دستاوردهای عظیم (۳۳): اثر رایلی؛ چرا آسمان آبی است؟

در یک روز آفتابی بدون ابر به رنگ آسمان آبی دیده می‌شود، چرا که مولکول‌های موجود در هوا نور آبی را بیشتر از نور قرمز پراکنده می‌کنند. آسمان هنگام غروب خورشید قرمز به نظر می‌رسد زیرا رنگ آبی پراکنده شده و دور از خط دید است.
نور سفید خورشید ترکیبی از تمام رنگ‌های رنگین‌کمان است. آیزاک نیوتون اولین کسی بود که با استفاده از منشور و جدا کردن رنگ‌‌های نور طیف رنگی را مشاهده کرد. رنگ‌های نور با طول موج‌های مختلف خود از هم تفکیک می‌شوند. طیف مرئی، از نور قرمز با طول موج حدود ۷۲۰ نانومتر، تا بنفش با طول موج حدود ۳۸۰ نانومترتشکیل شده است که رنگ‌های نارنجی، زرد، سبز، آبی و نیلی ما بین آن‌ها قرار دارند. سه نوع گیرنده‌ی مختلف شبکیه‌ی چشم انسان قویاً به رنگ‌های قرمز، آبی و سبز حساسیت دارند و دید رنگی را به وجود می‌آورند.

اثر تیندال و پراکندگی رایلی

گام اول برای توضیح صحیح رنگ آسمان توسط جان تیندال در سال ۱۸۵۹ برداشته شد. تیندال پی برد که وقتی نور از مایع شفاف حاوی ذرات کوچک معلق عبور می‌کند، طول موج‌های کوتاه آبی بیشتر از قرمز پراکنده می‌شوند. می‌توان با پرتو نور سفیدی که از مخزن آب مخلوط با شیر یا صابون عبور می‌کند، این اثر را نشان داد. اگر از کنار به این مخزن نگاه کنیم پراکندگی نور آبی را مشاهده می‌کنیم اما نور خروجی از مخزن بلافاصله در محل خروج قرمز دیده می‌شود. نور پراکنده نیز می‌تواند با استفاده از یک فیلتر نور پلاریزه قطبی شود، درست همانطور که آبی آسمان از پشت عینک‌های آفتابی پلاریزه عمیق‌تر به نظر می‌رسد.

مقاله مرتبط: عینک آفتابی خوب چه ویژگی‌هایی دارد؟

درست این است که این کشف را به تیندال نسبت دهیم اما اعتبار آن بیشتر به نام لرد رایلی است که چند سال بعد از تیندال، مطالعات دقیق‌تری روی این امواج انجام داد. او نشان داد که مقدار نور پراکنده‌شده با توان چهارم طول موج برای ذرات به اندازه‌ی کافی کوچک نسبت معکوس دارد ۱۰~= ۴(۷۰۰/۴۰۰). بنابراین ذرات کوچک طول موج‌های کوتاه را بسیار بیشتر از طول موج‌های بلند پراکنده می‌کنند بنابراین طول موج آبی حدود ۱۰ برابر بیشتر از رنگ قرمز پراکنده می‌شود.

گرد و غبار یا مولکول؟

به نظر رایلی و تیندال رنگ آبی آسمان به دلیل ذرات کوچک گرد و غبار و قطرات بخار آب موجود در اتمسفر بود. حتی امروزه نیز بعضی به اشتباه اینگونه فکر می‌کنند. دانشمندان بعداً متوجه شدند که اگر این موضوع درست بود، هنگام رطوبت و هوای شرجی باید تغییر رنگ بیشتر از آنچه شاهد هستیم می‌دیدیم. مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن موجود در هوا برای این پراکندگی کافی هستند. این پرونده در نهایت توسط انیشتین در سال ۱۹۱۱ حل شد، که فرمول دقیق پراکندگی نور از مولکول‌ها را محاسبه کرد؛ که با ازمایش‌های تجربی سازگار بود. مولکول‌ها قادر به پراکنده کردن نور هستند؛ چرا که میدان الکترومغناطیسی امواج نور باعث القای دو قطبی الکتریکی در مولکول‌ها می‌شوند.