چرا آسمان آبی است؟ — به زبان ساده

در بعد‌از‌ظهر بهاری در بالکن خانه نشسته‌اید و به آسمان آبی نگاه می‌کنید، ولی آیا تا به حال با خود فکر کرده‌اید چرا آسمان آبی است. برای پاسخ به این سوال، نیاز به فهم طبیعت نور خورشید و چگونگی برهم‌کنش آن با مولکول‌های تشکیل دهنده اتمسفر اطراف زمین است. در این مطلب، به پرسش چرا آسمان آبی است به زبان ساده پاسخ می‌دهیم. برای پاسخ به این سوال، در ابتدا به برهم‌کنش نور با ماده و انواع پراکندگی پرداخته می‌شود. در ادامه به پرسش‌هایی پیرامون آسمان خاکستری و رنگ ابرها پاسخ داده می‌شود.

چرا آسمان آبی است ؟

برای پاسخ به سوال چرا آسمان ابی است نیاز به دانستن مفاهیم فیزیکی مانند امواج الکترومغناطیسی، برهم‌کنش نور با ماده و پراکندگی ریلی است اما به زبان ساده، نور آبی به دلیل طول موج کوتاه‌تر نسبت به بقیه رنگ‌ها، توسط ذرات موجود در جو زمین بیشتر پراکنده می‌شود و به چشمان ما می‌رسد. در ادامه با این مفاهیم اولیه به زبان ساده آشنا می‌شویم.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه ششم (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

هنرمندان طی قرن‌های گذشته، آسمان را در حالت‌های مختلف به تصویر کشیده‌اند و نویسندگان در اکثر اوقات از آن در نوشته‌های الهام گرفته‌اند. یونانیان باستان مانند افلااطون و ارسطو نخستین کسانی بودند که در مورد رنگ و ارتباط آن با پدیده‌های هواشناسی نظریه‌های مختلفی نوشتند. با این‌حال،‌ دانشمندان پس از قرن‌ها توانستند به سوالاتی مانند چرا آسمان آبی است یا دلیل قرمزی آسمان به هنگام غروب پاسخ دهند.

آبی بودن آسمان در طول روز برای دانشمندان و فیلسوف‌های زیادی طی سال‌های متمادی به عنوان معمای غیرقابل‌حل باقی مانده بود. در حدود دویست سال پس از آزمایشات منشور نیوتن‌، فیزیک‌دانی به نام «لرد ریلی» (Lord Rayleigh) مکانیزم پراکندگی را شرح داد که در طی آن آسمان به رنگ آبی مشاهده می‌‌شود.

در سال‌های بین آزمایش‌های منشور نیوتن و طرح پراکندگی توسط ریلی، دانشمندان آسمان را با جزئیات مشاهده کردند. طبق مشاهدات آن‌ها، رنگ آبی آسمان ثابت نیست. در واقع، وقتی سرمان را بالا بگیریم و به آسمان نگاه کنیم آن‌ را آبی می‌‌بینیم و به هنگام نگاه کردن به سمت افق، رنگ آبی به سمت سفید میل می‌‌کند.

همچنین، طبق مشاهده دانشمندان و هنرمندان بعضی مواد مانند دود، وقتی مقابل زمینه تاریکی قرار بگیرند به رنگ آبی دیده می‌شوند. این مورد رالئوناردو داوینچی در مطالعات خود ذکر کرد. همان‌طور‌ که در شکل مشاهده می‌شود، اگر در یک لیوان آب چند قطره شیر بریزید و آن‌را مقابل زمینه تاریکی قرار دهید آبی دیده می‌شود.

در حدود سال 1870، لرد ریلی نخستین کسی بود که نشان داد ذرات کوچک مانند ذرات دود یا شیر به دلیل پراکندگی نور، آبی دیده می‌شوند. در نتیجه، در ادامه ابتدا به توضیح برهم‌کنش نور با ماده پرداخته می‌شود.

برهم‌کنش نور با ماده بخش مهمی از زندگی روزمره ما است. بر‌هم‌کنش نور با ماده نه تنها دلیل دیده شدن اجسام توسط ما، بلکه دلیل پدیده‌هایی مانند انعکاس تصویر ما در آینه، رنگی دیده شدن آب یا روغن، و آبی دیده شدن آسمان است. به منظور پرداخت به جزئیات برهم‌کنش نور با ماده، ابتدا طبیعت نور توضیح داده می‌شود.

طبیعت نور

جو زمین علاوه بر آن‌که سبب رنگ آبی آسمان بوده دلیل پدیده‌هایی نظیر دیدن رنگین‌کمان پس از باران و سراب‌ها است. بعضی سوال‌ها مانند چرا آسمان آبی است، چرا غروب خورشید قرمز است، یا چرا آسمان شب سیاه است در نگاه اول پرسش‌های بسیار بدیهی به نظر می‌رسند. در حالی‌که، پاسخ به این ‌پرسش‌ها ساده نیست و نیاز به آگاهی از برخی پدیده‌های فیزیکی است.

فیلم آموزش اپتیک یا نورشناسی Optique در فرادرس

کلیک کنید

به منظور پاسخ به پرسش‌های مطرح شده، در ابتدا به ساختار نور، طبیعت موج الکترومغناطیسی و انتشار آن پرداخته می‌شود.

نور، برهم‌نهی امواج الکترومغناطیسی است. شکل زیر انتشار امواج الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد. این امواج شامل میدان الکتریکی (E) و میدان مغناطیسی (B) است که با فرکانس یکسانی نوسان می‌کنند. این دو میدان بر یکدیگر عمود هستند و در جهت محور z انتشار می‌یابند.

سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی بستگی به محیط انتشار آن دارد. در خلا، سرعت انتشار این امواج برابر $$c=3\times 10^{8}\frac{m}{s}$$ است. طول موج ($$\lambda$$) فاصله بین دو ماکزیمم متوالی میدان‌ها است. در نقطهای معین این میدان‌ها به صورت دوره‌ای با دوره تناوب ‌(T) و با واحد ثانیه نوسان می‌کنند. طول موج حاصل ضرب دوره تناوب در سرعت به صورت زیر است.

$$\lambda=cT$$

بسته به مقیاس پدیده فیزیکی مورد مطالعه، طول موج بر حسب متر یا یکی از واحد‌های اندازه‌گیری کوچکتر مانند میکرومتر ($$1\mu m=10^{-6}m$$)، یا نانومتر $$(1nm=10^{-9}m)$$ بیان می‌شود. همچنین، موج با فرکانس ($$\nu$$) نیز شناسایی می‌شود. فرکانس با دوره تناوب رابطه عکس دارد و بر حسب واحد هرتز (Hertz یا Hz) بیان می‌شود.

طیف الکترومغناطیسی

طیف الکترومغناطیسی نشان دهنده توزیع همه امواج الکترومغناطیسی بر حسب طول موج  یا فرکانس این امواج است. این طیف دارای گستره وسیعی بوده و تا بزرگی از مرتبه $$10^{18}$$ که بین کوتاه‌ترین طول موج،  اشعه های $$\gamma$$ ($$10^{-14}m<\lambda<10^{-12}m$$) تا بلندترین طول موج، امواج رادیویی ($$10^{-1}m<\lambda<10^{4}m$$) قرار دارد، متغیر است.

همان‌گونه که در شکل زیر مشاهده می‌شود قسمت مر‌ئی طیف الکترومغناطیسی بخش بسیار باریکی است و بین طول‌موج‌های نور با رنگ بنفش ($$\lambda=0.4\mu m$$) تا نور با رنگ قرمز ($$\lambda=0.8\mu m$$) قرار دارد. تابش خورشید در دامنه مرئی، در محدوده $$(\lambda=0.5\mu m)$$، به حداکثر شدت خود می‌رسد. نور سفید برهم‌نهی تمام امواج طیف مرئی است.

پس از توضیح مختصری در مورد نور برای پاسخ به پرسش چرا آسمان آبی است نیاز به دانستن دیدگاه فیزیک مدرن در مورد نور است.

خاصیت ذره‌ای نور

در حدود سال 1700 نیوتن به این نتیجه رسید که نور از گروهی از ذرات تشکیل شده است. در همان زمان، عده دیگری از فیزیکدانان نور را به عنوان موج (نظریه موجی) بیان کردند. از دیدگاه نیوتن چون نور در راستای خط راست حرکت می‌کند بنابراین شامل ذرات بسیار کوچکی است که توسط یک منبع نور تابیده می‌شود و توسط اشیا مختلف انعکاس می‌یابد. گرچه، نظریه نیوتن در مورد نور نتوانست خاصیت موجی نور مانند انکسار و تداخل را توضیح دهد. به بیان دیگر، تئوری موجی نتوانست توضیحی در مورد خروج فوتون‌ها از فلز قرار گرفته در معرض نور ارائه دهد. این پدیده بعدها در قرن نوزدهم توسط انیشتین به نام اثر فوتوالکتریک ارائه شد. از این‌رو، فیزیکدانان بسیاری در طی قرن‌‌ها در تلاش برای ارائه توضیحی مناسب برای طبیعت نور بودند.

نظریه ذره ای نور بار دیگر در انتهای قرن نوزدهم توسط آلبرت انیشتین زنده شد. اکنون طبیعت دوگانه نور به عنوان نور و ذره ثابت شده است. انیشتین معتقد بود که نور ذره‌ای به نام فوتون است و شارش فوتون‌ها موج است. مهم‌ترین نکته نظریه کوانتومی نور انیشتین به این صورت است که انرژی نور با فرکانس نوسان آن مرتبط است. فوتون‌ها دارای انرژی برابر با حاصلضرب ثابت پلانک در فرکانس نوسان هستند. شدت نور با تعداد فوتون‌ها بیان می‌شود.

تا اینجا برای پاسخ به پرسش چرا آسمان آبی است با نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی آشنا شدیم و در ادامه به موضوع رفتار دو گانه نور به عنوان موج و ذره به اختصار پرداخته شد. در ادامه، به پدیده‌های مختلف به هنگام برخورد نور با ماده می‌پردازیم و انواع پراکندگی شرح می‌دهیم.

به هنگام برخورد نور با ماده چه رخ می‌دهد ؟

در برخورد نور با ماده، مطابق شکل زیر، اتفاقات گوناگونی رخ می‌دهد.

• انتقال
• انعکاس
• جذب
• شکست
• انکسار
• پراکندگی

در ادامه توضیح مختصری در مورد هر کدام از پدیده‌های بالا داده می‌شود.

انتقال چیست؟

انتقال به صورت نسبت توان نور عبوری از محیط شفاف یا نیمه‌شفاف به توان نور ورودی تعریف می‌شود.

انعکاس چیست؟

انعکاس روندی است که در آن امواج الکترومغناطیسی از مرز دو محیط (انعکاس سطحی) یا از داخل محیط (انعکاس حجمی)‌ برمی‌گردند.

تعریف جذب

جذب به صورت نسبت توان اشعه جذب شده به توان اشعه ورودی تعریف می‌شود.

تعریف شکست

شکست، خم شدن نور به هنگام عبور آن از یک محیط به محیط دیگر است. این خمیدگی در اثر تفاوت میان چگالی دو محیط رخ می‌دهد.

انکسار چیست؟

انکسار، پراکندگی نور هنگام عبور از مانع است. به بیان دقیق‌تر، هنگامی که نور از حفره‌ای هم‌اندازه یا کوچک‌تر از طول موج نور عبور کند یا به ذراتی با اندازه طول موج نور ورودی برخورد کند، انکسار اتفاق می‌افتد. انکسار نور خورشید توسط ابرها مثالی از این پدیده است که در تصویر زیر به زیبایی نشان داده شده است.

پراکندگی چیست؟

به هنگام ورود نور خورشید به اتمسفر زمین، اتم‌ها و مولکول‌های گازهای مختلف موجود در هوا، نور را جذب می‌کنند. سپس،‌ این اتم‌ها نور را در تمام جهت‌ها منتشر می‌کنند که به این روند پراکندگی نور گفته می‌شود. به هنگام برهم‌کنش نور با ذره تشکیل دهنده محیط، بسته به انرژی اولیه و نهایی پرتو نور، پراکندگی به دو دسته کلی زیر تقسیم می‌شود.

• پراکندگی کشسان
• پراکندگی غیرکشسان

پراکندگی کشسان

پراکندگی کشسان هنگامی رخ می‌دهد که انرژی پرتو نور ورودی و نور پراکنده شده با یکدیگر یکسان باشند.

پراکندگی غیرکشسان

اگر انرژی پرتو نور ورودی و نور پراکنده شده با یکدیگر متفاوت باشند،‌ پراکندگی غیرکشسان رخ می‌دهد.

طبیعت و اندازه ذره‌ای که پراکندگی از آن رخ می‌دهد باعث انواع مختلف پراکندگی می‌شود.

• پراکندگی ریلی
• پراکندگی مای
• پراکندگی تیندال
• پراکندگی رامان

پراکندگی ریلی

پراکندگی نور خورشید توسط اتم‌ها و مولکول‌های گازهای موجود در اتمسفر زمین به عنوان پراکندگی ریلی (Rayleigh Scattering) شناخته می‌شود. طبق قانون پراکندگی ریلی مقدار نور پراکنده شده‌ (S) با توان چهارم طول موج آن نور نسبت عکس دارد.

$$S\alpha\frac{1}{{{\lambda}^{4}}}$$

بر طبق این قانون‌،‌ رنگ‌ها با طول‌موج کوتاه‌تر نسبت به رنگ‌ها با طول موج بلندتر بیشتر پراکنده می‌شوند. وقتی نور خورشید از اتمسفر عبور می‌کند، رنگ آبی که دارای طول موج کوتاه‌تری است، نسبت به رنگ قرمز بیشتر پراکنده می‌شود.

‌پراکندگی مای

پراکندگی مای (Mie Scattering) از نوع پراکندگی کشسان است. این پدیده هنگامی رخ می‌دهد که قطر ذره‌ای که نور را پس از برخورد پراکنده می‌کند در محدوده طول موج نور ورودی یا بزرگتر از آن باشد. این پراکندگی توسط ذرات گرد و خاک یا قطره‌های آب در بخش پایین‌تر اتمسفر انجام می‌شود. در شکل زیر پراکندگی‌های مای و ریلی با یکدیگر مقایسه شده اند.

پراکندگی تیندال

وقتی نور خورشید از طریق پنجره به داخل اتاق غبارآلودی می‌تابد، مسیر این نور برای ما قابل رویت است. دلیل این پدیده، پراکندگی نور توسط ذرات کوچک گرد و غبار است.

پراکندگی رامان

برهم‌کنش پرتو نور با ذره‌های جامدها یا مایع‌های خالص که باعث تغییر در طول موج یا فرکانس می‌شود به عنوان پراکندگی رامان (Raman Scattering) شناخته شده است. خطوط طیفی که دارای فرکانسی برابر با فرکانس پرتو نور ورودی هستند خط ریلی و آن دسته از خطوطی که دارای فرکانس‌های متفاوتی نسبت به فرکانس نور ورودی هستند خطوط رامان گفته می‌شوند.

پس از آشنایی با انواع پراکندگی، اکنون می‌توانیم به پرسش چرا آسمان آبی است برگردیم.

پراکندگی ریلی و پاسخ به پرسش چرا آسمان آبی است ؟

همان‌طور که در بالا گفته شد پراکندگی ریلی به دلیل وجود مولکول‌های گازی مانند دی‌اکسیدکربن، نیتروژن، اکسیٰژن، بخار آب و ذرات غبار بسیار کوچک در اتمسفر است. به طور معمول‌‌، مولکو‌هایی که پراکندگی ریلی از آن‌ها رخ می‌دهد بسیار کوچک‌تر از نانومتر و در حدود یک‌هزارم طول موج‌های نور مر‌ئی (در حدود 0/5 میکرومتر) هستند.

فیلم آموزش اپتیک یا نورشناسی Optics – مرور و حل تمرین در فرادرس

کلیک کنید

میدان الکتریکی نوسانی موج ورودی ابر الکترونی اتم‌ها را تغییر شکل ‌می‌دهد. این تغییر شکل سبب نوسان بار منفی الکترون‌ها نسبت به هسته‌های با بار مثبت می‌شود و در نتیجه این نوسان، یک دو قطبی الکتریکی نوسانی تشکیل می‌گردد. این دوقطبی الکتریکی نوسانی مانند آنتن انتقال دهنده میکروسکوپی عمل و در تمامی جهت‌ها تابش می‌کند. شکل زیر دوقطبی القا شده در اتم را نشان می‌دهد که مکانیزم مشابهی نیز در مولکول رخ می‌دهد.

به این نکته باید دقت کرد که موجی که دوباره تابیده می‌شود دارای فرکانسی مشابه فرکانس موج فرودی است یا به بیان دیگر فوتون‌ها دارای انرژی یکسانی در مقایسه با انرژی فوتون‌های فرودی هستند. در حالی‌که شدت اشعه پراکنده شده با توان چهارم طول موج اشعه فرودی نسبت عکس دارد. از این‌رو، این پدیده یک پدیده انتخابی است و همان‌طور که در مباحث بالاتر اشاره شد نورهای آبی و بنفش که دارای طول‌ موج‌های کوتاه‌تری نسبت به دیگر رنگ‌های طیف نور مرئی هستند بیشترین میزان پراکندگی را دارند.

نکته

با توجه به آن‌که طول موج نور بنفش از نور‌ آبی کمتر است و نور بنفش نسبت به نور آبی بیشتر پراکنده می‌شود این سوال مطرح می‌شود که چرا آسمان آبی است؟

پاسخ 

پاسخ به این سوال کمی پیچیده است. می‌توان دو دلیل برای آبی بودن آسمان و این‌که چرا به رنگ بنفش دیده نمی‌شود بیان کرد.

دلیل اول: در شکل زیر طیف تابش خورشید را در نظر بگیرید. همان‌طور که مشاهده می‌شود مقدار انرژی برای طول موج نور آبی بیشترین مقدار را دارد و مقدار آن برای طول موج نور بنفش به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش ‌می‌یابد.

دلیل دوم: نحوه عملکرد چشمان ما نقش بسیار مهمی در تشخیص رنگ‌ها دارد. نور پس از عبور از مردمک، سطح داخلی چشم به نام شبکیه را تحریک می‌کند. شبکیه از تعداد زیادی سلول‌های حساس به نور به صورت میله‌ای و مخروطی تشکیل شده است. سلول‌های میله‌ای در شبکیه نسبت به نور، به شدت حساس هستند و نمی‌توانند نور را با طول‌ موج‌های متفاوت تشخیص دهند. در حالی‌که، سلول‌های مخروطی، به رنگ حساس هستند. پس از ورود نور با طول موج مشخص به چشم و تحریک سلول‌های مخروطی، واکنش شیمیایی فعال می‌شود و در ادامه، پالس الکتریکی از طریق رشته‌های عصبی به مغز فرستاده می‌شود. این سلول‌های مخروطی به سه دسته قرمز، آبی و سبز تقسیم می‌شوند. از آنجایی که مخروط قرمز به گستره‌ای از طول‌موج‌‌ها حساس است، پس نه تنها با طول‌موج نور قرمز بلکه با طول‌موج‌های نور نارنجی‌‌، نور زرد و حتی نور سبز هم برانگیخته می‌شود. همچنین، مخروط سبز علاوه‌بر رنگ سبز با طول‌موج‌های رنگ‌های آبی و زرد نیز برانگیخته می‌شود. نمودار زیر حساسیت این مخروط‌‌ها را نسبت به رنگ‌های مختلف نشان ‌می‌دهد. همان‌گونه که مشاهده می‌شود مخروط آبی در محدوده طول‌ موج‌های نور آبی (450 تا 495 نانومتر) بسیار حساس است و برای نور بنفش ( 380 تا 450 نانومتر) حساسیت آن بسیار کاهش می‌یابد.

معرفی فیلم آموزش فیزیک پایه ۳

به منظور درک بهتر پراکندگی نور، نیاز به دانش در زمینه امواج است. از این‌رو، مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک پایه ۳ برای دانشجویان رشته فیزیک کرده که از هفت درس تشکیل شده است. برای آشنایی بیشتر با مفهوم امواج می‌توان به درس یکم مراجعه کرد.

در درس یکم مفاهیمی مانند انواع امواج، معادله موج، اصل برهم‌نهی امواج، تداخل امواج و هر آن‌چه به رفتار موج‌ها مربوط می‌شود پرداخته شده است.

• برای دیدن فیلم آموزش فیزیک پایه ۳ +اینجا را کلیک کنید. 

پس از فهمیدن طبیعت نور و چگونگی واکنش نور با ماده به زبان ساده به پرسش چرا آسمان آبی است پاسخ دادیم. در ادامه می‌توان به سوالاتی مانند چرا آسمان خاکستری است یا چرا ابرها سفید هستند پاسخ داد.

چرا آسمان خاکستری است ؟

هنگاهی که اندازه ذرات تشکیل دهنده اتمسفر با طول موج تابشی، یکسان یا کمی بزرگ‌تر باشد، پراکندگی مای رخ می‌دهد. این ذرات شامل قطره‌های آب، کریستال‌های یخ‌ و آئروسل‌ها (Aerosol) در اتمسفر هستند. پراکندگی مای با طول موج پرتو فرودی رابطه عکس دارد. بنابراین، مانند پراکندگی ریلی، ولی با درصد بسیار کمتر نور آبی را پراکنده می‌کند. این پراکندگی در لایه‌های پایین‌تر اتمسفر که بیشتر از آئروسل‌ها تشکیل شده است اتفاق می‌افتد. از این‌رو، آسمان در این قسمت به رنگ آبی کم‌رنگ یا حتی خاکستری دیده می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک ۳ – حل تمرین در فرادرس

کلیک کنید

مشاهده سایه‌های متفاوت آبی در آسمان به مقدار غبار و بخار آب موجود در هوا بستگی دارد. با افزایش این مقدار، پراکندگی تمامی طول‌موج‌ها تقویت و در نتیجه تناسب رنگ‌های زرد و آبی افزایش می‌یابد. این افزایش، سبب کم‌رنگ شدن رنگ آبی می‌شود. از سوی دیگر، نبود قطره‌های آب در ارتفاعات بلند سبب پراکندگی نور آبی به عنوان نور غالب و آبی دیده شدن آسمان می‌شود.

چرا ابرها سفید هستند ؟

هنگامی که اندازه ذرات داخل اتمسفر (مانند قطره‌های آب داخل ابرها و مه با اندازه‌ای در حدود 100 میکرومتر) بسیار بزرگ‌تر از طول‌موج نور تابشی باشند پراکندگی غیرانتخابی اتفاق می‌افتد. از این‌رو، پراکندگی غیرانتخابی همان‌گونه که از نامش مشخص است بر تمامی طول‌موج‌ها اثر می‌گذارد و بنابراین سفید بودن رنگ‌ ابرها قابل توضیح است. همچنین، این پدیده سفید بودن دانه های برف را توجیه می‌کند.

در تصویر زیر خلاصه‌ای از مطالب گفته شده در بالا مشاهده می‌شود.

پس از مطالعه مطالب بالا می‌توانید چرایی سیاهی آسمان به هنگام شب و قرمزی آن به هنگام غروب را توضیح دهید.