چرا آسمان همه‌جا یک رنگ نیست؟

تصور کنید یک صبح معمولی است و در قطب جنوب هستید. چشمانتان به آسمان می‌افتد و آبی آنقدر روشن و واضح است که چشمانتان برق می‌زند. هوا آن‌قدر تمیز است که می‌توانید آن را با خیال راحت به ریه‌هایتان ببرید.

حالا طوفانی از گرد و غبار را بر فراز هیمالیا تصور کنید. چشم‌هایتان را تنگ می‌کنید و سعی می‌کنید ردی از آن آبی آسمان را ببینید، اما تنها چیزی که می‌بینید سفیدی مبهم است.

بنابراین چرا آسمان برخی از نقاط جهان آبی‌تر از آسمان سایر نقاط است؟

رنگ آسمان همیشه مورد توجه انسان‌ها بوده است، اما دانشمندان در حال کشف این موضوع هستند که این رنگ بسیار مهم‌تر از آن چیزی است که ما تا به حال تصور می‌کردیم، چرا که یک سابقه قابل مشاهده از آنچه در هوای اطراف ما شناور است، می‌باشد.

رنگ آبی آسمان نتیجه پدیده‌ای جذاب است که دانشمندان آن را «پراکنش رایلی»(Rayleigh scattering) می‌نامند که در آن الکترون‌های موجود در مولکول‌های هوا مانند نیتروژن و اکسیژن توسط میدان الکتریکی نوسانی نور هنگام عبور از جو، تکان می‌خورند.

پراکنش رایلی گونه‌ای پراکنش کشسان نور یا دیگر امواج الکترومغناطیس است که به وسیله ذرات کوچکتر از طول‌موج، حتی اتم‌ها یا مولکول‌ها اتفاق می‌افتد.

این الکترون‌های نوسانی خود نور را در همه جهات دوباره ساطع می‌کنند. هر چه سریع‌تر توسط نور خورشید شتاب بگیرند، نور بیشتری تابش می‌کنند و از آنجایی که طول موج‌های کوتاه‌تر در فرکانس‌های بالاتر نوسان می‌کنند و باعث می‌شوند الکترون‌ها سریع‌تر شتاب بگیرند، بنفش و آبی رنگ‌هایی هستند که تمایل دارند به عنوان قوی‌ترین رنگ‌ها ظاهر شوند.

پس چرا آسمان بنفش نیست؟ در واقع از نظر فنی، بنفش است. بنفش طول موج حتی کوتاه‌تری نسبت به آبی دارد و بنابراین بیشتر پراکنده می‌شود، اما مقداری از آن در جو بالایی جذب می‌شود. ضمن اینکه چشم انسان به رنگ آبی حساس‌تر است، بنابراین از نظر ما آسمان آبی به نظر می‌رسد.

با این حال، وقتی هوا به اصطلاح «سنگین» است، با ذرات بزرگتر (هواپخش‌ها) مانند رطوبت، دوده و دود، نوع متفاوتی از پراکندگی معروف به «پراکندگی می»( Mie scattering) رخ می‌دهد. وقتی نور با این ذرات بزرگتر برخورد می‌کند، مانند نقاط منفرد واکنش نشان نمی‌دهند. بخش‌های مختلف ذره به نقاط مختلف موج ورودی پاسخ می‌دهند و الگوی بسیار پیچیده‌تری از نور پراکنده ایجاد می‌کنند. در این حالت، طول موج‌های مختلف نور خورشید به طور مساوی پراکنده می‌شوند و باعث می‌شوند آسمان سفید و مه‌آلود به نظر برسد. به همین دلیل است که ابرها که از قطرات ریز آب ساخته شده‌اند، سفید به نظر می‌رسند.

دانشمندان در یک پیش‌نویس تحقیقاتی جدید که هنوز مورد بررسی دقیق قرار نگرفته است، این پدیده را در لحظه مشاهده کردند. آنها یک طوفان گرد و غبار را بر فراز هیمالیا مطالعه کردند و خواص نوری آن را هنگام عبور از منطقه تجزیه و تحلیل کردند.

با حرکت طوفان گرد و غبار، ناگزیر در طول مسیر با ذرات آلودگی مخلوط می‌شود. محققان با اندازه‌گیری میزان پراکندگی، جذب یا تغییر مسیر نور توسط این ذرات توانستند ضریب شکست پیچیده آنها را تعیین کنند که معیاری از نحوه تعامل ذرات با نور است.

آنها کشف کردند که وقتی گرد و غبار بیابان با این آلاینده‌ها مخلوط می‌شود، این ذرات بزرگتر نور را در طیف وسیع‌تری از طول موج‌ها پراکنده می‌کنند و نتیجه آن آسمانی است که سفید و مه‌آلود به نظر می‌رسد.

آمیت سینگ چندل(Amit Singh Chandel)، نویسنده اصلی این مقاله توضیح داد: در غرب هیمالیا، به ندرت گرد و غبار معدنی خالص می‌بینیم. در عوض، گرد و غبار آلوده را مشاهده می‌کنیم؛ ترکیبی پیچیده که در آن ذرات معدنی اغلب به عنوان پایه‌ای برای آلاینده‌های ساخته شده توسط انسان مانند کربن سیاه و سولفات‌ها عمل می‌کنند. این حالت اختلاط، سطح مقطع جذب و پراکندگی ذرات را تغییر می‌دهد.

به گفته چندل، وقتی آلاینده‌هایی مانند کربن سیاه و سولفات‌ها به ذرات گرد و غبار می‌چسبند، مخلوط حاصل، نور خورشید را بسیار بیشتر از گرد و غبار به تنهایی جذب می‌کند. جذب بیشتر به معنای عبور نور کمتر از جو است و باعث می‌شود آسمان مه‌آلود به نظر برسد.

ممکن است فکر کنید نتیجه فقط یک تغییر ظریف در رنگ آسمان است، اما پیامدهای آن بسیار گسترده‌تر از این است.

فرانک رابینسون(Frank Robinson)، دانشیار فیزیک در دانشگاه سکرد هارت(Sacred Heart) توضیح داد: همان ذرات هواپخش به عنوان هسته‌های تراکم ابر عمل می‌کنند و به دلیل توانایی‌شان در تغییر ابرها و آب و هوا، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

وی همچنین توضیح داد که تأثیر هواپخش‌ها بر تشکیل ابرها یکی از بزرگترین عدم قطعیت‌ها در مدل‌سازی آب و هوای جهانی است. ابرهای سطح پایین به نام کومولوس که تراکم آنها توسط این ذرات آلاینده تسهیل می‌شود، مقدار زیادی از نور خورشید را به فضا منعکس می‌کنند و سیاره را خنک می‌کنند، در حالی که ابرهای سطح بالا موسوم به سیروس، اثر معکوس دارند. این امر به عنوان سرمایش پنهان شناخته می‌شود.

خنک‌سازی یا سرمایش پنهان به ما تسکین کوتاه‌مدتی از اثرات گرمایش جهانی می‌دهد، اما با چه هزینه بلندمدتی؟ اگر ناگهان به ما الهام شود و تصمیم بگیریم هوا را از تمام آلودگی‌هایش پاک کنیم که می‌توان گفت به دلایل زیادی برای سلامتی باید این کار را تاکنون می‌کردیم، آن سپر خنک‌کننده در عرض چند دهه ناپدید می‌شود، در حالی که CO2 که قرن‌هاست مسئول گرمایش زمین است، در جو باقی می‌ماند. نتیجه احتمالی نیز شتاب شدید گرمایش جهانی خواهد بود.

بنابراین معلوم می‌شود که رنگ آبی باشکوه آسمان ما فقط یک زیبایی نیست؛ بلکه اغلب نشانه‌ای از خلوص هوا و نتیجه‌ای از آنچه در آن شناور است و دیده نمی‌شود، می‌باشد.

منبع: ایسنا