چرا آسمان آبی است با فرمول
چرا آسمان آبی است؟آسمان صاف بدون ابر در طول روز آبی است زیرا مولکول های موجود در هوا نور آبی خورشید را بیشتر از نور قرمز پراکنده می کنند. وقتی در غروب خورشید به سمت خورشید نگاه می کنیم، رنگ های قرمز و نارنجی را می بینیم زیرا نور آبی به بیرون پراکنده شده و از خط دید دور شده است.
نور سفید خورشید ترکیبی از تمام رنگ های رنگین کمان است. این را آیزاک نیوتن نشان داد که از یک منشور برای جدا کردن رنگهای مختلف و تشکیل یک طیف استفاده کرد. رنگ های نور با طول موج های متفاوتشان متمایز می شوند. بخش قابل مشاهده طیف از نور قرمز با طول موج حدود 720 نانومتر تا بنفش با طول موج حدود 380 نانومتر، با رنگ های نارنجی، زرد، سبز، آبی و نیلی در بین آنها متغیر است. سه نوع مختلف گیرنده رنگ در شبکیه چشم انسان به شدت به طول موج های قرمز، سبز و آبی پاسخ می دهند و دید رنگی ما را به ما می دهند.
اثر تیندال
اولین گامها برای توضیح درست رنگ آسمان توسط جان تیندال در سال 1859 برداشته شد. او کشف کرد که 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 می توان 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 می شود پس از عبور از مخزن قرمز می شود. نور پراکنده شده را نیز می توان با استفاده از فیلتر نور قطبی شده قطبی شده نشان داد، درست همانطور که آسمان از طریق عینک های خورشیدی پولاروئید آبی عمیق تر به نظر می رسد.
این به درستی اثر تیندال نامیده می شود، اما فیزیکدانان معمولاً آن را به عنوان پراکندگی ریلی می شناسند - پس از لرد ریلی 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 به اندازه کافی کوچک نسبت معکوس دارد. بنابراین نور آبی بیش از نور قرمز با ضریب (700/400) 4 ~ = 10 پراکنده می شود.
گرد و غبار یا مولکول؟
تیندل و ریلی فکر می کردند که رنگ آبی آسمان باید به دلیل ذرات کوچک غبار و قطرات بخار آب در جو باشد. امروز هم گاهی مردم به اشتباه می گویند که اینطور است. دانشمندان بعداً متوجه شدند که اگر این درست باشد، تغییرات رنگ آسمان با رطوبت یا شرایط مه بیش از آنچه واقعاً مشاهده شده بود وجود خواهد داشت، بنابراین آنها به درستی تصور کردند که مولکولهای اکسیژن و نیتروژن در هوا برای توضیح پراکندگی کافی است. این مورد در نهایت توسط انیشتین در سال 1911 حل و فصل شد، او فرمول دقیق برای پراکندگی نور از مولکول ها را محاسبه کرد. و این با آزمایش مطابقت داشت. او حتی توانست از این محاسبه به عنوان تأیید بیشتر عدد آووگادرو در مقایسه با مشاهده استفاده کند.
چرا بنفشه نه؟
اگر طول موجهای کوتاهتر به شدت پراکنده شوند، این معما وجود دارد که چرا آسمان بنفش به نظر نمیرسد، رنگی که کوتاهترین طول موج مرئی را دارد. طيف تابش نور از خورشيد در تمام طول موج ها ثابت نيست و علاوه بر آن توسط جو بالا جذب مي شود، بنابراين بنفش كمتري در نور وجود دارد. چشمان ما نیز حساسیت کمتری به بنفش دارند. این بخشی از پاسخ است. با این حال رنگین کمان نشان می دهد که مقدار قابل توجهی نور مرئی رنگی نیلی و بنفش فراتر از آبی باقی می ماند. بقیه پاسخ به این معما در نحوه عملکرد بینایی ما نهفته است. ما سه نوع گیرنده رنگ یا مخروط در شبکیه چشم داریم. آنها قرمز، آبی و سبز نامیده می شوند زیرا در آن طول موج ها به شدت به نور پاسخ می دهند. همانطور که آنها به نسبت های مختلف تحریک می شوند،
منحنی های پاسخ برای سه نوع مخروط در چشم انسان
وقتی به آسمان نگاه میکنیم، مخروطهای قرمز به مقدار کمی نور قرمز پراکنده پاسخ میدهند، اما با شدت کمتری به طول موجهای نارنجی و زرد پاسخ میدهند. مخروط های سبز به رنگ زرد و طول موج های سبز-آبی پراکنده تر پاسخ می دهند. مخروط های آبی توسط رنگ های نزدیک به طول موج های آبی که به شدت پراکنده هستند تحریک می شوند. اگر رنگ نیلی و بنفش در این طیف وجود نداشت، آسمان آبی با رنگ سبز خفیف به نظر می رسید. اما پراکنده ترین طول موج های نیلی و بنفش، مخروط های قرمز را به اندازه آبی تحریک می کنند، به همین دلیل است که این رنگ ها آبی با رنگ قرمز اضافه به نظر می رسند. اثر خالص این است که مخروط های قرمز و سبز تقریباً به طور مساوی توسط نور از آسمان تحریک می شوند، در حالی که رنگ آبی با شدت بیشتری تحریک می شود. این ترکیب باعث رنگ آبی آسمانی کم رنگ می شود. ممکن است تصادفی نباشد که دید ما برای دیدن آسمان به صورت رنگ خالص تنظیم شده است. ما تکامل یافته ایم تا با محیط خود سازگار شویم. و توانایی تفکیک رنگ های طبیعی به وضوح یک مزیت بقا است.
غروب رنگارنگ بر فرث فورت در اسکاتلند.
غروب
وقتی هوا صاف است غروب خورشید زرد به نظر می رسد، زیرا نور خورشید مسافت زیادی را از هوا عبور داده و مقداری از نور آبی پراکنده شده است. اگر هوا با ذرات ریز، طبیعی یا غیر طبیعی آلوده شود، غروب آفتاب بیشتر قرمز می شود. غروب بر فراز دریا نیز ممکن است نارنجی باشد، به دلیل ذرات نمک موجود در هوا، که پراکنده کننده های موثر تیندال هستند. آسمان اطراف خورشید قرمز شده و همچنین نوری که مستقیماً از خورشید میآید دیده میشود. این به این دلیل است که همه نور در زوایای کوچک به خوبی پراکنده می شود - اما نور آبی احتمالاً دو بار یا بیشتر در فواصل بزرگتر پراکنده می شود و رنگ های زرد، قرمز و نارنجی باقی می ماند.
مه آبی بر فراز کوه های Les Vosges در فرانسه.
مه آبی و ماه آبی
ابرها و غبار غبار سفید به نظر می رسند زیرا از ذراتی بزرگتر از طول موج نور تشکیل شده اند که همه طول موج ها را به طور مساوی پراکنده می کنند (پراکندگی Mie). اما گاهی اوقات ممکن است ذرات دیگری در هوا وجود داشته باشند که بسیار کوچکتر هستند. برخی از مناطق کوهستانی به دلیل مه آبی خود مشهور هستند. آئروسلهای ترپنهای گیاهی با ازن در جو واکنش میدهند و ذرات کوچکی به قطر حدود 200 نانومتر تشکیل میدهند و این ذرات نور آبی را پراکنده میکنند. یک آتش سوزی جنگلی یا فوران آتشفشانی ممکن است گاهی جو را با ذرات ریز 500 تا 800 نانومتر پر کند که اندازه مناسبی برای پراکندگی نور قرمز است. این امر برعکس اثر معمول Tyndall را نشان میدهد و ممکن است باعث شود ماه رنگ آبی داشته باشد زیرا نور قرمز به بیرون پراکنده شده است. این یک پدیده بسیار نادر است که به معنای واقعی کلمه یک بار در ماه آبی رخ می دهد.
اپالسانس
اثر Tyndall مسئول برخی رنگهای آبی دیگر در طبیعت است: مانند چشمهای آبی، مات بودن برخی از سنگهای قیمتی و رنگ در بال آبی جی. رنگ ها می توانند با توجه به اندازه ذرات پراکنده متفاوت باشند. هنگامی که یک سیال نزدیک به دما و فشار بحرانی خود است، نوسانات چگالی کوچک مسئول رنگ آبی است که به عنوان مات بحرانی شناخته می شود. مردم همچنین با ساخت عینک های زینتی آغشته به ذرات از این جلوه های طبیعی کپی کرده اند تا درخشندگی آبی به لیوان بدهد. اما تمام رنگ آمیزی های آبی در طبیعت ناشی از پراکندگی نیست. نور زیر دریا آبی است زیرا آب طول موج بیشتری از نور را در فواصل بیش از 20 متر جذب می کند. وقتی از ساحل به آن نگاه کنید، دریا نیز آبی است زیرا البته آسمان را منعکس می کند.
چرا آسمان مریخ قرمز است؟
تصاویر ارسال شده از فرودگرهای مریخ وایکینگ در سال 1977 و از Pathfinder در سال 1997، آسمان قرمزی را نشان می دهد که از سطح مریخ دیده می شود. این به دلیل گرد و غبارهای قرمز غنی از آهن بود که در طوفان های گرد و غباری که هر از گاهی در مریخ رخ می دهد، پرتاب می شد. رنگ آسمان مریخ با توجه به شرایط آب و هوایی تغییر خواهد کرد. زمانی که طوفانهای اخیر رخ نداده است، باید آبی باشد، اما به دلیل رقیقتر شدن جو مریخ، تاریکتر از آسمان روز زمین خواهد بود.