راز سفیدی برف چیست؟ بررسی علمی یک پدیده‌ طبیعی

برف یکی از رایج‌ترین پدیده‌های طبیعی در مناطق سردسیر زمین است و تقریباً همه آن را به رنگ سفید می‌شناسند. این در حالی است که برف از آب تشکیل شده و آب در حالت مایع یا یخِ فشرده، شفاف به نظر می‌رسد. پرسش اصلی اینجاست که چرا تغییر حالت آب به برف، باعث می‌شود رنگ آن سفید دیده شود؟ پاسخ این سؤال در فیزیک نور، ساختار بلورهای یخ و نحوه‌ پراکندگی نور نهفته است.

ترکیب شیمیایی برف

برف از مولکول‌های آب (H₂O) تشکیل شده است. از نظر شیمیایی، هیچ تفاوتی میان آب مایع، یخ و برف وجود ندارد. مولکول‌های تشکیل‌دهنده در همه‌ این حالت‌ها یکسان‌اند. بنابراین رنگ سفید برف نمی‌تواند ناشی از ترکیب شیمیایی آن باشد، بلکه باید به ویژگی‌های فیزیکی آن مربوط باشد.

ساختار فیزیکی دانه‌های برف

برف از بلورهای یخ بسیار کوچک تشکیل شده است. هر دانه‌ برف دارای ساختاری پیچیده، چندوجهی و نامنظم است. این بلورها هنگام تشکیل در ابرها، به صورت شش‌ضلعی رشد می‌کنند و با سقوط به زمین، به صورت مجموعه‌ای از بلورهای متصل به هم انباشته می‌شوند.

در توده‌ برف، بین بلورهای یخ مقدار زیادی هوای به دام افتاده وجود دارد. این ترکیب «یخ + هوا» باعث ایجاد تعداد بسیار زیادی مرز بین دو محیط با ضریب شکست متفاوت می‌شود، که نقش اساسی در رفتار نور دارد.

تعامل نور با برف

نور خورشید شامل طیفی از طول‌موج‌های مختلف است که مجموع آن‌ها نور سفید را تشکیل می‌دهد. زمانی که نور به سطح برف برخورد می‌کند، وارد شبکه‌ای پیچیده از بلورهای یخ و حفره‌های هوایی می‌شود. در هر مرز بین هوا و یخ، بخشی از نور بازتاب و بخشی دیگر شکسته می‌شود.

این فرایند بارها و بارها درون توده‌ی برف تکرار می‌شود. در نتیجه، نور به جای عبور مستقیم، در جهات مختلف پراکنده می‌شود. این پدیده در فیزیک با عنوان «پراکندگی چندگانه» شناخته می‌شود.

چرا برف سفید دیده می‌شود؟

ویژگی کلیدی برف این است که تقریباً همه‌ طول‌موج‌های نور مرئی را به یک اندازه پراکنده و بازتاب می‌کند. هیچ رنگی به طور قابل‌توجهی بیشتر از رنگ‌های دیگر جذب نمی‌شود. وقتی همه‌ رنگ‌ها با شدت تقریباً برابر به چشم انسان بازگردند، مغز آن را به صورت رنگ سفید تفسیر می‌کند.

به همین دلیل، برف تازه و تمیز معمولاً بسیار روشن و سفید دیده می‌شود. این موضوع مشابه رفتاری است که در مواد دیگری مانند نمک، شکر یا ابرها نیز مشاهده می‌شود.

تفاوت برف با یخ شفاف

یخ فشرده و شفاف، مانند یخ موجود در یک قالب یخ یا یخ دریاچه‌های یخ‌زده، ساختار یکنواخت‌تری دارد. در این حالت، مرزهای داخلی کمتری برای پراکندگی نور وجود دارد و نور می‌تواند تا حد زیادی بدون انحراف عبور کند. به همین دلیل یخ شفاف دیده می‌شود.

اما در برف، به علت وجود بلورهای مجزا، زوایای متعدد و هوای محبوس‌شده، نور به شدت پراکنده می‌شود و امکان عبور مستقیم آن کاهش می‌یابد.

تغییر رنگ برف در شرایط خاص

اگرچه برف معمولاً سفید است، اما در شرایط خاص می‌تواند رنگ‌های دیگری به خود بگیرد:

    برف صورتی یا قرمز: ناشی از رشد جلبک‌های میکروسکوپی

    برف خاکستری یا قهوه‌ای: به دلیل آلودگی هوا، دوده یا گرد و غبار

    برف آبی: در یخ‌های بسیار متراکم که جذب انتخابی نور قرمز بیشتر از نور آبی رخ می‌دهد

این تغییر رنگ‌ها به عوامل خارجی مربوط هستند و به ماهیت اصلی برف ارتباطی ندارند.

نقش سیستم بینایی انسان

چشم انسان رنگ‌ها را بر اساس نور بازتاب‌شده تشخیص می‌دهد. رنگ سفید زمانی دیده می‌شود که همه‌ گیرنده‌های نوری چشم (مخروطی‌ها) تقریباً به یک اندازه تحریک شوند. از آنجا که برف بیشتر نور مرئی را بدون ترجیح رنگی خاص بازمی‌تاباند، سیستم بینایی آن را سفید تشخیص می‌دهد.

به همین دلیل، در نور غروب یا طلوع خورشید، که ترکیب طیفی نور تغییر می‌کند، برف ممکن است صورتی، نارنجی یا زرد دیده شود، بدون آنکه ویژگی فیزیکی آن تغییر کرده باشد.

جمع‌بندی؛ نتیجه‌ تعامل نور و ساختار برف

برف نه به دلیل ترکیب شیمیایی متفاوت، بلکه به علت ساختار فیزیکی ویژه‌ آن که شامل بلورهای یخ متعدد و هوای محبوس میان آن‌هاست سفید دیده می‌شود. این ساختار باعث پراکندگی چندگانه‌ نور خورشید و بازتاب تقریباً یکنواخت همه‌ طول‌موج‌های نور مرئی می‌شود. از آنجا که هیچ رنگی به طور غالب جذب نمی‌شود، نور بازتاب‌شده به صورت سفید توسط سیستم بینایی انسان درک می‌شود. بنابراین، سفیدی برف نتیجه‌ مستقیم تعامل نور با ریزساختار یخ است و نمونه‌ای روشن از نقش فیزیک نور در پدیده‌های طبیعی روزمره به شمار می‌آید.

منبع: روزیاتو