لماذا السماء زرقاء؟ ولماذا تحمر عند الغروب؟

ضوء الشمس ليس أبيض كما يبدو

يبدو لنا ضوء الشمس أبيض، لكنه في الحقيقة خليط من كل الألوان: الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي، ونرى هذه الألوان منفصلة في قوس المطر. الفرق بين لون وآخر هو طول الموجة، أي المسافة بين قمتين متتاليتين في موجة الضوء، فالأحمر موجته طويلة، نحو 700 نانومتر، والأزرق والبنفسجي موجتهما قصيرة، نحو 400 إلى 450 نانومتر. النانومتر جزء من مليار من المتر.

تشتت رايلي: لماذا الأزرق؟

حين يدخل ضوء الشمس الغلاف الجوي، يصطدم بجزيئات الهواء، وأغلبها نيتروجين وأكسجين. هذه الجزيئات أصغر بكثير من طول موجة الضوء، فتعمل مثل مرايا صغيرة جداً ترد الضوء في كل الاتجاهات، ويسمى هذا التشتت.

لكن الجزيئات لا تشتت الألوان بالقدر نفسه، فقد بيّن العالم البريطاني لورد رايلي في القرن التاسع عشر أن التشتت يزداد بقوة كلما قصرت الموجة، لذلك يسمى تشتت رايلي. بحسب حساب بسيط في دليل أسئلة الفيزياء الشائعة (Physics FAQ) المستضاف في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد، يتشتت الضوء ذو الموجة 400 نانومتر أكثر بنحو عشر مرات من الضوء الأحمر ذي الموجة 700 نانومتر.

فماذا يحدث؟ الضوء الأحمر يعبر الهواء في خط مستقيم تقريباً، أما الأزرق فيتبعثر في السماء كلها، فإذا نظرت إلى أي جهة بعيداً عن الشمس، وصلك هذا الضوء الأزرق المتبعثر، فترى السماء زرقاء.

لماذا ليست السماء بنفسجية؟

البنفسجي موجته أقصر من الأزرق، فهو يتشتت أكثر منه. فلماذا لا نرى السماء بنفسجية؟ هناك ثلاثة أسباب معاً:

• الشمس نفسها ترسل من الضوء البنفسجي أقل مما ترسل من الأزرق.
• أعلى الغلاف الجوي يمتص جزءاً من الضوء البنفسجي وما وراءه قبل أن يصل إلينا.
• العين البشرية أقل حساسية للبنفسجي منها للأزرق، كما يشرح مرصد هونغ كونغ، فحين يختلط الضوء المتشتت في العين، يبدو لنا أزرق فاتحاً.

لماذا تحمر الشمس عند الغروب؟

في الظهيرة تكون الشمس عالية، فيقطع ضوؤها طبقة رقيقة نسبياً من الهواء، أما عند الشروق والغروب فتكون قرب الأفق، فيمر ضوؤها في طبقة أطول بكثير من الهواء قبل أن يصل إلى عينك.

في هذا الطريق الطويل يتشتت أغلب الأزرق جانباً، فلا يصل إليك منه إلا القليل، ويبقى الأحمر والبرتقالي والأصفر، وهي الألوان التي تعبر الهواء بسهولة، لذلك تبدو الشمس وما حولها حمراء أو برتقالية. يضيف الغبار والدخان والتلوث إلى هذا الأثر، فيجعل الغروب أشد حمرة أحياناً.

الموقف	طول طريق الضوء في الهواء	ما نراه
الشمس عالية في الظهيرة	قصير	سماء زرقاء وشمس بيضاء مائلة إلى الصفرة
النظر نحو الأفق	طويل	أفق أفتح وأقرب إلى الأبيض
الشروق والغروب	طويل جداً	شمس برتقالية أو حمراء
هواء كثير الغبار	طويل وفيه جسيمات كبيرة	سماء باهتة بيضاء، وغروب أحمر أو شمس باهتة

لماذا سماء الصحراء العربية باهتة أحياناً؟

قد تلاحظ في كثير من البلاد العربية أن السماء في الصيف وأيام الغبار ليست زرقاء صافية، بل بيضاء باهتة أو رمادية مصفرة. السبب هو الغبار والجسيمات العالقة في الهواء، وتسمى معاً الهباء الجوي.

فحبات الغبار أكبر بكثير من جزيئات الهواء، وحجمها قريب من طول موجة الضوء أو أكبر منه. هذه الجسيمات الكبيرة لا تفرّق كثيراً بين الألوان، بل تشتت الأحمر والأخضر والأزرق بقدر متقارب، وحين تختلط الألوان كلها، يكون الناتج أبيض. يصف الباحث ستانلي جيدزلمان من كلية مدينة نيويورك ذلك بقوله إن السماء المحمّلة بالهباء «أكثر سطوعاً، خاصة قرب الشمس، لكنها أقل زرقة»، وقد تأخذ ألواناً باهتة أو ترابية. كما يضيف أن السماء تكون في أعمق زرقتها حين يكون الهواء نظيفاً وجافاً.

وقد تزيد الرطوبة هذا الأثر في المدن الساحلية، لأن قطرات الماء الدقيقة تتجمع حول الجسيمات فتكبر، أما بعد المطر، حين يغسل الهواء من الغبار، فتعود السماء زرقاء عميقة. في العواصف الترابية الشديدة قد تبدو الشمس قرصاً شاحباً يمكن تمييز حدوده، لكن لا تنظر إليها مباشرة أبداً، حتى وهي باهتة أو قرب الأفق، كما في سؤال كيف ترصد الكسوف بأمان؟.

لهذا الغبار أثر في الليل أيضاً: فهو يحجب النجوم الخافتة ويضيء سماء المدن أكثر، كما في صفحة السماء المظلمة.

ماذا ترى بعينك اليوم؟

جرّب ثلاث ملاحظات بسيطة في يوم صافٍ:

• قارن وسط السماء بالأفق: ستجد السماء فوق رأسك أعمق زرقة، والأفق أفتح وأقرب إلى الأبيض.
• راقب الغروب: بعد أن تغيب الشمس، تتدرج ألوان الأفق الغربي من الأحمر إلى البرتقالي ثم الأزرق الداكن، وهذه بداية الشفق، ثم تظهر النجوم بعده.
• قارن يوماً مغبراً بيوم بعد المطر: سترى الفرق في زرقة السماء بوضوح، وستجد أن النجوم في الليلة التالية للمطر أكثر عدداً ولمعاناً. في سؤال لماذا تتلألأ النجوم؟ أثر آخر للغلاف الجوي على ما نراه.