لماذا السماء زرقاء؟.. تناثر رايلي في الغلاف الجوي. التوزيع الحراري لطيف ضوء الشمس الساقط. التوهين الأكبر بالجو

إذا نظرت في أي كتاب علمي مشهور حول هذا الموضوع، فسوف يخبرك أن السماء زرقاء بسبب تناثر رايلي في الغلاف الجوي.

في حين أن تشتت رايلي هو جزء مهم جدًا من الإجابة، إلا أنه ليس الجزء الوحيد.

إذا كان التأثير الوحيد في العمل هو تشتت رايلي، فإن السماء ستكون بنفسجية وليست زرقاء.

في الواقع، هناك أربعة عوامل متضمنة؛ كل ما هو مطلوب لإعطاء الإجابة النهائية باللون الأزرق:

- تناثر رايلي في الغلاف الجوي.

- طيف ضوء الشمس الساقط عبارة عن توزيع حراري.

- التوهين الأكبر بالجو.

- يمتزج عقل الإنسان وعقله ويدرك الألوان غير الخطية.

تشتت رايلي هو ما يحدث عندما يرتد الضوء عن جسم أصغر بكثير من طوله الموجي.

توضح الاشتقاقات المادية أنه بالنسبة لتشتت رايلي، فإن الألوان ذات التردد العالي مثل الأزرق والبنفسجي مبعثرة بقوة أكبر بكثير من الألوان منخفضة التردد مثل الأحمر والبرتقالي.

رياضياً، تتناسب شدة الضوء المبعثر مع f 4، حيث f هو تردد الضوء.

هذا يعني أن اللون الذي يكون ضعف تردد لون آخر سيكون 16 مرة أكثر سطوعًا من ذلك اللون الآخر بعد التشتت إذا كان كلاهما متساويًا في السطوع في البداية.

في الغلاف الجوي، الكائنات التي تقوم بالانتثار هي في الغالب جزيئات النيتروجين (N2) وجزيئات الأكسجين (O2).

هذه الجزيئات أصغر بكثير من الضوء المرئي (يبلغ عرض جزيئات الأكسجين حوالي 0.1 نانومتر والضوء المرئي يبلغ طوله الموجي حوالي 500 نانومتر)، وبالتالي فإن التشتت في الغلاف الجوي هو تشتت رايلي.

ولكن إذا كانت هذه هي نهاية القصة، فستكون السماء بنفسجية وليست زرقاء لأن اللون البنفسجي هو اللون المرئي الأعلى ترددًا.

دعونا نلقي نظرة على الآثار الأخرى.

يعتقد معظم الناس أن ضوء الشمس الذي ينتقل عبر الفضاء قبل أن يضرب غلافنا الجوي هو لون أبيض تمامًا.

الأبيض المثالي هو مزيج متساوٍ من جميع الألوان.

في الواقع ، ضوء الشمس الذي يضرب الغلاف الجوي ليس له توزيع متساوٍ للألوان، ولكن له توزيع حراري (جسم أسود).

الشمس عبارة عن كرة كبيرة من الغاز المتوهج تشبه إلى حد بعيد لهب الشمعة.

إن الضوء الذي ترسله شمسنا إلى الفضاء ناتج عن حرارتها، وبالتالي لها توزيع حراري للألوان.

تعتمد الطبيعة الدقيقة للتوزيع الحراري على درجة حرارة الجسم المتوهج (أي عناصر محمصة حمراء ساخنة مقابل الفحم الحار الأبيض).

تبلغ درجة حرارة سطح الشمس حوالي 5800 كلفن ، مما يعطي توزيعًا حراريًا يصل إلى ذروته في الأشعة تحت الحمراء (في مساحة التردد).

لذلك فإن ضوء الشمس الذي يضرب الغلاف الجوي ليس مزيجًا متساويًا من جميع الألوان، ولكنه مزيج من جميع الألوان مع اللون الأحمر البرتقالي السائد، والأزرق أكثر من البنفسجي (على الأقل في مساحة التردد).

هذا يساعد في تفسير سبب كون السماء زرقاء وليست بنفسجية.

لكن اتضح أنه ما زال غير كافٍ.

يعني التوهين الكمي أنه عندما ينتقل ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي السميك، يصبح أضعف تدريجيًا لأنه ينتشر جزئيًا على طول الطريق.

المعدل الذي يصبح عنده أضعف يكون أسرع للألوان ذات التردد العالي.

بعبارة أخرى، نظرًا لأن اللونين الأزرق والبنفسجي يشتتان الأقوى، تتم إزالتهما أيضًا بشكل أسرع من الحزمة المتحركة الأمامية أثناء انتقالها إلى الأسفل عبر الغلاف الجوي.

التوهين الجماعي هو ما يجعل غروب الشمس أحمر وبرتقالي.

عند غروب الشمس، يقترب ضوء الشمس من مراقب بزاوية منخفضة، لذلك يتعين عليه السفر عبر المزيد من الغلاف الجوي.

إنه ينتقل عبر الكثير من الهواء في الواقع، أنه بحلول الوقت الذي يصل فيه الضوء إلى طبقة الهواء الأقرب للمراقب الأرضي، فإن كل الألوان الخضراء والأزرق والبنفسجي قد انتشرت منذ فترة طويلة بواسطة طبقات الغلاف الجوي الأعلى، تاركة اللون الأحمر فقط والبرتقالي.

بينما لا يزال صحيحًا أن الهواء في طبقة السماء الأقرب إلى الراصد ينثر الضوء الأزرق والبنفسجي الأقوى، فلا يوجد ضوء أزرق أو بنفسجي متبق في شعاع الضوء ليتشتت عند غروب الشمس بسبب التوهين الأكبر.

حتى أثناء النهار عندما تكون الشمس عالية في السماء، يكون للتوهين الأكبر تأثير.

ضوء الشمس في الشعاع الأمامي بالقرب من قاع الغلاف الجوي له لون بنفسجي أقل من اللون الأزرق مقارنة بالشعاع عندما كان في الجزء العلوي من الغلاف الجوي لأن اللون البنفسجي يتشتت بسرعة أكبر لدينا من الحزمة الأمامية.

في حين أن هذا يساعد في تفسير سبب كون السماء زرقاء وليست بنفسجية، إلا أنها ليست كافية.

أخيرًا، تدرك العيون البشرية اللون بطريقة غير خطية.

على سبيل المثال، إذا كانت بقعة زرقاء على الحائط تقع بجوار بقعة بنفسجية على الحائط، وقامت أداة المختبر بقياسهما ليكونا سطوعًا متساويًا ، فستدرك أعيننا أن البقعة الزرقاء أكثر إشراقًا.

بمعنى فضفاض، تكون أعيننا أكثر حساسية للضوء الأزرق من الضوء البنفسجي.

لكن الوضع أكثر تعقيدًا مما يبدو عليه هذا البيان.

تحتوي أعيننا على ثلاثة مستقبلات لونية: الأحمر والأخضر والأزرق، لكن هذه المستقبلات تتداخل قليلاً.

ثم تقوم أدمغتنا بخلط الإشارات الثلاث غير الخطية لتعطينا تجربة اللون.

من وجهة نظر مبسطة ، يُنظر إلى الأجزاء المتساوية من الأحمر والأخضر والأزرق على أنها بيضاء، بينما يُنظر إلى اللون الأحمر الصغير بالإضافة إلى القليل من الأخضر بالإضافة إلى الكثير من اللون الأزرق البنفسجي على أنه أزرق مبيض.

تمزج أدمغتنا معًا الطيف الموضح أعلاه لتعطينا السماء الزرقاء الموضحة أدناه.

جميع التأثيرات المذكورة أعلاه ضرورية لشرح سبب رؤية البشر للسماء باللون الأزرق.