چرا آسمان آبی است؟

مجله علمی ایلیاد - «آنتونی دل‌جینیو» از موسسه‌ی گدارد ناسا و همچنین دانشگاه کلمبیا، دلیل آبی بودن آسمان را اینگونه توضیح داده است:
برای درک دلیل آبی بودن آسمان باید ماهیت نور خورشید و نحوه‌ی برهمکنش آن با مولکول‌های گازی سازنده‌ی اتمسفر زمین را بشناسید. نور خورشید به چشم انسان سفید به‌نظر می‌رسد، ولی در واقع ترکیبی از همه‌ی رنگ‌های رنگین‌کمان است. نور خورشید را می‌توان موج الکترومغناطیسی به حساب آورد که می‌تواند باعث شود ذرات باردار موجود در اتمسفر شامل پروتون‌ها و الکترون‌ها، نوسان کنند. زمانی که این اتفاق رخ می‌دهد، بارهای در حال نوسان، تشعشعات الکترومغناطیسی تولید می‌کنند که فرکانس این تشعشعات، مشابه نور خورشید ورودی است؛ ولی جهت آن‌ها در همه‌ی جهات است. این تغییر مسیر نور ورودی توسط مولکول‌های هوا را پراکندگی می‌گویند.

 

بخش آبی طیف نور مرئی دارای طول‌موج کوتاه‌تر و فرکانس بالاتری به نسبت بخش قرمز آن است. بنابراین زمانی که نور خورشید که دارای همه‌ی رنگ‌ها است از هوا عبور می‌کند، بخش آبی آن باعث می‌شود ذرات باردار سریع‌تر نوسان کنند. هر چقدر نوسان ذرات باردار سریع‌تر باشد، نور پراکنده شده‌ی بیشتری نیز تولید می‌شود و بنابراین رنگ آبی قوی‌تر از رنگ قرمز پراکنده می‌شود.

برای ذراتی مانند مولکول‌های هوا که اندازه‌ی آن‌ها خیلی کمتر از طول موج‌های نور مرئی است، تفاوت به‌وجود آمده، بسیار بیشتر به‌نظر می‌آید. شتاب ذرات باردار با مجذور فرکانس نسبت مستقیم دارد و شدت نور پراکنده شده نیز با مجذور شتاب فوق، نسبت مستقیم دارد. بنابراین شدت نور پراکنده شده با توان چهارم فرکانس، نسبت مستقیم دارد. با این حساب می‌توان نتیجه گرفت که نور آبی ۱۰ برابر بیش از نور قرمز در هوا پراکنده می‌شود.

زمانی که ما به نقطه‌ای در آسمان و دور از خورشید می‌نگریم، تنها نورهایی که توسط هوا جهت‌دهی مجدد شده‌اند و جلوی دید ما قرار گرفته‌اند را مشاهده می‌کنیم. از آنجا که شدت پراکندگی برای نور آبی بیش از نور قرمز است، آسمان آبی به نظر می‌رسد.

نور بنفش به مقدار کمی قوی‌تر از نور آبی پراکنده می‌شود، ولی بیشتر نور خورشیدی که وارد اتمسفر می‌شود، آبی است و قسمت بنفش آن کمتر است و به همین دلیل چشم ما نسبت به نور آبی حساس‌تر از نور بنفش است و بنابراین آسمان بنفش به‌نظر نمی‌آید.

زمانی که خورشید در حال غروب است، عکس اتفاق شرح داده شده در بالا رخ می‌دهد و ما فقط نورهایی را می‌بینیم که توسط هوا به دیگر جهات پراکنده نشده‌اند. طول موج قرمز نور خورشید که از هوا عبور کرده و بدون پراکندگی به چشم ما می‌رسد، بیشتر است و همچنین فاصله‌ی زیادی که نور در زمان غروب خورشید طی می‌کند نیز باعث می‌شود که نورهای مستقیم بیشتر به نظر آیند و در واقع غروب را قرمز می‌بینیم. زمانی که هوا آلوده باشد، ذرات ریز سولفات، کربن آلی و گردوخاک‌ها نیز پراکندگی نور آبی را تشدید می‌کنند و باعث می‌شوند غروب مناطق دارای هوای آلوده دیدنی‌تر شود.

ابرها نیز از ذرات آب درست شده‌اند که اندازه‌ی آن‌ها خیلی بزرگ‌تر از طول موج نور مرئی است. نحوه‌ی پراکنده شدن نور خورشید توسط این ذرات با نحوه‌ی انعکاس و پخش نور در ذرات آب درون ابر تعیین می‌شود. برای این ذرات، تفاوت بین پراکندگی نور آبی و قرمز خیلی زیاد نیست. بنابراین چشم ما نورهای پراکنده شده توسط آن‌ها را در همه‌ی طول‌موج‌های مرئی می بیند و به همین دلیل، ابرها معمولاً سفید به نظر می‌رسند و آبی نیستند. این حالت زمانی بیشتر به نظر می‌آید که پس‌زمینه‌ی ابرها یک آسمان آبی باشد.

از آنجا که پراکندگی نور توسط اتمسفر باعث می‌شود آسمان آبی دیده شود، در سیاره‌ای که اتمسفر نداشته باشد نمی‌توان آسمان شفاف و روشنی دید. به‌عنوان مثال عکس‌هایی که فضانوردان فضاپیمای آپولو بر روی ماه تهیه کرده‌اند، دارای آسمان تیره است در حالی که نور خورشید را نیز می‌توان در عکس مشاهده کرد.