مقدمة
إنه أحد أوائل الأسئلة التي يطرحها كثير من الأطفال، وأحد الأسئلة التي قد يعجز عن الإجابة عنها كثير من الكبار بشكل كامل: لماذا السماء زرقاء؟ تتضمن الإجابة ضوء الشمس، وفيزياء موجات الضوء، والطريقة المحددة التي تُشتّت بها جزيئات غلافنا الجوي ألوان الضوء المختلفة بشكل غير متساوٍ.
يبدو ضوء الشمس أبيض أو أصفر باهتاً لنا، لكنه في الواقع يحتوي على كل ألوان الطيف المرئي ممزوجة معاً، كما يكشف المنشور أو قوس قزح. ويأتي لون السماء الأزرق بالكامل من كيفية تفاعل غلافنا الجوي مع ذلك الضوء الممزوج في طريقه إلى عينيك.
تشتت رايلي: الآلية الحقيقية
عندما يدخل ضوء الشمس الغلاف الجوي للأرض، يصطدم بجزيئات غازية صغيرة جداً، معظمها نيتروجين وأكسجين، أصغر بكثير من طول موجة الضوء المرئي. ويسبب هذا ظاهرة تُسمى تشتت رايلي، نسبة إلى الفيزيائي اللورد رايلي في القرن التاسع عشر، حيث يتشتت الضوء في جميع الاتجاهات بواسطة هذه الجزيئات الصغيرة.
والأهم من ذلك، أن تشتت رايلي أكثر فعالية بكثير في تشتيت الأطوال الموجية القصيرة من الضوء مقارنة بالأطوال الطويلة — رياضياً، شدة التشتت تتناسب عكسياً مع القوة الرابعة لطول الموجة. وللضوء الأزرق والبنفسجي أطوال موجية أقصر بكثير من الأحمر والبرتقالي، لذا يتشتتان بشدة أكبر بنحو عشر مرات عبر السماء.
لماذا ليست السماء بنفسجية إذن؟
وهنا يصبح الأمر مثيراً للاهتمام: للضوء البنفسجي في الواقع طول موجي أقصر حتى من الأزرق، ووفق فيزياء تشتت رايلي البحتة، يجب أن يتشتت أكثر من الأزرق. فلماذا لا نرى سماء بنفسجية؟ تتضافر عدة عوامل لتفسير ذلك.
أولاً، يحتوي ضوء الشمس أصلاً على ضوء بنفسجي أقل من الأزرق. وثانياً، والأهم، تحتوي العين البشرية على ثلاثة أنواع من الخلايا المخروطية الحساسة للألوان، وخلايانا المخروطية أكثر حساسية بكثير للأطوال الموجية الزرقاء منها للبنفسجية، لذا رغم تشتت بعض الضوء البنفسجي، تُدرك عيوننا المزيج الكلي على أنه أزرق وليس بنفسجياً.
لماذا يتحول الغروب إلى الأحمر والبرتقالي
عند شروق الشمس وغروبها، يضطر ضوء الشمس للسفر عبر مسار أطول بكثير من الغلاف الجوي ليصل إلى عينيك، إذ تكون الشمس منخفضة عند الأفق بدلاً من كونها فوق الرأس مباشرة. ويعني هذا المسار الأطول أن معظم الضوء الأزرق والبنفسجي يتشتت بعيداً قبل وصوله إليك، تاركاً معظمه من الضوء ذي الطول الموجي الأطول كالأحمر والبرتقالي والأصفر ليمر مباشرة، وهذا سبب ظهور الغروب بألوان دافئة.
ويمكن للغبار والتلوث وبخار الماء في الغلاف الجوي أن يعزز هذا التأثير أكثر، فيشتت مزيداً من الأطوال الموجية القصيرة المتبقية، منتجاً غروباً أحمر أو برتقالياً زاهياً وعميقاً بشكل خاص، خصوصاً بعد الثورات البركانية أو في مناطق ذات جسيمات جوية أكثر.
لماذا تختلف ألوان سماء الكواكب الأخرى
يفسر تشتت رايلي لماذا يتفاوت لون السماء بشكل كبير عبر النظام الشمسي بناءً على تركيبة الغلاف الجوي. فلدى المريخ غلاف جوي رقيق يحتوي على غبار كبير، يشتت الضوء بشكل مختلف عن مزيج النيتروجين والأكسجين على الأرض، منتجاً السماء المائلة إلى الاحمرار والبني التي التقطتها صور المركبات الجوالة، بدلاً من سماء زرقاء.
وتُستخدم هذه الفيزياء الأساسية ذاتها — إذ يعتمد التشتت على طول الموجة وعلى تركيبة وكثافة الغلاف الجوي الذي يمر عبره الضوء معاً — من قبل علماء الفلك للمساعدة في تحديد خصائص أغلفة الكواكب الخارجية البعيدة سنوات ضوئية، بناءً على كيفية تشتت ضوء النجوم أثناء مروره عبرها.
المصادر
- موسوعة بريتانيكا — شرح فيزياء تشتت رايلي
- وكالة ناسا — مرجع حول تشتت الضوء الجوي وألوان سماء الكواكب
- متاحف غرينتش الملكية — شرح علمي عام لسبب زرقة السماء
الأسئلة الشائعة
ما الاسم العلمي لسبب زرقة السماء؟
تُسمى الظاهرة تشتت رايلي، نسبة إلى الفيزيائي اللورد رايلي، حيث تُشتّت الجزيئات الجوية الصغيرة الأطوال الموجية القصيرة كالأزرق بشدة أكبر بكثير من الأطوال الطويلة كالأحمر.
إذا كان الضوء البنفسجي يتشتت أكثر من الأزرق، فلماذا ليست السماء بنفسجية؟
يحتوي ضوء الشمس أصلاً على ضوء بنفسجي أقل من الأزرق، كما أن الخلايا المخروطية الحساسة للألوان في العين البشرية أكثر حساسية بكثير للأطوال الموجية الزرقاء منها للبنفسجية، لذا ندرك الضوء المتشتت ككل على أنه أزرق.
لماذا يبدو الغروب أحمر وبرتقالياً بدلاً من أزرق؟
عند الشروق والغروب، يسافر ضوء الشمس عبر مسار أطول بكثير من الغلاف الجوي، فيتشتت معظم الضوء الأزرق والبنفسجي قبل وصوله إليك، تاركاً معظمه من الضوء الأحمر والبرتقالي والأصفر ليمر مباشرة.
لماذا سماء المريخ لون مختلف عن سماء الأرض؟
لدى المريخ غلاف جوي رقيق يحتوي على غبار كبير، يشتت الضوء بشكل مختلف عن الغلاف الجوي النيتروجيني الأكسجيني للأرض، منتجاً سماء مائلة للاحمرار والبني بدلاً من الزرقة.
هل يؤثر التلوث على لون السماء؟
نعم، يمكن للغبار والتلوث وبخار الماء أن يعزز تشتت الأطوال الموجية القصيرة المتبقية، منتجاً غالباً غروباً أحمر أو برتقالياً زاهياً وعميقاً بشكل خاص، خصوصاً بعد الثورات البركانية.
عن الكاتب
فريق تحرير doyouknow.app — نستند إلى مصادر الفيزياء والفلك لشرح الظواهر الطبيعية اليومية من خلال علمها الحقيقي الكامن.
هل أعجبك المقال؟
شارك عبر واتساب → شارك عبر واتساب
احصل على المزيد من الأدلة في بريدك — اشترك في نشرتنا البريدية للحصول على قصص أسبوعية مثيرة للاهتمام من مصر والسعودية ودبي وأكثر.