رنگ‌های آسمان

[امید عباسی]

پدیده انتشار
انتشار نور و تفکیک رنگها مربوط به خود مولکولهای هواست، حتی در غیاب ذرات خارجی هم آسمانی آبی خواهیم داشت. طول موج نور از آبی به سبز ، زرد و سرخ افزایش می‌یابد و طول موج مربوط به نور قرمز حدود ۱.۶۸ برابر طول موج نور آبی است. هر یک از اجزای نور خورشید در همه جهتها از مولکول منتشر می‌شود، ولی شدت آن همسان نیست. درخشانترین انتشار در جهت روبرو (مانند اینکه نور یک راست از مولکول می‌گذرد) و رو به پشت (بسوی خورشید) است.
به نظر نیوتن رنگهای ظاهری اجسام طبیعی بستگی به این دارد که از آنها چه رنگی شدیدتر منعکس یا بسوی بیننده پراکنده می‌شود . بطور کلی ، شیوه ساده‌ای وجود ندارد که بر اساس ساختار سطح ترکیب شیمیایی و مانند آنها پیش بینی کنیم که آن ماده چه رنگهایی را منعکس یا پراکنده می‌کند. با این همه ، علت آبی بودن رنگ آسمان را با استدلال ساده‌ای می‌توان توضیح داد.
همانطور که تامس یانگ با آزمایش نشان داد، طول موجهای گوناگون نور رنگهای متفاوت دارند، طول موج نور را با واحد نانومتر یا با واحد آنگستروم می‌سنجند. دامنه طیف قابل رؤیت برای آدمی nm ۴۰۰ برای نور بنفش تا حدود nm ۷۰۰ برای نور قرمز است. مانعهای کوچک می‌توانند انرژی یک موج فرودی را در همه جهتها پراکنده کنند و مقدار پراکندگی بستگی به طول موج دارد. به عنوان یک قاعده کلی ، هر چه طول موج در مقایسه با اندازه مانع بزرگتر باشد، موج بوسیله مانع کمتر پراکنده می‌شود. برای ذراتی کوچکتر از یک طول موج ، مقدار پراکندگی نور با عکس توان چهارم طول موج تغیـــیــر می‌کند. مثلاً ، طول‌ موج نور قرمز در حدود دو برابر طول موج نور آبی است. بنابراین پراکندگی نور قرمز در حدود یک شانزدهم پراکندگی نور آبی است.
نوری که نسبت به مسیر اولیه خورشید در زاویه قائم منتشر شود، تنها نیمی از درخشندگی را خواهد داشت. همه رنگها به این شیوه منتشر می‌شوند. ولی شدت انتشار هر یک از این رنگها در هر جهتی متفاوت است. شدت با عکس توان چهارم طول موج متناسب است. از اینرو نور موج کوتاه (مانند آبی) خیلی شدیدتر از نور سرخ منتشر می شود که طول موج بلندتری دارد. از آنجا که نسبت طول موج آنها ۱.۶۸است، نسبت انتشار نور آبی ۸ برابر درخشانتر از نور سرخ است.
● آسمان آبی
اکنون می‌توانید بفهمید که چرا رنگ آسمان آبی است. نور خورشید بوسیله مولکولها و ذرات گرد و غبار موجود در آسمان ، که معمولاً در مقایسه با طول موجهای نور مرئی بسیار کوچکند، پراکنده می‌شود. به این ترتیب ، نور طول موجهای کوتاه (نور آبی) بسیار شدیدتر از نور طول موجهای بلندتر بوسیله این ذرات پراکنده می‌شوند. وقتی که به آسمان صاف نگاه می‌کنیم ، بیشتر این نور پراکنده شده است که به چشم ما می‌رسد. دامنه طول موجهای کوتاه پراکنده شده (و حساسیت چشم آدمی به رنگ) منجر به احساس رنگ آبی می‌شود.
کوتاهترین طول موجهای طیف مرئی بیشتر مطابق بنفش است تا آبی ، پس چرا آسمان بجای آنکه بنفش باشد آبی است؟ نور خورشید اولیه در رنگ بنفش تا حدی ضعیفتر از آبی آست و بنفش کمتر از آبی به ما می‌رسد. دلیل مهمتر اینکه چشم انسان نسبت به بنفش کمتر از آبی حساس است. اینکه مردم آبی بودن آسمان را بوجود بخار آب در جو نسبت بدهند، شاید به این دلیل باشد که اغلب توده‌های آب آبی رنگ است.
از دلایل آبی بودن دریا این است که وقتی نور سفید چند متر از میان آب می‌گذرد، مولکولهای آب بخشی از انتهای سرخ طیف را جذب می‌کند و نوری که سرانجام به چشم بیننده منعکس می‌شود بیشتر آبی شده است. و در آسمان آب کافی برای چنین جذبی وجود ندارد. لایه اوزون نیز نور سرخ را تضعیف می‌کند، ولی نقش ناچیزی در آبی شدن آسمان دارد. از سوی دیگر ، فرض می‌کنیم که در یک روز مه آلود به آسمان نگاه می‌کنیم.
در این صورت ، نور آبی باریکه‌ای که به چشم ما می‌رسد بطور کامل پراکنده شده است، در حالی که طول موجهای بلندتر پراکنده نشده‌اند. بنابراین، احساس می‌کنیم که رنگ خورشید متمایل به قرمز شده است. اگر آسمان جوی نداشت، آسمان سیاه به نظر می‌رسید و ستارگان در روز دیده می‌شدند. در واقع از ارتفاع Km ۱۶ به بالا ، که در آنجا جو زمین بسیار رقیق می‌شود، همان طوری که فضانوردان دریافته‌اند، آسمان سیاه به نظر می‌رسد و ستارگان در روز دیده می‌شوند.
● تأثیر شرایط جوی
گاهی هوا دارای ذرات گرد و غبار یا قطره‌های آبی به بزرگی طول موج نور مرئی است. اگر چنین باشد، رنگهایی جز رنگ آبی ممکن است به شدت پراکنده شوند. مثلاً ، کیفیت رنگ آسمان با بخار آب موجود در جو زمین تغییر می‌کند. روزهایی که هوا صاف و خشک است، آسمان آبی‌تر از روزهایی است که رطوبت هوا زیاد است. آسمان نیلگون ایتالیا و یونان ، که قرنها الهام ‌بخش شاعران و نقاشان بوده است، به سبب خشکی استثنایی هوای این سرزمینهاست.
مه آبی ـ خاکستری رنگی که گاهی شهرهای بزرگ را می‌پوشاند بیشتر به سبب ذراتی است که از موتورهای درون‌ سوز (اتومبیلها ، کامیونها) و کارخانه های صنعتی منتشر شده‌اند. موتور اتومبیل ، حتی وقتی که در حالت خلاص کار می‌کند، در هر ثانیه بیشتر از ۱۰۰ میلیارد ذره منتشر می‌کند. بیشتر این ذرات نامرئی هستند و اندازه آنها در حدود m ۰/۰۰۰۰۰۱ است.
چنین ذره‌هایی کالبدی برای تجمع گازها ، مایعات و ذرات جامد دیـگــــــر می‌شوند. این ذره‌های بزرگتر سبب پراکندگی نور و تیرگی هوا می‌شوند. گرانش بر این ذره‌ها تا وقتی که بر اثر تجمع مواد بیشتر در اطراف آنها خیلی بزرگ نشده‌اند چندان تأثیری ندارد. این ذرات اگر بر اثر باران و برف مکرر شسته نشوند ممکن است ماهها در جو زمین بمانند. تأثیر چنین ابرهای غبارآلودی بر آب و هوا و بر سلامتی آدمی بسیار مهم است.
● رنگ غروب
وقتی به آسمان روز نگاه می‌کنید نوری را می‌بینید که از لایه اوزون اندکی گذشته و جذب بوسیله آن ناچیز بوده است. در هنگام غروب وقتی شعاعهای نور از میان لایه اوزون مسیری مورب (و از اینرو طولانیتر) دارند تا یه ما برسند، جذب بوسیله اوزون اهمیت پیدا می‌کند، ولی در آن موقع نیز دلیل آبی بودن آسمان ساز و کارهای مربوط به پراکندگی (انتشار ریلی) می‌باشد، که قبلا بیان شده.
همین تأثیرها رنگ کوههای تیره را در یک روز آفتابی توضیح می‌دهد. اگر کوهها زیاد دور نباشند، تصویرشان آبی رنگ است. چون نور مسلط آبی بوسیله مولکولهای میان شما و کوهها منتشر می‌شود، کوههای تا حدی دور هم باز آبی است. ولی کوههایی که در فاصله دوری قرار دارند سفید هستند، درست همانگونه که افق سفید دیده می‌شود. نور خور شید در حال غروب در واقع نارنجی رنگ است (بین سرخ و زرد)، در حالی که اگر در مسیرشان بسوی ما تنها از میان مولکولهای هوان می‌گذشت، رنگش سرخ بود. دلیل اینکه رنگ آن سرخ یک دست نیست، این است که نور نه تنها از میان مولکولها ، بلکه از میان ذرات ریز و افشانکهای جو هم منتشر می‌شود.
در هر موقع از روز وقتی در جهت خورشید نگاه کنید، بخشی از نور درخشان آن را دریافت می‌کنید که از میان همان ذرات ریز و افشانکها منتشر می‌شود و از اینرو آن بخش از آسمان روشنتر از آن است که در غیاب ذرات می‌توانست باشد. وقتی خورشید در بالای آسمان روشنتر از آن است که در غیاب ذرت می‌توانست باشد. وقتی خورشید در بالای آسمان است، اطرافش سفید روشن است. ولی وقتی پایینتر قرار دارد، هر چه غلظت ذرات بیشتر باشد، اطراف خورشید در حال غروب درخشانتر و محیط آن مشخصتر است.
در جریان غروب آفتاب در هوای صاف ، سمت الرأس (آسمان درست در بالای سر) آبی‌تر از هنگام روز می‌شود. با توجه به این که افق نزدیک خوشید ممکن است سرخ باشد، این افزایش رنگ آبی عجیب به نظر می‌رسد. برای این ‌آبی بودن چندین توضیح داده شده که محتملترین آنها مربوط به لایه اوزون است. وقتی هنگام غروب نور خورشید مسیر اریب تری را از میان لایه طی می‌کند، جذب انتهای سرخ طیف بوسبله اوزون ،‌موجب تسلط انتهای آبی بر بامه نور می‌شود. برخلاف انتشار ریلی که بامه در طی مسیر با آن روبرو می شود.
● آسمان پس از غروب
درست پس از غروب خورشید ، سایه زمین از افق خاور بالا می شاید. مرز سایه ، سرخ یا ارغوانی است. رنگ آن بستگی به نوری دارد که بر اثر انتشار ریلی در مسیر طولانی اش از لایه های پایین جو سرخ شده است. در نزدیکی جایی که لبه بالایی سایه را می بینید بخشی از نور در معرض انتشار ریلی قرار دارد و بسوی ما می آید. وقتی نور را دریافت میکنید، رنگ سرخ را در لبه بالا مشاهده می کنید. بخش بالایی سایه زیر لبه ممکن است آبی کم رنگ باشد.
به احتمالی بامه آبی ناشی ار نور خورشید است که از میان بخش بالایی و کم چگالتر جو می‌گذرد، از آنجایی که جزء آبی بامه ، به اندازه‌ای تضعیف نمی‌شود که در عبور از بخشهای پایین جو امکان آن وجود دارد، زیرا با مولکولهای هوای بیشتری درگیر بوده است. نزدیک به ۱۰ دقیقه پس از آنکه خورشید غرو ب می‌کند، گه گاه لکه‌ای ارغوانی بر فراز آن در جایی میان ۳۰ و ۷۵ درجه از سمت الرأس پدید می‌آید. این لکه که اغلب نور ارغوانی نامیده می‌شود، به ظاهر ناشی از وجود لایه‌ای از ذرات در ارتفاع ۱۶ تا ۲۰ کیلومتری و در بخش زیرین لایه اوزون است.
این ذرات ممکن است غبار بیابان یا ذرات خاکستر یک فوران آتشفشان یا آتش سوزی بزرگی در جنگل باشد. لکه ارغوانی حاصل نور بسیار سرخ و بسیار آبی است که از ناحیه‌های مختلف آسمان منتشر می‌شود. اجزای سرخ از نور خوشید در حاشیه زمین است و از جو زمین می‌گذرد که انتشار ریلی نور را سرخ می‌کند. بخشی از این نور از لایه ذرات عبور کرده و به همین خاطر نور خیلی سرخ دریافت می‌شود. اجزای آبی از نور خورشیدی می‌رسد که از بخشهای فوقانی جو می‌تابد و از اینرو به آن اندازه سرخ نشده است.
بخشی از نور در معرض انتشار ریلی قرار می‌گیرد و نور آبی بسوی شما فرستاده می‌شود. وقتی به مسیر نگاه می‌کنید، هر دو اجزای نور سرخ و آبی در مسیر خط دید شما حرکت می‌کنند و ترکیبشان احساس نور ارغوانی را پدید می‌آورد. دلیل اینکه بخشهای دیگر آسمان ارغوانی نیست، این است که بجای رنگ سرخ و آبی تنها ترکیبهای متفاوتی از ته رنگها را دریافت می‌کنیم. وقتی بسوی آنها نگاه می‌کنیم، ممکن است بسته به زاویه دیدمان اقسام ته رنگها را داشته باشند.
نور ارغوانی دیگر ولی نادر که در حوالی همان بخش نور اولی در آسمان ظاهر می‌شود، اما یک و نیم تا دو ساعت پس از غروب آفتاب اتفاق می‌افتد. احتمال می‌رود این نور نیز بوسیله همان لایه ذراتی بوجود می‌آید که نور ارغوانی اولی پدید آمد. اگر لایه گسترده باشد، بخشی از نور که از لایه زیر افق منتشر می‌شود ، ممکن است دوباره از لایه مرئی منتشر شود. نور تولید شده بخوبی درخشان است و در آن صورت یک لکه ارغوانی کمرنگ دیده می‌شود.