ทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า?

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แสงที่มาจากดวงอาทิตย์เป็นเพียง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นวิธีหนึ่งที่พลังงานจะแพร่กระจายผ่านอวกาศ หากเรียงลำดับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามพารามิเตอร์คุณลักษณะ เช่น ความถี่ ความยาว ฯลฯ เราจะได้สเปกตรัม สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงถึงรังสีทุกประเภทที่มีอยู่ในจักรวาล แสงที่มองเห็น ได้ (ช่วงตั้งแต่ 380 นาโนเมตรถึง 780 นาโนเมตร) เป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด ซึ่งก็คือส่วนที่เราสามารถมองเห็นได้ มันทำตัวเป็นทั้งคลื่นและกระแสของอนุภาค ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น แสงสีขาวเกิดจากการผสมสีพื้นๆ หลายๆ สีเข้าด้วยกัน ซึ่งเรียกว่าสีปฐมภูมิ มองเห็นได้เช่นเป็นสีรุ้ง (แสงสีขาวกระจายตัวในหยดน้ำ) ภายในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกับแสงสีขาว แสงสีแดงมีความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด และแสงสีม่วงมีความยาวคลื่นที่สั้นที่สุด

ทำไมเราถึงเห็นสีเฉพาะ?

แต่ละช่วงของสเปกตรัมแสงสีขาวมีสีเฉพาะที่กำหนด รังสีดังกล่าวที่ตกลงบนวัตถุใดวัตถุหนึ่งจะถูกดูดกลืนหรือสะท้อนกลับ ตัวอย่างเช่น ใบไม้ที่รับแสงจะดูดซับแสง ยกเว้นความยาวคลื่นสีเขียว ส่วนที่ไม่ดูดซับของสเปกตรัมจะกระจายไปทุกทิศทุกทาง รังสีบางส่วนจะไปถึงตาและสมองจะ "บอก" ว่าใบไม้เป็นสีเขียว เราสังเกตสีอื่นในลักษณะเดียวกัน เช่น สีแดงสตรอเบอรี่ อ่านเพิ่มเติม ที่นี่

เรย์ลี่กระเจิง

เมื่อมองดูท้องฟ้า เรากำลังสังเกตส่วนของชั้นบรรยากาศที่มองเห็นได้จากพื้นผิวโลก คลื่นแสงที่มาจากดวงอาทิตย์ไม่ได้เดินทางเป็นเส้นตรง พบอุปสรรคมากมายระหว่างทาง เหล่านี้คือโมเลกุลจำนวนมาก (ไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นหลัก) ฝุ่นละออง หยดน้ำ และผลึกน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในอากาศ พวกเขาทำให้เกิดการกระเจิงของแสงที่มองเห็น การสะท้อนหรือการดูดกลืนแสง ในการที่รังสีจะมาถึงโลกได้ จะต้องผ่านสิ่งกีดขวางเหล่านี้ทั้งหมด ปรากฎว่าเมื่อตกลงบนอนุภาคที่ลอยอยู่ในชั้นบรรยากาศ แสงจะกระจัดกระจาย และจากสเปกตรัมทั้งหมด สีฟ้าจะได้รับผลกระทบมากที่สุด เอฟเฟกต์นี้เรียกว่า การกระเจิงแบบเรย์ลี และมีส่วนทำให้เกิดสีฟ้าของท้องฟ้า ในปี พ.ศ. 2442 จอห์น เรย์ลีห์ได้พิสูจน์ว่าความเข้มของแสงที่กระจัดกระจายนั้นแปรผกผันกับกำลังที่สี่ของความยาวคลื่น ซึ่งหมายความว่าแสงสีน้ำเงิน (ที่เราเห็นบนท้องฟ้า) กระจัดกระจายมากกว่าแสงสีแดงถึงสี่เท่า เนื่องจากมีความยาวคลื่นสั้นกว่าในสเปกตรัมแสงสีขาว อย่างไรก็ตาม ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับสีม่วงนั้นสั้นกว่า ดังนั้นท้องฟ้าจึงควรเป็นสีม่วง ทำไมไม่เป็นเช่นนั้น? สาเหตุหนึ่งของปรากฏการณ์นี้คือความเข้มของรังสีไวโอเลตที่มาถึงโลกนั้นต่ำกว่ามาก นอกจากนี้ ดวงตาของเรายังไวต่อแสงสีม่วงน้อยกว่าหลายร้อยเท่าเมื่อเทียบกับสีน้ำเงิน

ท้องฟ้าสีอื่น

วิธีที่เรามองเห็นท้องฟ้านั้นเกิดจากปรากฏการณ์การกระเจิงของรังสีเรย์ลี ซึ่งระบุว่าความยาวคลื่นสั้นซึ่งทำให้เกิดสีฟ้านั้นมีการกระเจิงที่รุนแรงกว่าความยาวคลื่นยาวมาก อย่างไรก็ตาม สีของท้องฟ้าจะเปลี่ยนไปในระหว่างวัน ท้องฟ้าสีครามถูกสังเกตเพียงไม่กี่ชั่วโมงในตอนบ่าย ทำไมเวลาพระอาทิตย์ขึ้นและตกจึงเปลี่ยนไป? ทำไมเมื่อพระอาทิตย์ตกดิน สีของท้องฟ้าจึงเปลี่ยนจากสีน้ำเงิน เป็นสีเหลือง และสุดท้ายเป็นสีแดงเข้ม? เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับเส้นทางที่รังสีของดวงอาทิตย์ต้องเดินทางมายังโลก ยิ่งดวงอาทิตย์ส่องแสงในห้องนิรภัยของสวรรค์น้อยลงเท่าไร ระยะห่างนี้ก็มากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น แสงสีขาวจึงตกกระทบในมุมเล็กๆ และมีความยาวคลื่นสั้นกว่า เช่น แสงที่กำหนดให้เป็นสีม่วงและสีน้ำเงิน จะกระจายมากเกินไปและไปไม่ถึงตาของผู้สังเกต มองเห็นได้เฉพาะสีของช่วงความยาวคลื่นยาว เช่น สีเหลืองและสีแดง พวกมันทำให้เกิดสีของท้องฟ้าในยามพระอาทิตย์ตกดิน ด้วยความอยากรู้อยากเห็น จึงควรสังเกตว่าสูตรที่ Rayleigh เสนอหมายถึงการกระเจิงของอนุภาคขนาดเล็กที่ลอยอยู่ในชั้นบรรยากาศ ไม่เกี่ยวข้องกับหยดน้ำหรือผลึกน้ำแข็ง การกระเจิงของสปีชีส์ที่ใหญ่กว่านั้นอธิบายได้ด้วยวิธีการแก้ปัญหาของมิเอะ ซึ่งอธิบายไว้ในปี 1908 กล่าวว่าแสงสีขาวที่ตกกระทบ เช่น เมฆ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคน้ำและน้ำแข็ง จะกระจายเท่าๆ กัน โดยไม่คำนึงถึงความยาวคลื่น เป็นผลให้เมฆปรากฏเป็นสีขาว อ่านเพิ่มเติม:เราจะอธิบายสี ได้อย่างไร ?