چرا آسمان صاف در هنگام روز اغلب آبي، ولي در نزديكي افق سفيد است؟..

چرا آسمان صاف در هنگام روز اغلب آبي ، ولي در نزديكي افق سفيد است؟
چرا خورشيد در حال غروب سرخ و آسمان درست در بالاي آن همچون پرده‌اي رنگارنگ است؟
چرا در شامگاه سايه‌اي منحني با حاشيه‌اي سرخ در آسمان شرق پديدار مي‌شود؟
چرا گاهي اندكي پس از غروب خورشيد لكه‌اي ارغواني در آسمان مغرب نمآيان و سپس ناپديد مي‌شود؟
اين پرسشها مارا به بررسي چه چيزي فرا مي‌خوانند. بسياري از طرحواره‌هاي مشهور در آسمان صاف بيشتر شامل انتشار نور خورشيد از مواد موجود در هواست. از قبيل غبار ، افشانه‌ها ، بلورهاي يخ و قطركها و طرحواره‌هاي ديگر مبتني بر جذب انتهاي سرخ طيف مرئي بوسيله آب و اوزون در جو. هرگاه يك مه دود مصنوعي بوسيله يك باريكه نور سفيد روشن شود و از زاويه معين مورد ملاحظه قرار گيرد، مانند رنگ آسمان بسيار صاف ديده مي‌شود. آيا گاز خالص مانند هوا كه عاري از همه درات باشد نمي‌تواند نور را منتشر كند و آن را به رنگهاي مختلف تجزيه خواهد كرد؟

چرا آسمان صاف در هنگام روز اغلب آبي ، ولي در نزديكي افق سفيد است؟
چرا خورشيد در حال غروب سرخ و آسمان درست در بالاي آن همچون پرده‌اي رنگارنگ است؟
چرا در شامگاه سايه‌اي منحني با حاشيه‌اي سرخ در آسمان شرق پديدار مي‌شود؟
چرا گاهي اندكي پس از غروب خورشيد لكه‌اي ارغواني در آسمان مغرب نمآيان و سپس ناپديد مي‌شود؟
اين پرسشها مارا به بررسي چه چيزي فرا مي‌خوانند. بسياري از طرحواره‌هاي مشهور در آسمان صاف بيشتر شامل انتشار نور خورشيد از مواد موجود در هواست. از قبيل غبار ، افشانه‌ها ، بلورهاي يخ و قطركها و طرحواره‌هاي ديگر مبتني بر جذب انتهاي سرخ طيف مرئي بوسيله آب و اوزون در جو. هرگاه يك مه دود مصنوعي بوسيله يك باريكه نور سفيد روشن شود و از زاويه معين مورد ملاحظه قرار گيرد، مانند رنگ آسمان بسيار صاف ديده مي‌شود. آيا گاز خالص مانند هوا كه عاري از همه درات باشد نمي‌تواند نور را منتشر كند و آن را به رنگهاي مختلف تجزيه خواهد كرد؟

● پديده انتشار
انتشار نور و تفكيك رنگها مربوط به خود مولكولهاي هواست، حتي در غياب ذرات خارجي هم آسماني آبي خواهيم داشت. طول موج نور از آبي به سبز ، زرد و سرخ افزايش مي‌يابد و طول موج مربوط به نور قرمز حدود ۱.۶۸ برابر طول موج نور آبي است. هر يك از اجزاي نور خورشيد در همه جهتها از مولكول منتشر مي‌شود، ولي شدت آن همسان نيست. درخشانترين انتشار در جهت روبرو (مانند اينكه نور يك راست از مولكول مي‌گذرد) و رو به پشت (بسوي خورشيد) است.
به نظر نيوتن رنگهاي ظاهري اجسام طبيعي بستگي به اين دارد كه از آنها چه رنگي شديدتر منعكس يا بسوي بيننده پراكنده مي‌شود . بطور كلي ، شيوه ساده‌اي وجود ندارد كه بر اساس ساختار سطح تركيب شيميايي و مانند آنها پيش بيني كنيم كه آن ماده چه رنگهايي را منعكس يا پراكنده مي‌كند. با اين همه ، علت آبي بودن رنگ آسمان را با استدلال ساده‌اي مي‌توان توضيح داد.
همانطور كه تامس يانگ با آزمايش نشان داد، طول موجهاي گوناگون نور رنگهاي متفاوت دارند، طول موج نور را با واحد نانومتر يا با واحد آنگستروم مي‌سنجند. دامنه طيف قابل رؤيت براي آدمي nm ۴۰۰ براي نور بنفش تا حدود nm ۷۰۰ براي نور قرمز است. مانعهاي كوچك مي‌توانند انرژي يك موج فرودي را در همه جهتها پراكنده كنند و مقدار پراكندگي بستگي به طول موج دارد. به عنوان يك قاعده كلي ، هر چه طول موج در مقايسه با اندازه مانع بزرگتر باشد، موج بوسيله مانع كمتر پراكنده مي‌شود. براي ذراتي كوچكتر از يك طول موج ، مقدار پراكندگي نور با عكس توان چهارم طول موج تغيـــيــر مي‌كند. مثلاً ، طول‌ موج نور قرمز در حدود دو برابر طول موج نور آبي است. بنابراين پراكندگي نور قرمز در حدود يك شانزدهم پراكندگي نور آبي است.
نوري كه نسبت به مسير اوليه خورشيد در زاويه قائم منتشر شود، تنها نيمي از درخشندگي را خواهد داشت. همه رنگها به اين شيوه منتشر مي‌شوند. ولي شدت انتشار هر يك از اين رنگها در هر جهتي متفاوت است. شدت با عكس توان چهارم طول موج متناسب است. از اينرو نور موج كوتاه (مانند آبي) خيلي شديدتر از نور سرخ منتشر مي شود كه طول موج بلندتري دارد. از آنجا كه نسبت طول موج آنها ۱.۶۸ است، نسبت انتشار نور آبي ۸ برابر درخشانتر از نور سرخ است.

● آسمان آبي
اكنون مي‌توانيد بفهميد كه چرا رنگ آسمان آبي است. نور خورشيد بوسيله مولكولها و ذرات گرد و غبار موجود در آسمان ، كه معمولاً در مقايسه با طول موجهاي نور مرئي بسيار كوچكند، پراكنده مي‌شود. به اين ترتيب ، نور طول موجهاي كوتاه (نور آبي) بسيار شديدتر از نور طول موجهاي بلندتر بوسيله اين ذرات پراكنده مي‌شوند. وقتي كه به آسمان صاف نگاه مي‌كنيم ، بيشتر اين نور پراكنده شده است كه به چشم ما مي‌رسد. دامنه طول موجهاي كوتاه پراكنده شده (و حساسيت چشم آدمي به رنگ) منجر به احساس رنگ آبي مي‌شود.
كوتاهترين طول موجهاي طيف مرئي بيشتر مطابق بنفش است تا آبي ، پس چرا آسمان بجاي آنكه بنفش باشد آبي است؟ نور خورشيد اوليه در رنگ بنفش تا حدي ضعيفتر از آبي آست و بنفش كمتر از آبي به ما مي‌رسد. دليل مهمتر اينكه چشم انسان نسبت به بنفش كمتر از آبي حساس است. اينكه مردم آبي بودن آسمان را بوجود بخار آب در جو نسبت بدهند، شايد به اين دليل باشد كه اغلب توده‌هاي آب آبي رنگ است.
از دلايل آبي بودن دريا اين است كه وقتي نور سفيد چند متر از ميان آب مي‌گذرد، مولكولهاي آب بخشي از انتهاي سرخ طيف را جذب مي‌كند و نوري كه سرانجام به چشم بيننده منعكس مي‌شود بيشتر آبي شده است. و در آسمان آب كافي براي چنين جذبي وجود ندارد. لايه اوزون نيز نور سرخ را تضعيف مي‌كند، ولي نقش ناچيزي در آبي شدن آسمان دارد. از سوي ديگر ، فرض مي‌كنيم كه در يك روز مه آلود به آسمان نگاه مي‌كنيم.
در اين صورت ، نور آبي باريكه‌اي كه به چشم ما مي‌رسد بطور كامل پراكنده شده است، در حالي كه طول موجهاي بلندتر پراكنده نشده‌اند. بنابراين، احساس مي‌كنيم كه رنگ خورشيد متمايل به قرمز شده است. اگر آسمان جوي نداشت، آسمان سياه به نظر مي‌رسيد و ستارگان در روز ديده مي‌شدند. در واقع از ارتفاع Km ۱۶ به بالا ، كه در آنجا جو زمين بسيار رقيق مي‌شود، همان طوري كه فضانوردان دريافته‌اند، آسمان سياه به نظر مي‌رسد و ستارگان در روز ديده مي‌شوند.

● تأثير شرايط جوي
گاهي هوا داراي ذرات گرد و غبار يا قطره‌هاي آبي به بزرگي طول موج نور مرئي است. اگر چنين باشد، رنگهايي جز رنگ آبي ممكن است به شدت پراكنده شوند. مثلاً ، كيفيت رنگ آسمان با بخار آب موجود در جو زمين تغيير مي‌كند. روزهايي كه هوا صاف و خشك است، آسمان آبي‌تر از روزهايي است كه رطوبت هوا زياد است. آسمان نيلگون ايتاليا و يونان ، كه قرنها الهام ‌بخش شاعران و نقاشان بوده است، به سبب خشكي استثنايي هواي اين سرزمينهاست.
مه آبي ـ خاكستري رنگي كه گاهي شهرهاي بزرگ را مي‌پوشاند بيشتر به سبب ذراتي است كه از موتورهاي درون‌ سوز (اتومبيلها ، كاميونها) و كارخانه هاي صنعتي منتشر شده‌اند. موتور اتومبيل ، حتي وقتي كه در حالت خلاص كار مي‌كند، در هر ثانيه بيشتر از ۱۰۰ ميليارد ذره منتشر مي‌كند. بيشتر اين ذرات نامرئي هستند و اندازه آنها در حدود m ۰/۰۰۰۰۰۱ است.
چنين ذره‌هايي كالبدي براي تجمع گازها ، مايعات و ذرات جامد ديـگــــــر مي‌شوند. اين ذره‌هاي بزرگتر سبب پراكندگي نور و تيرگي هوا مي‌شوند. گرانش بر اين ذره‌ها تا وقتي كه بر اثر تجمع مواد بيشتر در اطراف آنها خيلي بزرگ نشده‌اند چندان تأثيري ندارد. اين ذرات اگر بر اثر باران و برف مكرر شسته نشوند ممكن است ماهها در جو زمين بمانند. تأثير چنين ابرهاي غبارآلودي بر آب و هوا و بر سلامتي آدمي بسيار مهم است.

● رنگ غروب
وقتي به آسمان روز نگاه مي‌كنيد نوري را مي‌بينيد كه از لايه اوزون اندكي گذشته و جذب بوسيله آن ناچيز بوده است. در هنگام غروب وقتي شعاعهاي نور از ميان لايه اوزون مسيري مورب (و از اينرو طولانيتر) دارند تا يه ما برسند، جذب بوسيله اوزون اهميت پيدا مي‌كند، ولي در آن موقع نيز دليل آبي بودن آسمان ساز و كارهاي مربوط به پراكندگي (انتشار ريلي) مي‌باشد، كه قبلا بيان شده.
همين تأثيرها رنگ كوههاي تيره را در يك روز آفتابي توضيح مي‌دهد. اگر كوهها زياد دور نباشند، تصويرشان آبي رنگ است. چون نور مسلط آبي بوسيله مولكولهاي ميان شما و كوهها منتشر مي‌شود، كوههاي تا حدي دور هم باز آبي است. ولي كوههايي كه در فاصله دوري قرار دارند سفيد هستند، درست همانگونه كه افق سفيد ديده مي‌شود. نور خور شيد در حال غروب در واقع نارنجي رنگ است (بين سرخ و زرد)، در حالي كه اگر در مسيرشان بسوي ما تنها از ميان مولكولهاي هوان مي‌گذشت، رنگش سرخ بود. دليل اينكه رنگ آن سرخ يك دست نيست، اين است كه نور نه تنها از ميان مولكولها ، بلكه از ميان ذرات ريز و افشانكهاي جو هم منتشر مي‌شود.
در هر موقع از روز وقتي در جهت خورشيد نگاه كنيد، بخشي از نور درخشان آن را دريافت مي‌كنيد كه از ميان همان ذرات ريز و افشانكها منتشر مي‌شود و از اينرو آن بخش از آسمان روشنتر از آن است كه در غياب ذرات مي‌توانست باشد. وقتي خورشيد در بالاي آسمان روشنتر از آن است كه در غياب ذرت مي‌توانست باشد. وقتي خورشيد در بالاي آسمان است، اطرافش سفيد روشن است. ولي وقتي پايينتر قرار دارد، هر چه غلظت ذرات بيشتر باشد، اطراف خورشيد در حال غروب درخشانتر و محيط آن مشخصتر است.
در جريان غروب آفتاب در هواي صاف ، سمت الرأس (آسمان درست در بالاي سر) آبي‌تر از هنگام روز مي‌شود. با توجه به اين كه افق نزديك خوشيد ممكن است سرخ باشد، اين افزايش رنگ آبي عجيب به نظر مي‌رسد. براي اين ‌آبي بودن چندين توضيح داده شده كه محتملترين آنها مربوط به لايه اوزون است. وقتي هنگام غروب نور خورشيد مسير اريب تري را از ميان لايه طي مي‌كند، جذب انتهاي سرخ طيف بوسبله اوزون ،‌موجب تسلط انتهاي آبي بر بامه نور مي‌شود. برخلاف انتشار ريلي كه بامه در طي مسير با آن روبرو مي شود.

● آسمان پس از غروب
درست پس از غروب خورشيد ، سايه زمين از افق خاور بالا مي شايد. مرز سايه ، سرخ يا ارغواني است. رنگ آن بستگي به نوري دارد كه بر اثر انتشار ريلي در مسير طولاني اش از لايه هاي پايين جو سرخ شده است. در نزديكي جايي كه لبه بالايي سايه را مي بينيد بخشي از نور در معرض انتشار ريلي قرار دارد و بسوي ما مي آيد. وقتي نور را دريافت ميكنيد، رنگ سرخ را در لبه بالا مشاهده مي كنيد. بخش بالايي سايه زير لبه ممكن است آبي كم رنگ باشد.
به احتمالي بامه آبي ناشي ار نور خورشيد است كه از ميان بخش بالايي و كم چگالتر جو مي‌گذرد، از آنجايي كه جزء آبي بامه ، به اندازه‌اي تضعيف نمي‌شود كه در عبور از بخشهاي پايين جو امكان آن وجود دارد، زيرا با مولكولهاي هواي بيشتري درگير بوده است. نزديك به ۱۰ دقيقه پس از آنكه خورشيد غرو ب مي‌كند، گه گاه لكه‌اي ارغواني بر فراز آن در جايي ميان ۳۰ و ۷۵ درجه از سمت الرأس پديد مي‌آيد. اين لكه كه اغلب نور ارغواني ناميده مي‌شود، به ظاهر ناشي از وجود لايه‌اي از ذرات در ارتفاع ۱۶ تا ۲۰ كيلومتري و در بخش زيرين لايه اوزون است.
اين ذرات ممكن است غبار بيابان يا ذرات خاكستر يك فوران آتشفشان يا آتش سوزي بزرگي در جنگل باشد. لكه ارغواني حاصل نور بسيار سرخ و بسيار آبي است كه از ناحيه‌هاي مختلف آسمان منتشر مي‌شود. اجزاي سرخ از نور خوشيد در حاشيه زمين است و از جو زمين مي‌گذرد كه انتشار ريلي نور را سرخ مي‌كند. بخشي از اين نور از لايه ذرات عبور كرده و به همين خاطر نور خيلي سرخ دريافت مي‌شود. اجزاي آبي از نور خورشيدي مي‌رسد كه از بخشهاي فوقاني جو مي‌تابد و از اينرو به آن اندازه سرخ نشده است.
بخشي از نور در معرض انتشار ريلي قرار مي‌گيرد و نور آبي بسوي شما فرستاده مي‌شود. وقتي به مسير نگاه مي‌كنيد، هر دو اجزاي نور سرخ و آبي در مسير خط ديد شما حركت مي‌كنند و تركيبشان احساس نور ارغواني را پديد مي‌آورد. دليل اينكه بخشهاي ديگر آسمان ارغواني نيست، اين است كه بجاي رنگ سرخ و آبي تنها تركيبهاي متفاوتي از ته رنگها را دريافت مي‌كنيم. وقتي بسوي آنها نگاه مي‌كنيم، ممكن است بسته به زاويه ديدمان اقسام ته رنگها را داشته باشند.
نور ارغواني ديگر ولي نادر كه در حوالي همان بخش نور اولي در آسمان ظاهر مي‌شود، اما يك و نيم تا دو ساعت پس از غروب آفتاب اتفاق مي‌افتد. احتمال مي‌رود اين نور نيز بوسيله همان لايه ذراتي بوجود مي‌آيد كه نور ارغواني اولي پديد آمد. اگر لايه گسترده باشد، بخشي از نور كه از لايه زير افق منتشر مي‌شود ، ممكن است دوباره از لايه مرئي منتشر شود. نور توليد شده بخوبي درخشان است و در آن صورت يك لكه ارغواني كمرنگ ديده مي‌شود.