک منشور برای جدا کردن رنگ‌های مختلف و تشکیل یک طیف، اثبات کرد. رنگ‌های نور با طول موج‌های متفاوتشان از یکدیگر متمایز می‌شوند. بخش قابل مشاهده طیف از نور قرمز با طول موج حدود 720 نانومتر تا بنفش با طول موج حدود 380 نانومتر، با رنگ‌های نارنجی، زرد، سبز، آبی و نیلی در بین آنها متغیر است. سه نوع مختلف گیرنده رنگ در شبکیه چشم انسان، به شدت به طول موج‌های قرمز، سبز و آبی پاسخ می‌دهند و باعث می‌شوند ما دنیای اطراف را به رنگ‌های مختلف ببینیم.

اثر تیندال در علت رنگ آسمان

اولین گام‌ها برای توضیح دلیل رنگ آبی آسمان، توسط جان تیندال در سال 1859 برداشته شد. او کشف کرد وقتی نور از سیال شفافی عبور می‌کند که ذرات کوچکی را در حالت تعلیق نگه می‌دارد، طول موج‌های آبی کوتاه‌تر قوی‌تر از قرمز پراکنده می‌شوند. این را می‌توان با تابش یک پرتو نور سفید از طریق مخزن آب با کمی شیر یا صابون مخلوط شده نشان داد.

اما نوری که مستقیماً از انتها دیده می‌شود، بعد عبور از مخزن، به رنگ قرمز پدیدار می‌شود. نور پراکنده شده را نیز می‌توان با استفاده از یک فیلتر پلاریزه نشان داد؛ درست همانطور که آسمان از پشت عینک‌های خورشیدی پولاروید آبی، پررنگ‌تر به نظر می‌رسد.

این پدیده به نام اثر تیندال شناخته می‌شود، اما فیزیکدانان معمولاً آن را به عنوان پراکندگی ریلی می‌شناسند. نام این پدیده از لرد ریلی برگرفته شده که چند سال بعد، آن را با جزئیات بیشتری مطالعه کرد. او نشان داد که مقدار نور پراکنده شده با توان چهارم طول موج برای ذرات ریز نسبت معکوس دارد. به این ترتیب نور آبی بیش از نور قرمز با ضریب (700/400)4 ~ = 10 پراکنده می‌شود.

ریشه های علمی رنگ آبی آسمان: گردوغبار یا مولکول؟

تیندال و ریلی تصور می‌کردند که دلیل رنگ آبی آسمان باید به وجود ذرات ریز غبار و قطرات بخار آب در جو ربط داشته باشد. امروز هم گاهی مردم به اشتباه چنین فکر می‌کنند. دانشمندان بعداً دریافتند که اگر این امر درست باشد، تغییرات رطوبت یا شرایط مه بایستی بیش از آن که می‌بینیم، باعث تغییر رنگ آسمان شوند. بنابراین به درستی این تئوری را مطرح کردند که وجود مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن در هوا برای توضیح پراکندگی پرتوهای نوری کافی است.

این سوال در نهایت توسط انیشتین در سال 1911 حل و فصل شد. او فرمول دقیق پراکندگی نور از مولکول‌ها را محاسبه کرد. حتی توانست از این محاسبه به عنوان تأیید دقیقتر عدد آووگادرو استفاده کند. مولکول‌ها می‌توانند نور را پراکنده کنند، چون میدان الکترومغناطیسی امواج نور باعث ایجاد گشتاورهای دوقطبی الکتریکی در مولکول‌ها می‌شود.

چرا آسمان را بنفش نمی‌بینیم؟

نور هنگامی که با اتمسفر ما تعامل می‌کند، پراکنده می‌شود؛ درست مانند برخورد یک توپ بیلیارد به توپ دیگر. در نهایت ذرات در هزاران جهات مختلف حرکت می‌کنند. شکل اصلی پراکندگی جوی به عنوان همان پراکندگی رایلی شناخته می‌شود. اگر فوتون‌ها را تصور کنید که از مولکول‌های هوا پرش می‌کنند، یک تقریب حدودی خواهیم داشت.

اما فوتون‌ها و مولکول‌های هوا توپ‌های بیلیارد نیستند، بنابراین تفاوت‌هایی بین تعامل آنها وجود دارد. یکی از این مواردی که باعث تفاوت در دلیل رنگ آبی آسمان در طی روز و رنگ قرمز غروب می‌شود، این است که میزان پراکندگی به طول موج (یا رنگ) نور بستگی دارد. هر چه طول موج کوتاهتر باشد، نور هم بیشتر پراکنده خواهد شد.

از آنجا که طیف رنگ‌هایی که از قرمز به سوی بنفش می‌روند با طول موج‌های نور که از بلند به کوتاه می‌روند مطابقت دارد، می‌توانیم نتیجه بگیریم که طول موج‌های آبی کوتاه‌تر، بیشتر پراکنده می‌شوند. بنابراین دلیل رنگ آبی آسمان این است که ذرات نور آبی، در فضا حجم بیشتری را اشغال می‌کنند و باعث می‌شوند آسمان را به همین رنگ آبی روشن ببینیم. دلیل رنگ قرمز غروب نیز همین است چون نور آبی پراکنده شده است و امواج قرمزی را بر جای می‌گذارد.

با این وجود، این سؤال نیز پیش می‌آید که چرا آسمان بنفش نیست؟ مطمئناً نور آبی بیشتر از امواج نور قرمز یا سبز پراکنده می‌شود، اما نور بنفش طول موج کوتاه‌تری دارد. بنابراین بنفش باید خیلی بیشتر از آبی پراکنده شود. آیا آسمان نباید بنفش یا حداقل نیلی به نظر برسد؟ به نظر می‌رسد آسمان ما بنفش باشد، اما به دلیل نحوه عملکرد چشمان ماست که آبی به نظر می‌رسد.

علت رنگ آسمان و گیرنده‌های چشم انسان

ما قادر نیستیم طول موج‌های جداگانه را ببینیم. در عوض، شبکیه چشم ما دارای سه نوع سلول حساس به رنگ است که به نام سلول‌های مخروطی شناخته می‌شوند. یکی از آن‌ها حساسیت بیشتری به طول موج‌های قرمز دارد، در حالی که دو نوع دیگر به طول موج‌های سبز و آبی حساس هستند. وقتی به چیزی نگاه می‌کنیم و نور به شبکیه چشم ما برخورد می‌کند، قدرت سیگنال هر نوع سلول مخروطی به مغز ما اجازه می‌دهد تا رنگ‌هایی را که دریافت می‌کند به صورت خروجی تصویری پردازش کند.

این رنگ‌ها تقریباً با طول موج‌های واقعی که می‌بینیم مطابقت دارند، اما تفاوت‌های ظریفی هم وجود دارد. هر نوع سلول مخروطی به یکی از نورهای قرمز، سبز یا آبی بیشترین حساسیت را دارد، اما نور سایر رنگ‌ها را نیز تا حدودی تشخیص می‌دهد. نوری با طول موج‌های «آبی» بیشتر سلول‌های مخروطی آبی را تحریک می‌کند، اما اندکی روی سلول‌های حساس به نور قرمز و سبز نیز تأثیر می‌گذارد. اگر واقعاً نور آبی بیشتر از همه پراکنده می‌شد، آنگاه آسمان را به رنگ آبی مایل به سبز می‌دیدیم.
با این حال، وجود امواج رنگ بنفش باعث می‌شوند که رنگ آسمان، سبز آبی دیده نشود. چون نور بنفش بیشتر توسط جو زمین پراکنده می‌شود، اما سلول‌های مخروطی مخصوص نور آبی در چشمان ما به امواج بنفش حساس نیستند.

سلول‌های مخروطی حساس به نور قرمز در چشم ما، توانایی دیدن نور آبی یا بنفش را ندارند اما نسبت به سلول‌های مخروطی حساس به نور سبز، اندکی در مقابل رنگ بنفش حساسیت بیشتر نشان می‌دهند. اگر فقط طول موج‌های بنفش پراکنده می‌شدند، ما نور بنفش را به رنگی مشابه سرخابی می‌دیدیم. اما وقتی امواج نور آبی و نور بنفش باهم ترکیب می‌شوند، امواج سبزآبی و سرخابی خنثی می‌شوند. همین امر، دلیل رنگ آبی آسمان به حساب می‌آید و چشمان ما، آسمان را آبی می‌بینند.

دلیل رنگ قرمز غروب چیست؟

وقتی هوا صاف است، غروب خورشید زرد و نارنجی به نظر می‌رسد، زیرا نور خورشید مسافت زیادی را از هوا عبور داده و مقداری از نور آبی پراکنده شده است. اگر هوا با ذرات ریز (چه طبیعی چه غیر طبیعی) آلوده شود، غروب آفتاب به رنگ قرمزتری دیده خواهد شد. غروب بر فراز دریا نیز ممکن است به رنگ نارنجی دیده شود. علت این امر، ذرات نمک موجود در هوا هستند که پراکنده کننده‌های موثر تیندال به حساب می‎‌آیند.

آسمان اطراف خورشید قرمز شده و همچنین نوری که مستقیماً از خورشید می‌آید، نارنجی دیده می‌شود. دلیلش این است که همه امواج نور در زوایای کوچک به خوبی پراکنده می‌شود – اما نور آبی احتمالاً دو بار یا بیشتر و در فواصل بزرگتر پراکنده می‌شود و رنگ‌های زرد، قرمز و نارنجی باقی می‌ماند.

چند واقعیت جالب در مورد دلیل رنگ آبی آسمان

کاربران بخش حقایق علمی سایت ردیت، فکت‌های جالبی درباره دلیل رنگ آبی آسمان به اشتراک گذاشته اند که مطالعه آنها خالی از لطف نیست. در ادامه چند حقیقت جالب از دلیل رنگ آبی آسمان را باهم بررسی می‌کنیم!

• جوُ زمین بسیار نازک است. تنها حدود 50 کیلومتر از سطح زمین بالا ارتفاع دارد، بنابراین تقریباً می‌توانیم آن را مانند یک شیشه تصور کنیم.
• هنگامی که خورشید مستقیماً در بالا قرار می‌گیرد، نور زیادی مستقیماً به این لایه نازک هوا برخورد می‌کند. از آنجایی که نور خورشید شدید است، همین پراکندگی باعث می‌شود حجم زیادی از امواج نور آبی در فضا پراکنده شوند. به عبارت ساده، دلیل رنگ آبی آسمان همین است. اما از آنجایی که نور خورشید خیلی دور از جوّ منتقل نمی‌شود، تا اواخر ظهر مقدار زیادی نور آبی در فضا پراکنده است و تا قبل از عصر، اثری از نور قرمز در آسمان دیده نمی‎‌شود.
• از طرف دیگر، زاویه تابش خورشید در هنگام غروب آفتاب مانند زاویه تابیدن نور به لبه شیشه است. اینطوری تصور کنید: مقدار کمی نور از صدها کیلومتر هوا عبور می‌کند. این حجم فاصله کافی است تا مقدار زیادی از امواج آبی، از نور پراکنده شود، بنابراین نور قرمز فرصت مانور پیدا می‌کند و باعث می‌شود نور خورشید در هنگام غروب نارنجی – سرخ به نظر برسد. همچنین به این معنی است که بعد از غروب و کاهش نور خورشید، دیگر امواج زیادی در فضا نمانده اند که نوری را منتقل کنند و به همین علت آسمان تیره رنگ به نظر می‌رسد.
• وقتی هنگام غروب خورشید آسمان را به رنگ نارنجی یا قرمز می‌بینیم، این امر مربوط به ابرها، غبار نازک یا ذرات دیگری است که نور خورشید را منعکس می‌کنند یا باعث شکست آن می‌شوند. این فرایند، با پراکندگی نور آبی که دلیل رنگ آبی آسمان است، تفاوت دارد.

سخن آخر

آسمان، شاهکار نهایی طبیعت است. مانند گنبدی عظیم، بر فراز زمین گسترده شده و به عنوان یک بوم نقاشی برای خورشید، ماه و ستارگان عمل می‌کند تا زیبایی آنها را به تصویر بکشد. در طول تاریخ، آسمان مورد ستایش، پرستش و تحسین قرار گرفته است. رنگ‌های متفاوت آسمان، از دیرباز منبع الهام برای هنرمندان، شاعران و موسیقی دانان بوده و خواهد بود. اما شاید جذاب ترین چیز در مورد آسمان رنگ آن باشد. دلیل رنگ آبی آسمان چیست؟چرا گاهی آن را به رنگ آبی خالص می‌بینیم و گاهی خاکستری، سرخ یا حتی نیلی؟

دلیل رنگ آبی آسمان، در نحوه بازتاب نور خورشید از مولکول‌های آب در جو زمین نهفته است. با عبور پرتوهای خورشید از جو، اشعه‌های نورهای مختلف در همه جهات پراکنده می‌شوند. نور آبی با طول موج کوتاهتر، بیشتر از امواج رنگهای دیگر که طول موج بلندتری دارند (مانند قرمز و زرد) پراکنده می‌شود. در نتیجه حجم بیشتری از امواج نور آبی، در فضا پراکنده می‌شوند و دلیل رنگ آبی آسمان همین است.

زیبایی آسمان یادآور شگفتی‌های طبیعت اطراف ماست. بنابراین دفعه بعد که به آسمان نگاه می‌کنید، لحظه ای به رنگ‌های مسحورکننده و جادویی که داخل سلول‌های فوق ریز چشمان ما نهفته فکر کنید و پی به عظمت قدرتی والا ببرید که ساخت همه این اجزا، به دست او صورت گرفته است.

سؤالات متداول

مطالب مرتبط:

بهترین کشورها برای سفر در تابستان، ۱۰ کشور جذاب و پرطرفدار تابستانی بزرگترین مارهای ایران + تصاویر 15 پیشنهاد برای انتخاب بهترین گل آپارتمانی | زیباترین گیاهان آپارتمانی کدامند؟ 14 تا از زیباترین گربه های دنیا را بشناسید! جت لگ (Jet Lag) چیست و چرا اتفاق می‌افتد؟ آشنایی با تیپ های شخصیتی MBTI | کدام یک از تایپ های MBTI هستید؟ آیا نظریه بیگ بنگ صحت دارد؟ چه کسی تئوری مه بانگ را مطرح کرد؟ سال نو چینی، از تاریخچه تا آداب و رسوم سال نو چین