למה השמיים בצבע כחול?
למה השמיים בצבע כחול הסבר לילדים ולמבוגרים – שמים בהירים ללא עננים נראים לנו בצבע כחול, זה נובע בגלל שהמולקולות באוויר מפזרות אור כחול מהשמש יותר משהן מפזרות אור אדום. כאשר אנו מביטים לעבר השמש בשעת השקיעה, אנו רואים צבעים אדומים וכתומים משום שהאור הכחול מפוזר לגובה ולא נמצא בקו הראייה שלנו.
האור הלבן מן השמש הוא תערובת של כל צבעי הקשת. זה הוכח על ידי אייזיק ניוטון, שהשתמש במנסרה כדי להפריד בין הצבעים השונים וכך ליצור קשת. הצבעים של האור נבדלים באורכי הגל השונים שלהם. החלק הגלוי של הספקטרום נע בין אור אדום עם אורך גל של כ 720 ננומטר, עד האור סגול עם אורך גל של כ 380 ננומטר, עם כתום, צהוב, ירוק, כחול ואינדיגו ביניהם. שלושת הסוגים השונים של קולטני הצבע ברשתית העין האנושית מגיבים בצורה חזקה ביותר לאורכי גל אדומים, ירוקים וכחולים, ומספקים לנו את ראיית הצבע שלנו.
אפקט Tyndall
הצעדים הראשונים לקראת ההסבר הנכון של צבע השמים בוצעו על ידי ג'ון טיינדול בשנת 1859. הוא גילה שכאשר האור עובר דרך נוזל שקוף שיש בו חלקיקים קטנים בתרחיף, אורכי גל כחולים קצרים מפוזרים יותר מאשר אורכי הגל האדום. זה יכול להיות מודגם על ידי הקרנה של קרן אור לבנה דרך כוס של מים עם מעט חלב או סבון מעורבב. מהצד, ניתן לראות את האור הכחול הוא המתפזר; אבל האור שנצפה ישירות מהקצה של הכוס (רואים בחלק העליון ליד השפה) מאדים לאחר שעבר את הנוזל. את האור המפוזר ניתן גם לראות באמצעות מסנן של אור מקוטב, בדיוק כמו שהשמים נראים בכחול עמוק יותר דרך משקפי שמש מקטבים.
אבק או מולקולות? האם הם משפיעים על צבע השמיים?
טינדל חשב שהצבע הכחול של השמים חייב להיות בגלל חלקיקים קטנים של אבק וטיפות של אדי מים באטמוספירה. גם היום, אנשים לפעמים חושבים בצורה לא נכונה שזה המצב. מאוחר יותר המדענים הבינו שאם זה היה נכון, יהיו יותר וריאציות של צבעי השמים עם לחות או תנאי ערפל שונים מאשר שנצפה בפועל, ולכן הם הניחו נכונה כי מולקולות של חמצן וחנקן באוויר מספיקות כדי להסביר את פיזור.
המקרה הוסדר לבסוף על ידי איינשטיין בשנת 1911, שחישב את הנוסחה המפורטת לפיזור האור מהמולקולות; וזו נמצאה כמתאימה לניסוי. הוא היה מסוגל אפילו להשתמש בחישוב כאימות נוסף של מספר אבוגדרו בהשוואה לתצפית. המולקולות מסוגלות לפזר אור, משום שהשדה האלקטרומגנטי של גלי האור יוצר רגעים של דיפול חשמלי במולקולות.
למה השמיים כחולים ולא סגולים?
מדוע השמים אינם מופיעים סגול? היה ניתן לחשוב שבשל הפיזור היה צריך לראות את אורכי הגל הקצרים וסגול הוא הצבע עם אורך הגל הנראה לעין הקצר ביותר.
השמים נצבעים בשעות היום בצבע המתפזר. הם היו אמורים להיראות סגולים, אבל יש יחסית מעט סגול בקרינת השמש שמגיעה אלינו וגם העיניים שלנו פחות רגישות לסגול. לכן השמים נראים כחולים או בגוונים קרובים לכחול. יכול להיות שהציפורים שרגישות יותר לסגול רואות שמים סגלגלים!
הספקטרום של פליטת אור מהשמש אינו קבוע בכל אורכי הגל, וחלק מאורכי הגל נספגים באטמוספירה הגבוהה, ולכן יש פחות סגול באור.
זה חלק מהתשובה. שאר התשובה לחידה טמון ביכולת הראייה שלנו. יש לנו שלושה סוגים של קולטנים צבע, או קונוסים, ברשתית שלנו. הם נקראים אדום, כחול וירוק כי הם מגיבים בחוזקה לאור באורכי גל אלה. כאשר הם משדרים בפרופורציות שונות, המערכת החזותית שלנו בונה את הצבעים שאנו רואים.
עקומות תגובה עבור שלושת סוגי חרוט בעין האנושית
כאשר אנו מביטים בשמים, הקונוסים האדומים מגיבים לכמות קטנה של אור אדום מפוזר, אבל גם פחות חזק באורכי גל כתום וצהוב.
הקונוסים הירוקים מגיבים לצהוב ולאורכי גל כחולים יותר שמפוזרים בירוק ירוק-כחול. הקונוסים כחולים מגיבים על צבעים ליד אורכי גל כחולים, אשר מפוזרים מאוד.
אם לא היו אינדיגו וסגול בספקטרום, השמים היו נראים כחולים עם גוון ירוק קל. אבל הצבעים אינדיגו ואת גל סגול מממריץ את הקונוסים האדומים מעט, כמו גם את הכחול, ולכן צבעים אלה מופיעים כחול עם גוון אדום נוסף.
ההשפעה נטו היא כי שקונוסים אדומים וירוקים מגיבים בערך באותו חוזק על ידי האור מן השמים, בעוד הכחול מגיב יותר חזק. שילוס זה יוצר צבע כחול כהה חיוור. זה לא יכול להיות צירוף מקרים כי הראיה שלנו מותאמת לראות את השמים כגוון טהור. התפתחנו כדי להתאים את הסביבה שלנו; ואת היכולת להפריד צבעים טבעיים ביותר בהירות הוא כנראה יתרון הישרדותי שלנו.
מדוע צבע השקיעות אדום?
כשהאוויר צלול, השקיעה תיראה צהובה, מפני שהאור מן השמש עבר מרחק רב דרך האוויר וחלק מהאור הכחול התפזר. אם האוויר מזוהם עם חלקיקים קטנים, טבעיים או אחרים, השקיעה תהיה אדומה יותר. שקיעות מעל הים עשויות להיות גם כתומות, בשל חלקיקי מלח באוויר.
השמים סביב השמש נראים אדומים, כמו גם האור מגיע ישירות מן השמש. הסיבה לכך היא כי כל קרני האור מפוזרות דרך זוויות קטנות – אבל האור הכחול סביר יותר שיתפזר יותר על פני מרחקים גדולים יותר, מה שמשאיר את הצבעים צהוב, אדום וכתום.
תופעת ירח כחול ואובך כחול
עננים ואובך מופיעים לבנים משום שהם מורכבים מחלקיקים גדולים מאורכי הגל של האור, אשר מפזרים את כל אורכי הגל באופן שווה (פיזור Mie).
אבל לפעמים יש חלקיקים אחרים באוויר שהם הרבה יותר קטנים. ישנם אזורים הרריים מפורסמים באובך הכחול שלהם. אירוסולים של terpenes (שם כולל לפחמימנים שונים המצויים בשמנים אתריים ובשרפים של עצי מחט) מן הצמחייה מגיבים עם אוזון באטמוספירה כדי ליצור חלקיקים קטנים מ 200 ננומטר, וחלקיקים אלה מפזרים את האור הכחול.
שריפת יער או התפרצות וולקנית עשויה מדי פעם למלא את האווירה עם חלקיקים בסדר של 500-800 ננומטר , להיות בגודל הנכון לפזר אור אדום. זה נותן את ההפך מאפקט Tyndall הרגיל, ועלול לגרום לירח להראות בגוון כחול. זוהי תופעה נדירה מאוד.
תופעות של הכחלה
האפקט של טינדאל אחראי על צבעים כחולים אחרים בטבע: כגון עיניים כחולות, הכחלה של אבני חן מסויימות, והצבע הכחול בכנף של העורבני.
הצבעים יכולים להשתנות בהתאם לגודל חלקיקי הפיזור. אנשים העתיקו את השפעות הטבעיות על ידי יצירת משקפיים עם זגוגיות נוי ספוגות חלקיקים, שיוצרות ברק כחול.
אבל לא כל צבע כחול בטבע נגרמת על ידי פיזור. אור מתחת לים הוא כחול, כי המים סופגים אורכי גל ארוכים יותר של אור דרך מרחקים מעל 20 מטרים. כאשר מסתכלים מהחוף, הים הוא כחול כי זה משקף את השמים, כמובן. כמה ציפורים ופרפרים מקבלים את צבע כחול שלהם על ידי השפעות עקיפות.
מדוע השמים של מאדים אדומים?
תמונות שנשלחו בחזרה מן הנחתת ויקינג שנחתה במאדים בשנת 1977 ומ Pathfinder בשנת 1997 הראה שמים אדומים שנראו משטח מאדים. זה היה בשל אבק אדום עשיר מסופות אבק המתרחשים מעת לעת על מאדים. צבע השמים במאדים ישתנה בהתאם לתנאי מזג האוויר. הוא צריך להיות כחול כאשר לא היו סופות, אבל הם יהיה כהים יותר מאשר השמים של כדור הארץ בגלל האוויר הדל של מאדים.
מה ההסבר לכך שהשמש נראית לבנה בזריחה ואדומה בשקיעה?
השמש אדמדמה גם בזריחה וגם בשקיעה. הסיבה היא המסלול הארוך של הקרניים באטמוספירה של כדור הארץ בשעות אלה. האטמוספירה מפזרת לצדדים תדרים גבוהים, כלומר סגול, כחול וגם קצת ירוק. מה שנשאר זה בעיקר אדום, כתום וצהוב ואלה הם צבעי הזריחה.
עוד סיבה היא מצב האטמוספירה בשקיעה. לאחר יום ארוך ומעייף האטמוספירה חמה ומלוכלכת באבק, ובאזורים מסויימים גם לחה. האור הכחול מפוזר ונשאר בעיקר אדום. השמש תראה גדולה. בזריחה, אחרי הלילה, האטמוספירה מספיקה "לנוח", האבק שקע והאוויר יותר נקי, פחות פיזור והשמש תראה יותר צהובה, וגם פחות גדולה.