چرا آسمان آبی است؟

آسمان آبی است چون مولکولهای نیتروژن و اکسیژن هوا نور خورشید را پراکنده میکنند و این پراکندگی برای رنگهای با طول موج کوتاه، یعنی آبی و بنفش، بسیار شدیدتر از رنگهای با طول موج بلند مثل قرمز و نارنجی است. به این پدیده «پراکندگی ریلی» میگویند.
شدت این پراکندگی با توان چهارم طول موج نسبت عکس دارد. در نتیجه نور آبی تقریباً شش برابر بیشتر از نور قرمز در آسمان پخش میشود و از هر سمت آسمان به چشم ما میرسد.
آسمان بنفش دیده نمیشود، چون نور خورشید بنفش کمتری دارد و چشم انسان هم به بنفش حساسیت کمتری دارد. برخلاف یک باور رایج، آبی آسمان بازتاب رنگ دریا نیست.
نور سفید خورشید از چه ساخته شده است
نور سفید خورشید مخلوطی از همه رنگهای طیف مرئی است. آیزاک نیوتن در قرن هفدهم با منشور نشان داد که این نور به رنگهای سرخ تا بنفش تجزیه میشود و ترکیب دوباره آنها نور سفید میسازد. رنگینکمان نمونه طبیعی همین تجزیه است.
نور یک موج الکترومغناطیسی است و هر رنگ با «طول موج» خود، یعنی فاصله میان دو قله پیاپی موج، مشخص میشود. طول موج نور مرئی تقریباً بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر است و هر نانومتر یک میلیاردم متر است.
بنفش در انتهای کوتاه این بازه و قرمز در انتهای بلند آن قرار دارد. هرچه طول موج کوتاهتر باشد، «بسامد» موج، یعنی تعداد نوسانها در هر ثانیه، بیشتر است. همین تفاوت بسامد، کلید آبی بودن آسمان است.
| رنگ | طول موج تقریبی (نانومتر) | شدت پراکندگی نسبت به قرمز |
|---|---|---|
| بنفش | ۴۰۰ | حدود ۹٫۴ برابر |
| آبی | ۴۵۰ | حدود ۵٫۹ برابر |
| سبز | ۵۳۰ | حدود ۳ برابر |
| زرد | ۵۸۰ | حدود ۲٫۱ برابر |
| نارنجی | ۶۲۰ | حدود ۱٫۶ برابر |
| قرمز | ۷۰۰ | ۱ (مبنای مقایسه) |
اعداد ستون سوم از خود قانون ریلی، یعنی نسبت توان چهارم طول موجها، محاسبه شدهاند. چون هر رنگ یک بازه از طول موجهاست، این اعداد تقریبیاند، اما الگو روشن است: با کوتاه شدن طول موج، پراکندگی بهسرعت زیاد میشود.
پراکندگی ریلی چطور کار میکند
«پراکندگی» یعنی نوری که در مسیری مستقیم حرکت میکند، با برخورد به ذرهای کوچک به جهتهای مختلف پخش شود. در پراکندگی، نور جذب و نابود نمیشود و فقط تغییر جهت میدهد. مولکولهای نیتروژن و اکسیژن، که حدود ۹۹ درصد هوای خشکاند، نور مرئی را تقریباً جذب نمیکنند و فقط پراکندهاش میکنند.
این مولکولها بسیار کوچکتر از طول موج نورند. اندازه یک مولکول نیتروژن در حد سهدهم نانومتر است، یعنی بیش از هزار بار کوچکتر از طول موج نور مرئی.
پراکندگی نور بهوسیله ذرههایی که بسیار کوچکتر از طول موج باشند، «پراکندگی ریلی» نام دارد. این نام از لرد ریلی، فیزیکدان انگلیسی، گرفته شده که در سال ۱۸۷۱ قانون آن را به دست آورد. سازوکار آن را میتوان در چند مرحله خلاصه کرد:
- نور به مولکول میرسد. نور موجی از میدان الکتریکی و مغناطیسی است که با سرعت زیاد نوسان میکند.
- الکترونهای مولکول به نوسان درمیآیند. میدان الکتریکی نور، ابر الکترونی مولکول را به عقب و جلو میکشد. مولکول در این حالت مثل آنتنی بسیار کوچک رفتار میکند که با بسامد همان نور میلرزد.
- مولکول لرزان، نور تازه تابش میکند. هر بار الکتریکیِ در حال نوسان، موج الکترومغناطیسی تابش میکند. این نور دیگر فقط در مسیر پرتو اصلی نیست و به جهتهای مختلف پخش میشود.
- نوسان سریعتر، تابش بسیار قویتر. توان تابشی یک آنتن کوچک با توان چهارم بسامد نوسان آن زیاد میشود. نور آبی بسامد بیشتری از قرمز دارد، پس الکترونها را سریعتر میلرزاند و مولکول آبی را بسیار قویتر از قرمز به اطراف پخش میکند.
- آسمان از نور پراکنده روشن میشود. وقتی به بخشی از آسمان نگاه میکنیم که خورشید در آن نیست، همین نور پراکندهشده را میبینیم. چون این نور سهم زیادی از آبی دارد، آسمان آبی دیده میشود.
یک تشبیه ساده: موجهای کوتاه دریا قایقی کوچک را تند و پیاپی تکان میدهند، اما موجهای بلند فقط آن را آرام بالا و پایین میبرند. مولکول هوا هم در برابر نور آبی، که نوسان تندتری دارد، شدیدتر میلرزد و نور بیشتری به اطراف میفرستد.
یک نکته ظریفتر هم هست. اگر مولکولهای هوا کاملاً منظم کنار هم بودند، نورهای پراکنده از آنها در بیشتر جهتها یکدیگر را خنثی میکردند. آنچه پراکندگی را ممکن میکند، حرکت تصادفی مولکولها و نوسانهای کوچک چگالی هواست.
اسمولوخوفسکی در سال ۱۹۰۸ و اینشتین در سال ۱۹۱۰ این جنبه را توضیح دادند و نتیجه با قانون ریلی سازگار بود.
سهم نور آبی در هر بخش از آسمان
نور خورشید در مسیرش از جو مدام با مولکولهای هوا برخورد میکند و هر بار بخشی از آبیِ آن به اطراف پخش میشود. به این ترتیب کل جو به منبع نوری ملایم تبدیل میشود که از همه جهتها به ما میرسد. به همین دلیل، در روز حتی سایه هم روشن است.
رنگ آسمان همه جا یکسان نیست. بالای سر، جایی که نور مسیر کوتاهتری در جو طی کرده، آبی پررنگتر است. نزدیک افق، آسمان کمرنگتر و سفیدتر است، چون نوری که از آنجا میرسد از لایه بسیار ضخیمتری از هوا گذشته و بارها پراکنده شده است.
در این پراکندگیهای پیاپی، خود نور آبی هم از مسیر خارج میشود و رنگهای دیگر سهم بیشتری پیدا میکنند. حاصل، مخلوطی نزدیک به سفید است.
چرا آسمان بنفش دیده نمیشود
طبق جدول بالا، نور بنفش حتی بیشتر از آبی پراکنده میشود، پس انتظار طبیعی آسمانی بنفش است. سه عامل این انتظار را تغییر میدهند:
- نور خورشید بنفش کمتری دارد. طیف نور خورشید یکنواخت نیست و در ناحیه بنفش انرژی کمتری نسبت به آبی و سبز دارد. بخشی از نور با طول موج کوتاه هم در لایههای بالایی جو جذب میشود.
- چشم انسان به بنفش کمحساس است. حساسیت چشم در انتهای طیف مرئی کاهش پیدا میکند و بنفش روشنایی کمتری در ذهن ما ایجاد میکند.
- مغز، مخلوط رنگها را تفسیر میکند. نور آسمان مخلوطی از همه رنگهاست با سهم بیشتر رنگهای کوتاه. شبکیه سه نوع گیرنده رنگ یا «سلول مخروطی» دارد که بهترتیب به نور کوتاه، متوسط و بلند حساسترند. پاسخ این سه گیرنده به نور آسمان، در مغز به رنگی تعبیر میشود که آن را «آبی آسمانی» مینامیم.
بنابراین آبی آسمان هم نتیجه فیزیک نور است و هم نتیجه ساختار چشم و مغز انسان. جانوری با گیرندههای رنگی متفاوت، ممکن است همین نور را متفاوت درک کند.
چرا غروب و طلوع نارنجی و قرمز است
هنگام طلوع و غروب، خورشید نزدیک افق است و نورش پیش از رسیدن به ما مسیر بسیار طولانیتری در جو طی میکند. وقتی خورشید درست روی افق است، نور آن از لایهای از هوا میگذرد که حدود ۳۸ برابر ضخیمتر از لایه هوای بالای سر است.
در این مسیر طولانی، بیشتر نور آبی و بنفش به اطراف پراکنده میشود و از پرتو مستقیم بیرون میرود. آنچه در پرتو مستقیم باقی میماند، بیشتر زرد، نارنجی و قرمز است.
پس سرخی غروب و آبی آسمان روز دو روی یک سکهاند: همان پراکندگی که در روز آبی را به کل آسمان میپاشد، در غروب آن را از مسیر خورشید حذف میکند.
ذرههای معلق در هوا مثل گردوغبار، دود، نمک دریا و خاکستر آتشفشان، رنگ غروب را تغییر میدهند. در برخی شرایط غروب را پررنگتر و سرختر میکنند و در شرایط دیگر، بهویژه در هوای بسیار آلوده یا غبارآلود، آن را کدر و بیرنگتر.
پس از فورانهای بزرگ آتشفشانی، مثل فوران کراکاتوا در سال ۱۸۸۳ و پیناتوبو در سال ۱۹۹۱، غروبهای غیرمعمول و پررنگ در نقاط مختلف جهان گزارش شد، چون ذرههای ریز آتشفشانی تا لایههای بالایی جو رفته بودند.
نکتهای که کمتر گفته میشود: هنگام غروب، رو به افق شرقی هم نگاه کنید. در آسمان صاف، درست بالای افق نواری آبیخاکستری و تیره دیده میشود که سایه خود زمین روی جو است.
بالای این سایه، نواری صورتی به نام «کمربند ونوس» در ارتفاع حدود ۱۰ تا ۲۰ درجه از افق دیده میشود. رنگ آن از نور سرخ غروب است که جو به سمت ما برمیگرداند. پیش از طلوع، همین منظره در افق غربی پیداست.

آبی پس از غروب و نقش ازن
کمی پس از غروب، آسمان بالای سر هنوز آبی عمیقی دارد که گاهی «ساعت آبی» نامیده میشود. نور این زمان مسیر بلندی در جو بالایی طی کرده و اگر فقط پراکندگی ریلی در کار بود، آسمان باید کمرنگ و متمایل به زرد یا خاکستری میشد.
ادوارد هولبرت، فیزیکدان آمریکایی، در سال ۱۹۵۳ نشان داد که لایه ازن بخشی از نور نارنجی و قرمز را جذب میکند و همین، آسمان گرگومیش را آبی نگه میدارد. پس رنگ آسمان همیشه حاصل یک پدیده تنها نیست.
چرا ابرها سفید و خاکستریاند
ابرها از قطرههای ریز آب یا بلورهای یخ ساخته شدهاند. اندازه قطرههای ابر معمولاً در حد چند تا چند ده میکرومتر است، یعنی دهها برابر بزرگتر از طول موج نور مرئی.
وقتی ذرهها هماندازه طول موج یا بزرگتر از آن باشند، پراکندگی دیگر از قانون ریلی پیروی نمیکند و تقریباً به طول موج بستگی ندارد. به این نوع پراکندگی «پراکندگی مای» (Mie) میگویند که نام گوستاو مای، فیزیکدان آلمانی، را بر خود دارد.
چون قطرههای ابر همه رنگها را تقریباً به یک اندازه پراکنده میکنند، نور پراکنده از ابر همان ترکیب نور خورشید را دارد و سفید دیده میشود.
ابرهای ضخیم و بارانزا از پایین خاکستری دیده میشوند. بخش زیادی از نور در لایه ضخیم ابر پس از پراکندگیهای پیاپی به سمت بالا برمیگردد و نور کمتری از پایین آن بیرون میآید.
| نوع پراکندگی | اندازه ذره نسبت به طول موج | وابستگی به رنگ | نمونه در طبیعت |
|---|---|---|---|
| پراکندگی ریلی | بسیار کوچکتر (مولکولهای گاز) | بسیار زیاد؛ رنگهای کوتاه بهمراتب بیشتر پراکنده میشوند | آبی آسمان، سرخی غروب، آبی دیده شدن کوههای دور |
| پراکندگی مای | هماندازه یا چند ده برابر بزرگتر (قطرههای ابر، مه، ذرههای آلودگی) | کم؛ همه رنگها تقریباً یکسان پراکنده میشوند | سفیدی ابر و مه، سفید یا شیری شدن آسمان در هوای آلوده |
| بازتاب و شکست هندسی | بسیار بزرگتر (قطرههای باران) | به زاویه و جنس ذره بستگی دارد | رنگینکمان |
بیشتر بخوانید: چرا یخ روی آب شناور میماند؟
رنگ آسمان در شرایط مختلف
با این دو نوع پراکندگی، بیشتر تفاوتهای روزمره در رنگ آسمان توضیح داده میشود:
| وضعیت | رنگ آسمان | توضیح |
|---|---|---|
| روز صاف، هوای پاک | آبی پررنگ، بهویژه بالای سر | پراکندگی ریلی بهوسیله مولکولهای هوا غالب است |
| هوای آلوده یا غبارآلود | آبی کمرنگ، شیری یا خاکستری | ذرههای درشتتر همه رنگها را پراکنده میکنند و آبی را کمرنگ میکنند |
| نزدیک افق | روشن و متمایل به سفید | مسیر طولانی و پراکندگیهای پیاپی، رنگها را با هم مخلوط میکند |
| ارتفاع زیاد، مثلاً کوهستان بلند یا هواپیما | آبی تیرهتر | هوای کمتری بالای سر وجود دارد و نور پراکنده کمتری به چشم میرسد |
| طلوع و غروب | زرد، نارنجی و قرمز نزدیک خورشید | آبی در مسیر طولانی از پرتو مستقیم حذف شده است |
| گرگومیش پس از غروب | آبی عمیق بالای سر | جذب نور قرمز و نارنجی بهوسیله ازن در کنار پراکندگی ریلی |
| فضا یا سطح ماه | سیاه، حتی در روز | جوی وجود ندارد که نور را پراکنده کند |
درباره ارتفاع، تقریباً نیمی از جرم جو زمین زیر ارتفاع حدود ۵٫۵ کیلومتر است. هواپیماهای مسافربری در ارتفاع حدود ۱۰ تا ۱۲ کیلومتر پرواز میکنند و بیشتر هوای جو زیر آنهاست. به همین دلیل آسمان بالای هواپیما آبی تیرهتری دارد.
این تفاوت از قرن هجدهم با عدد ثبت شده است. اوراس-بندیکت دو سوسور، طبیعیدان سوئیسی، در صعود سال ۱۷۸۷ به قله مونبلان با «سیانومتر»، یعنی کارتهایی در درجههای مختلف آبی، رنگ آسمان را سنجید. آسمان قله در همان ساعت بسیار تیرهتر از آسمان ژنو بود.
کوههای دور هم به همین دلیل آبی دیده میشوند: هوای میان ما و کوه، نور آبی را به سمت چشم ما پراکنده میکند. نقاشان به این پدیده «پرسپکتیو هوایی» میگویند.
لئوناردو داوینچی همین را در یادداشتهایش ثبت کرده بود. او حدس زد که آبی رنگ خود هوا نیست و از ذرههای ریزِ روشنشده در برابر تاریکی پشت جو میآید. ذرههای مورد نظر او رطوبت بودند، نه مولکولهای هوا، اما استدلالش حدود سه و نیم قرن پیش از ریلی در مسیر درست بود.
باورهای نادرست درباره رنگ آسمان
چند توضیح نادرست و رایج درباره آبی آسمان:
- «آسمان آبی است چون رنگ دریا را بازتاب میدهد.» این درست نیست. آسمان بالای بیابانها و مناطق دور از دریا هم آبی است. رابطه در واقع برعکس است: آبی دریا تا حدی بازتاب آسمان است و تا حدی نتیجه جذب نور قرمز بهوسیله خود آب، که در لایههای ضخیم رنگ آبی ملایمی میسازد.
- «آبی آسمان به دلیل گردوغبار است.» جان تیندال، فیزیکدان ایرلندی، در دهه ۱۸۶۰ نشان داد که ذرههای بسیار ریز معلق نور آبی را بیشتر پراکنده میکنند و ابتدا همین ذرهها عامل آبی آسمان دانسته شدند. بعدها لرد ریلی نشان داد که خود مولکولهای هوا برای ایجاد این رنگ کافیاند. امروز میدانیم که گردوغبار و ذرههای درشتتر معمولاً آسمان را کمرنگتر و سفیدتر میکنند، نه آبیتر.
- «هوا خودش آبیرنگ است و نور قرمز را جذب میکند.» نیتروژن و اکسیژن در محدوده نور مرئی تقریباً جذبی ندارند. رنگ آسمان از پراکندگی میآید، نه از جذب. اگر هوا واقعاً رنگی بود، اجسام نزدیک را هم با تهرنگ آبی میدیدیم.
- «خورشید زرد است.» نور خورشید در فضا عملاً سفید است. از روی زمین کمی زرد به نظر میرسد، چون بخشی از آبیِ آن در جو پراکنده شده است. در عکسهایی که فضانوردان از بیرون جو گرفتهاند، خورشید سفید دیده میشود.
یک آزمایش ساده در خانه
میتوان نسخه سادهای از آبی آسمان و سرخی غروب را با وسایل خانه دید. این آزمایش دقیقاً پراکندگی ریلی نیست، چون ذرههای شیر از مولکولهای هوا بسیار بزرگترند.
با این حال اصل مهم را نشان میدهد: ذرههای ریز نور آبی را بیشتر پراکنده میکنند و نور عبوری را متمایل به نارنجی میکنند.
- یک ظرف شیشهای شفاف و بلند، مثل پارچ یا گلدان صاف، را از آب پر کنید.
- چند قطره شیر به آب اضافه کنید و هم بزنید. آب باید فقط کمی کدر شود، نه سفید. اگر زیاد شیر بریزید، نتیجه دیده نمیشود.
- اتاق را تاریک کنید و نور یک چراغقوه سفید را از یک طرف به ظرف بتابانید.
- از کنار ظرف، یعنی عمود بر مسیر نور، نگاه کنید. آب به رنگ آبی کمرنگ دیده میشود. این همان نور پراکنده است و شبیه آسمان روز است.
- حالا از طرف مقابل چراغقوه و در امتداد پرتو به نور نگاه کنید. نور عبوری زرد یا نارنجی به نظر میرسد. این همان حالت غروب است.
- چند قطره شیر دیگر اضافه کنید. نور عبوری نارنجیتر میشود، مثل نور خورشید که از لایه ضخیمتری از جو میگذرد.
این آزمایش به «اثر تیندال» معروف است و نشان میدهد که آبی آسمان و سرخی غروب از یک سازوکار مشترک میآیند.
بیشتر بخوانید: چرا ماه همیشه یک رویش را به ما نشان میدهد؟
قطبش نور آسمان
نور پراکنده آسمان تا حدی «قطبیده» است، یعنی میدان الکتریکی آن بیشتر در یک جهت خاص نوسان میکند. این قطبش در نواری از آسمان که با خورشید زاویهای نزدیک به ۹۰ درجه دارد بیشترین مقدار را دارد، چون مولکولِ لرزان مثل آنتنی کوچک در راستای نوسان خودش تابش نمیکند.
این اثر را با یک عینک آفتابی پلاریزه میشود دید. وقتی خورشید نزدیک افق است، به آسمان بالای سر نگاه کنید و سرتان را آرام به چپ و راست کج کنید. در یک زاویه، آسمان بهوضوح تیرهتر میشود. در این آزمایش هرگز مستقیم به خورشید نگاه نکنید.
عکاسان با فیلتر قطبنده (پلاریزه) بخشی از این نور را حذف میکنند تا آسمان در عکس آبیتر و تیرهتر شود. زنبور عسل هم الگوی قطبش آسمان را حس میکند و حتی وقتی خورشید پشت ابر است، از آن برای جهتیابی کمک میگیرد.
بیشتر بخوانید: زنبورها چطور به هم خبر میدهند گل کجاست؟
سوالات متداول
آسمان مریخ چه رنگی است؟
جو مریخ بسیار رقیق است و رنگ آسمان آن را بیشتر گردوغبار ریز و غنی از اکسید آهن تعیین میکند، نه مولکولهای گاز. به همین دلیل، آسمان روز مریخ در تصویرهای کاوشگرها قهوهای روشن یا کرم مایل به صورتی است.
در مقابل، غروب مریخ در اطراف خورشید آبیرنگ است، چون ذرههای غبار آن نور آبی را بیشتر در جهت نزدیک به پرتو خورشید پراکنده میکنند. کاوشگرهایی مانند اسپیریت و کیوریاسیتی از این غروبها عکس گرفتهاند.
چرا آسمان از فضا و روی ماه سیاه است؟
آسمان فقط وقتی روشن است که جوی نور خورشید را به جهتهای مختلف پخش کند. در فضا و روی ماه جو قابل توجهی نیست و نور فقط در مسیر مستقیم خود میرود، پس از جهتهای دیگر نوری به چشم نمیرسد. برای همین، فضانوردان روی ماه حتی در روز آسمانی سیاه میدیدند.
چرا آسمان در شهرهای آلوده سفید یا خاکستری است؟
در هوای آلوده، ذرههای معلق مانند دوده و گردوغبار فراواناند. بسیاری از آنها هماندازه طول موج نور یا بزرگترند و همه رنگها را تقریباً یکسان پراکنده میکنند. این پراکندگی سفید با آبیِ ناشی از مولکولهای هوا مخلوط میشود و آسمان را کمرنگ، شیری یا خاکستری میکند.
در تهران این اثر در زمستان شدیدتر است. در «وارونگی دما»، هوای سرد زیر لایهای گرمتر میماند و رشتهکوه البرز هم جابهجایی هوا را محدود میکند، پس ذرهها نزدیک زمین جمع میشوند. یک محک ساده، دیده شدن کوههای شمال شهر است: هرچه کوهها محوتر باشند، ذرههای معلق بیشتری در هواست.
در توفانهای گردوغبار خوزستان هم ذرههای درشت آسمان را زرد و کدر میکنند. پس از باران یا وزش باد که ذرهها را از هوا میزداید، آسمان دوباره آبی پررنگتری پیدا میکند.
آیا رنگ دریا از رنگ آسمان میآید؟
تا حدی بله. سطح آب مثل آینهای نسبی بخشی از نور آسمان را بازتاب میدهد، به همین دلیل دریا در روز ابری خاکستریتر دیده میشود. اما خود آب هم نور قرمز را بسیار بیشتر از آبی جذب میکند و در عمق زیاد، حتی بدون بازتاب آسمان، آبی به نظر میرسد.
رنگ دریا در هر منطقه به ذرههای معلق، جلبکها و عمق آب هم بستگی دارد و ممکن است سبز یا فیروزهای باشد.
جمعبندی
آسمان آبی است چون مولکولهای هوا، طبق قانون پراکندگی ریلی، نور آبی را حدود شش برابر بیشتر از قرمز پخش میکنند. بنفش هم به دلیل طیف خورشید و حساسیت کم چشم دیده نمیشود.
همین سازوکار سرخی غروب و کمرنگی افق را توضیح میدهد. ابرها و هوای آلوده به دلیل پراکندگی مای سفید یا شیریاند. آبی آسمان بازتاب دریا یا اثر گردوغبار نیست، بلکه نتیجه برهمکنش نور با خود مولکولهای هواست.


