ทำไมท้องฟ้าเป็นสีฟ้า?

หากคุณเคยสงสัยว่าทำไม เช่นเออร์วิง เบอร์ลิน คุณเห็น "ไม่มีอะไรเลยนอกจากท้องฟ้าสีคราม" ว่าคุณเป็นเพื่อนที่ดีต่อกัน ต้องใช้เวลาหลายศตวรรษและคนฉลาดจำนวนมาก รวมทั้งอริสโตเติลไอแซก นิวตันโธมัส ยัง เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ และแฮร์มันน์ ฟอน เฮล์มโฮลทซ์ ในการไขคำตอบ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะการแก้ปัญหาครอบคลุมองค์ประกอบมากมาย: สีในแสงแดดมุมที่แสงอาทิตย์ส่องผ่านชั้นบรรยากาศ ขนาดของอนุภาคในอากาศและโมเลกุลของบรรยากาศ และวิธีที่ดวงตาของเรารับรู้สี

ลองเอาท้องฟ้าออกจากสมการสักครู่แล้วเริ่มด้วยการดูสี จากมุมมองทางฟิสิกส์ สีหมายถึงความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ออกจากวัตถุและกระทบกับเซ็นเซอร์ เช่น ตามนุษย์ ความยาวคลื่นเหล่านี้อาจถูกสะท้อนหรือกระจัดกระจายจากแหล่งภายนอก หรืออาจเล็ดลอดออกมาจากตัววัตถุเอง

สีของวัตถุจะเปลี่ยนไปตามสีที่มีอยู่ในแหล่งกำเนิดแสง เช่น ทาสีแดง ดูภายใต้แสงสีฟ้า ดูเป็นสีดำ Isaac Newton แสดงให้เห็นด้วยปริซึมว่าแสงสีขาวของดวงอาทิตย์ประกอบด้วยสีทั้งหมดของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ดังนั้นทุกสีจึงเป็นไปได้ในแสงแดด

ในโรงเรียน พวกเราส่วนใหญ่เรียนรู้ว่ากล้วยมีสีเหลืองเพราะมันสะท้อนแสงสีเหลืองและดูดซับความยาวคลื่นอื่นๆ ทั้งหมด นี่ไม่ถูกต้อง กล้วยจะกระจายสีส้มและสีแดงได้มากเท่ากับสีเหลือง และกระจายสีทั้งหมดของช่วงที่มองเห็นได้ในระดับหนึ่งหรืออย่างอื่น [แหล่งที่มา: Bohren ] เหตุผลที่แท้จริงที่ทำให้มันดูเป็นสีเหลืองนั้นสัมพันธ์กับการที่ดวงตาของเรารับแสง ก่อนที่เราจะเข้าเรื่องนั้น เรามาดูกันก่อนว่าจริงๆ แล้วท้องฟ้าเป็นสีอะไร

เราจะทำอย่างนั้นต่อไป

เช่นเดียวกับกล้วยอะตอมโมเลกุลและอนุภาคในบรรยากาศดูดซับและกระจายแสง หากพวกเขาไม่ได้หรือถ้าโลกมีบรรยากาศที่ไม่มีเราจะรับรู้ดวงอาทิตย์เป็นดาวสว่างมากในหมู่คนอื่น ๆ ในท้องฟ้ากลางคืนตลอดอย่างไรก็ตาม ความยาวคลื่นในสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ไม่กระจัดกระจายเท่ากัน ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าและมีพลังมากกว่าไปทางปลายสีม่วงของสเปกตรัม กระจายได้ดีกว่าความยาวคลื่นที่ยาวกว่าและกระฉับกระเฉงน้อยกว่าและเป็นสีแดง แนวโน้มนี้ส่วนหนึ่งเกิดจากพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งทำให้พวกเขาสามารถตีปิงปองได้มากขึ้น และส่วนหนึ่งมาจากเรขาคณิตของอนุภาคที่พวกมันโต้ตอบด้วยในบรรยากาศ

ในปีพ.ศ. 2414 ลอร์ดเรย์ลีห์ได้รับสูตรที่อธิบายส่วนย่อยของปฏิกิริยาเหล่านี้ ซึ่งอนุภาคในชั้นบรรยากาศมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของการแผ่รังสีที่กระทบพวกมันมาก แบบจำลองการกระเจิงของ Rayleigh แสดงให้เห็นว่า ในระบบดังกล่าว ความเข้มของแสงที่กระเจิงจะแปรผกผันกับกำลังที่สี่ของความยาวคลื่น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความยาวคลื่นที่สั้นกว่า เช่น สีฟ้าและสีม่วง กระจัดกระจายมากกว่าความยาวคลื่นเมื่ออนุภาค เช่น โมเลกุลออกซิเจนและไนโตรเจน มีขนาดค่อนข้างเล็ก ภายใต้สภาวะเหล่านี้แสงที่กระจัดกระจายก็มีแนวโน้มที่จะกระจายตัวเท่าๆ กันในทุกทิศทาง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ท้องฟ้าดูเต็มไปด้วยสีสัน [แหล่งที่มา: Bohren ]

ถ้าเราโง่พอที่จะมองตรงไปยังดวงอาทิตย์ เราจะเห็นความยาวคลื่นทั้งหมด เพราะแสงจะเข้าตาเราโดยตรง จึงทำให้ดวงอาทิตย์และบริเวณโดยรอบเป็นสีขาว เมื่อเราละสายตาจากดวงอาทิตย์ ที่ท้องฟ้าแจ่มใส เราจะเห็นแสงเป็นส่วนใหญ่จากความยาวคลื่นที่สั้นกว่าและกระจัดกระจาย เช่น สีม่วง สีคราม และสีน้ำเงิน

เหตุใดท้องฟ้าจึงไม่ปรากฏเป็นสีม่วงแทนที่จะเป็นสีฟ้าอ่อน ดวงตาก็มี Peepers ของคุณรับรู้สีใช้โครงสร้างที่เรียกว่ากรวยเรตินาของคุณขนแปรงประมาณ 5 ล้านโคน แต่ละอันประกอบด้วยสามประเภทที่เชี่ยวชาญในการเห็นสีต่างๆ [แหล่งที่มา: Schirber ] แม้ว่ารูปกรวยแต่ละประเภทจะไวต่อความยาวคลื่นสูงสุดบางช่วงมากที่สุด แต่ช่วงของประเภทกรวยจะทับซ้อนกัน ส่งผลให้สามารถตรวจจับสเปกตรัมและสเปกตรัมผสมกันเป็นสีเดียวกันได้

ต่างจากประสาทสัมผัสในการได้ยินของเรา ซึ่งสามารถจดจำเครื่องดนตรีแต่ละชิ้นในวงออเคสตรา ดวงตาและสมองของเราจะตีความความยาวคลื่นผสมกันเป็นสีเดียวที่ไม่ต่อเนื่องกัน ประสาทสัมผัสทางสายตาของเราตีความแสงสีฟ้า-ม่วงของท้องฟ้าเป็นส่วนผสมของแสงสีฟ้าและสีขาว นั่นคือสาเหตุที่ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าอ่อน

คุณมีคำถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับโลกนี้หรือไม่? อ่านต่อเพื่อดูลิงก์เพิ่มเติมที่คุณอาจชอบ

ซันเซ็ทส์สตริป

สีของท้องฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามฝุ่น มลภาวะ และไอน้ำ ซึ่งส่งผลต่อการดูดซึมและการกระเจิงของแสงแดดแตกต่างกัน โทนสีแดงของพระอาทิตย์ตกดิน ส่วนใหญ่เกิดจากการที่แสงแดดส่องผ่านชั้นบรรยากาศมากขึ้นเพื่อให้เข้าตาเรา เมื่อถึงเวลาที่แสงจะมาถึง แสงก็ถูกดึงความยาวคลื่นที่สั้นลงออกไป ซึ่งกระจัดกระจายออกไป เหลือเพียงความยาวคลื่นที่ยาวกว่า เป็นการส่องสว่างโดยตรงของโทนสีแดงของแสงอาทิตย์

บทความที่เกี่ยวข้อง

ลิงค์ที่ยอดเยี่ยมเพิ่มเติม