مقدمه

در نوشته های قبلی درباره نور و خیلی از ویژگی های آن توضیح دادم در این نوشته میخوام درباره پراکندگی رایلی و اینکه چرا این پدیده باعث میشه آسمان در روز آبی و در غروب قرمز به نظر برسه توضیحاتی بدم.

نور خورشید سفید است به این علت که شامل طیف وسیعی از طول موج های مختلف از بنفش تا قرمز است و بیشترین میزان شدت آن حول نوار سبز تا زرد است البته تمام طیف مرئی نور در مقادیر قابل توجهی به زمین میرسند و این حجم نور در هنگام ورود به اتمسفر زمین دچار تغییرات میشه به این صورت که نیتروژن و اکسیژن و ذرات ریز معلق در جو با نور تداخل میکنند و این تداخل باعث پخش شده نور سفید و رنگی شدن آسمان میشه.

پراکندگی رایلی، چرا مولکول ها موج های کوتاه را ترجیح میدهند

مولکول هایی با طول موج کمتر از طول موج نور، پخش شدن به وسلیه تئوری رایلی توضیح داده می شود. این پدیده نشان می دهد که میزان پخش یا شدت پراکندگی با توان چهارم طول موج نسبت وارون دارد. این به این معناست که نصف کردن طول موج میزان پخش شدن را 16 برابر بیشتر می کند. در نتیجه فوتون های آبی و بنفش که طول موج کوتاه بین 400 تا 450 نانومتر دارند به مراتب بهتر نسبت به فوتون های قرمز رنگه که طول موج 650 نانومتر دارند پخش می شوند.

این پدیده که به پراکندگی رایلی معروف است را اولین بار جان ویلیام استرات ملقب به لرد رایلی در انگلستان کشف کرد. در قرن نوزدهم فیزیکدان ها در تلاش بودند که بفهمند چرا آسمان آبیست و چرا نور غروب خورشید به قرمز نزدیک می شود. لرد رایلی توانست در سال 1870 به صورت ریاضیاتی این پدیده را تبیین کند و نشان دهد نور آببی بیشتر از قرمز پخش می شود. حاصل کار وی بعد ها در زمینه های گوناگون از جمله اپتیک جوی، اخترفیزیک، زیست شناسی و حتی فناوری نانو بکار رفت. جالبته بهتون بگم لرد رایلی در سال 1904 به علت کشف گاز آرگون جایزه نوبل فیزیک رو برد.

پراکندگی رایلی به معنای این است که فوتون ها تغییر جهت میدهند نه تغییر رنگ، و هرمولکول کوچکی در هوا بعد از برخورد با نور مثل یک دوقطبی پلاریزه، نور را دوباره از خود ساطع می کند که نتیجه آن نور نرم آسمان است. البته جو زمین در بیشتر طول موج ها برای عبور یک باره نور شفاف است و در هنگام ظهر پراکندگی یک باره نور خورشید اثر غالب را دارد.در این فرآیند،طول موج های کوتاه نور از رتو مستقیم خورشید جدا شده و در ساسر گنبد آسمان پخش می شود و در عین حال خود خورشید به دلیل از دست دادن بخش آبی نورش اندکی گرمتر از زمانی که بیرون از جو دیده می شود به نظر می رسد.

چر آسمان بنفش نیست؟

ممکنه براتون سوال پیش بیاد که اگر طول موج های کوچک بیشتر از همه پخش می شوند چرا آسمان به رنگ بنفش دیده نمی شود؟ دلیل اصلی این است که طیف موج بنفش نسبت به سبز و آبی ضعیف تر است و بینایی انسان نسبت به رنگ بنفش کمتر حساس است، مخروط های شبکیه چشم ما بهترین عملکرد را در رنگ آبی دارند و در رنگ بنفش ضعیف می شوند. دلیل سوم هم اینکه ازون در لایه های بالای جو، بخشی از نور را در نوار های جذب چپیوس(Chappuis) و  هارتلی-هاگینز(Hartley-Huggins) جذب می کند این فرآیند باعث می شود بخشی از نور بنفش و فرابنفش از طیف حذف شود.

نوار هارتلی در محدوده طول موج حدود 200 تا 300 نانومتر قرار دارد که توسط والتر هارتلی در سال 1881 کشف شد و نوار هاگینز محدوده طول موج حدود 320 نانومتر تا 360 نانومتر است که توسط ویلیام هاگینز مورد کشف قرار گرفت. نوار چپیوس که در محدوده طیف مرئی با طول موج تقریبی 400 تا 650 نانومتر قرار دارد توسط شارل چپیوس در اواخر قرن نوزدهم کشف شد شدت جذب در این نوار نسبتا ضعیف است اما چون در بخش قابل دیدن طیف رخ می دهد اثر قابل توجهی بر رنگ نور آسمان و خورشید هنگام غروب دارد.

پولاریزه کردن نظم مخفی آسمان

پراکندگی رایلی باعث قطبی شدن و پلاریزه شدن نور نیز می شود. مکسیموم پولاریزه شدن در حدود زاویه نود درجه خورشید اتفاق می افتد بخاطر همین هم هست که فیلتر پلاریزه روی دوربین می تواند در زوایه نود درجه نسبت به نور خورشید آبی را عمیق تر و میزان خیرگی را کمتر کند و تقریبا در جهت نور خورشید تاثیری بر نور رسیده به دوربین ندارد.این الگوی پولاریزه شدن را حشرات برای مسیریابی استفاده می کنند.

بسیاری از حشرات مانند مورچه ها چشم های حساس نسبت به زاویه قطبش نور دارند حتی وقتی خورشید پشت ابر است این جانوران می توانند با استفاده از الگوی قطبش نور آسمان جهت خورشید را حدس بزنند و مسیرشان را پیدا کنند که به این پدیده قطب نمای قطبش می گویند.زنبور های عسل از این پدیده برای بازگشت به کندو استفاده می کنند.

پراکندگی می و هاله سفید خورشید

فقط مولکول های ریز نور را پراکنده نمی کنند. آئروسول ها مانند گرد و غبار، نمک، دود و قطرات ریز آب می توانند هم اندازه یا حتی بزرگتر از طول موج نور باشیند.در این حالت از پراکندگی می به جای پراکندگی رایلی استفاده می کنند.

بر خلاف پراکندگی رایلی، پراکندگی می وابستگی ضعیفی به طول موج دارد در نتیجه رنگ های مختلف تقریبا به یک اندازه پراکنده می شند و  شدیدا در جهت جلو به جای پخش شدن در همه جهت ها متمرکز است.به همین دلیل در اطراف خورشید معمولا هاله ای سفید یا مه آلود دیده می شود این همان نوریست که توسط آئروسل ها در جهت جلو پراکنده شوده بدون اینکه باعث پخش شدن رنگ شود.

اثر پراکندگی می را می توانید در روزهای پرگرد و غبار یا مرطوب مشاهده کنید که باعث می شود آبی آسمان کم رنگ شده و آسمان حالتی بی رنگ و کدر پیدا کند.

تضعیف بیر-لامبرت و مسیر طولانی نور هنگام غروب خورشید

هنگامی که خورشید پایین می آید نور آن باید از مسیر مایل و طولانی تری درون جو زمین عبور کند تا به چشم ما برسد برای بیان کمی این مسیر از مفهومی به نام جرم هوایی استفاده می کنند.

وقتی خورشید بالای سر است مقدار جرم هوایی تقریبا برابر با 1 است اما هرچه خورشید به افق نزدیک می شود این مقدار به سرعت زیاد شده و درست نزدیک افق می تواند حتی از 30 هم بیشتر شود. در طول این مسیر طولانی شدت نوری که به ما می رسد از قانون بیر-لامبرت (Beer–Lambert Law) پیروی می کند.

چون عمق نوری رایلی در طول موج های کوتاه بسیار بزرگتر است این بخش از نور بیشتر پراکنده و جذب می شود بنابراین آنچه از پرتو مستقیم خورشید به چشم ما می رسد بیشتر از طول موج های بلندتر تشکیل شده است به همین دلیل در هنگام غروب، خود خورشید و ناحیه اطراف افق به رنگ های نارنجی و قرمز در می آیند چون جو زمین مانند یک فیلتر عمل کرده که هرچه مسیر نور بلند شود نور های آبی و بنفش را بیشتر حذف می کند.

آئروسل ها چه اثری بر نور خورشید دارند؟

آئروسل ها به دو شکل مختلف در غروب آفتاب تاثیر میذارند اول اینکه باعث خاکستری شدن غروب آفتاب شده و میزان شدت قرمز و نارنجی را کم می کنند و البته باعث پخش شدن بیشتر نور غروب آفتاب و رسیدن نور قرمز خورشید به چشم شما می شوند.

دود ریز یا قطرات سولفات حاصل از آتش فشان می توانند باعث ایجاد قرمز ها و بنفش های بسیار درخشان و چشمگیر در آسمان شوند چرا که پرتو مستقیم خورشید به شدت از آبی تخلیه شده و نوری که بخاطر جو چندبار پراکنده شده صحنه را از جهات مختلف با روشنایی پر می کند. در مقابل این پدیده، مه های درشت دریایی معمولا باعث می شوند رنگ ها بی روح و شسته به نظر برسند.

به همین دلیل، خیره کننده ترین غروب ها معمولا پس از اتش سوزی های گسترده جنگلی یا فوران آتشنشانی دور دست رخ می دهند زمانی که در استراتوسفر(لایه بالایی جو) پرده نازکی از ذرات زیر میکرونی وجود دارد که بدون ایجاد تیرگی یا کدورت باعث تقویت رنگ های درخشان مسیر طولانی نور خورشید می شود.

نوار های گرگ و میش، رنگ های بنفش و نقش ازون

پس از اینکه خورشید زیر خط افق فرو می رود، آسمان هنوز به وسیله نوری که از اطراف لبه زمین شکسته و پراکنده شده روشن باقی می ماند. در این زمان که به آن ساعت آبی گفته می شود نور غیر مستقیم آسمان عمدتا از مولفه کوتاه موج پراکندگی رایلی تشکیل شده و در نتیجه رنگ آبی آسمان تیره تر می شود.

عکاسان این زمان را دوست دارند چون نور نرم و متعادل است. برای دیدن ساعت آبی باید افق را به خوبی ببینی جاهایی مثل ساحل دریای خزر یا خلیج فارس، کوهستان ها و ارتفاعات مثل توچال و بیابان ها و دشت های باز جاهای خوبی هستند که بتونید پدیده ساعت آبی را به خوبی مشاهده کنید. همچنین این پدیده را به دلیل زاویه مایل تر خورشید در زمستان و پاییز بهتر می تونید مشاهده کنید.

بعد از ساعت آبی پدیده دیگر به اسم کمربند زهره اتفاق می افتد که نوار صورتی رنگیست که درست پس از غروب در سمت مقابل خورشید دیده می شود. در بالای این نوار نارنجی یا صورتی گاهی رگه رنگ بنفش یا ارغوانی نیز دیده می شود. کمربند زهره اغلب در پایین آسمان درست بالای سایه زمین دیده می شود.

اثر تیندال در برابر پراکندگی رایلی

خیلی از افراد به اشتباه فکر می کنند که آبی بودن آسمان به دلیل اثر تیندال است اما اثر تیندال به پراکندگی وابسته به طول موج در محیط های کلوئیدی گفته می شود یعنی درم واردی که ذرات معلق در آن بزرگتر از مولکول ها مانند مه و دود است.

بخاطر همین در جو، پراکندگی نور در اثر مولکول های جداگانه گاز اتفاق می افتد و پدیده غالب در این حالت پراکندگی رایلیست و نه اثر تیندال.

اما وقتی هوا دودی، غبارآلود یا مه آلود باشید اندازه ذراتدر هوا بزرگتر شده و آسمان بیشتر تحت تاثیر پراکندگی می یا تیندال مانند قرار می گیرد و بخاطر همین در چنین روزهایی آسمان حالت شیری و بی جان پیدا می کند و غروب ها به جای قرمز های درخشان و آبی های عمیق آسمان، رنگ های کدر و نارنجی مایل به خاکستری دارند.

امیدوارم تا اینجا خسته نشده باشید و براتون جذاب بوده باشه، در صورتی که میخواید باقی مطلب را بعدا بخونید بهتون پیشنهاد مطالعه کتاب روزهای برمه رو میدم که میتونید آن را مطالعه کرده و لذت ببرید.

ضریب شکست، چگالی هوا و دلیل آبی تیره بودن آسمان در ارتفاعات

قدرت پراکندگی رایلی نه تنها به طول موج نور بلکه به ضریب شکست و چگالی تعداد مولکول های هوا نیز وابستست. هر دو ی این کمیت ها با افزایش ارتفاع کاهش می یابند زیر هوا در ارتفاعات بالاتر رقیق می شود در نتیجه در نواحی مرتفع تر مانند قله ی کوه ها یا ارتفاع پرواز هواپیماها، مقدار پراکندگی کمتر است بنابراین آسمان آنجا تیره تر و آبی تر دیده می شود.

بخاطر همین هم ستاره شناسان مکان هایی در ارتفاعات بالا را برای رصد آسمان ترجیح می دند چرا که پراکندگی کمتر باعث افزایش وضوح شده و درخشش زمینه آسمان کاهش پیدا می کند.

عملکرد چشم و دوربین شما با طیف نوری

ادراک رنگی انسان طیف نوری را به وسیله سه نوع سلول مخروطی درک می کند.برای اینکه آسمان در چشم شما آبی به نظر برسد لازم نیست حتما دارای انرژی بسیار زیاد در طول موج های آبی باشد کافیست تعادل درست میان آبی و سبز و قرمز در نوری که از ان بخش از آسمان به چشم برسد برقرار باشد.

در دوربین ها هم همین اصل برقرار است دوربین های دیجیتال نیز برای بازسازی رنگ ها از آرایه ی فیلتر رنگی استفاده می کنند که معمولا به صورت الگوی بایر که شامل دو فیلتر سبز، یکی قرمز و یکی آبیست.سپس این داده ها توسط نرم افزار با هم ترکیب شده تا تصویر رنگی کامل را بسازد.

دوربین ها برای طبیعی نشان دادن رنگ ها از قابلیت تراز سفیدی خودکار استفاده می کنند که اسن سیستم فرض می کند نور صحنه شبیه نور روز یا خاکستری خنثی است و رنگ ها را بر ان اساس تنظیم می کند.اما در هنگام غروب خورشید این تنظیم خودکار ممکن است رنگ ها ی نارنجی و قرمز غروب را خنثی و تصویر را بی روح نشان بده.

به همین دلیل در این مواقع باید تراز سفیدی را به صورت دستی روی کلوین بالاتر تنظیم کنید.درباره تراز سفیدی یک توضیح خلاصه در نوشته 10 اصطلاح عکاسی داده ام اما بزودی یک مطلب جامع و کامل درباره آن خواهم نوشت.

نتیجه گیری و چند توصیه به عکاسان

امیدوارم این نوشته برای شما مفید بوده باشه و بتونید مطابق این نوشته عکس ها و تصاویر بهتری را ثبت کنید و مباحث فیزیکی آن برای شما جالب بوده باشه، امیدوارم با خوندن این نوشته با پراکندگی رایلی آشنا شده باشید که چگونه نور با طول موج کوتاهتر را پرتو خورشید جدا کرده و در سراسر آسمان پخش می کند. درک ما از این آبی با توجه به حساسیت طیفی چشم انسان و جذب ملایم ازون در ناحیه بنفش باعث می شود آسمان به جای بنفش، آبی طبیعی به نظر برسد.

همچنین در این مقاله هاله سفید حول خورشید را نیز توضیح دادیم که حاصل پراکندگی روبه جلوی میتوسط ذرات آئروسل است.

در نهایت رنگهایی که در آسمان میبینیم حاصل برآیند پیوسته چند عامل فیزیکیند پراکندگی وابسته به طول موج، مسیر عبور نور، اندازه ذرات و فیزیولوژی بینایی انسان، همه این ها در طول روز با حرکت خورشید و تغییر شرایط جوی مدام در حال تغییرند.

برای علاقمندان عکاسی، پراکندگی نور و رنگ آسمان بر عکس منظره شما تاثیر میگذارد بهترین زمان عکاسی با فیلتر پلاریزه ظهر است تا آسمان آبی عمیق به شما بدهد زمان طلایی حدود یک ساعت پس از طلوع یا یک ساعت پیش از غروب بهترین زمان برای عکاسی از طبیعت، پرتره و منظرست. نور خورشید به دلیل مسیر بلند تر در جو و حذف نور آبی، زاویه دار و گرم است که باعث می شود سایه نرم تر و رنگ ها عمیق تر دیده شوند.

حدود سی دقیقه پس از غروب یا قبل از طلوع آسمان آبی تیره ویکدست می شود که برای عکاسی دریا و منظره بسیار عالیست تراز سفیدی را در این ساعت حدود 4500 کلوین یا 5000 بگذارید. قبل از گرفتن عکس به این نکات فکر کن که خورشید کجاست، زاویه تابش چقدر است و هوا چقدر شفافه، درک همین نکات عکس های مناظر شما را به مراتب بهتر می کند.در نوشته های بعدی سعی میکنم نکات بیشتری درباره عکاسی براتون بذارم.