ทำไมท้องฟ้าเป็นสีฟ้า เป็นหนึ่งในคำถามที่พบบ่อย คำตอบสั้น ๆ สำหรับคำถามนี้คือ เนื่องจากชั้นบรรยากาศของโลกและแสงแดด ถ้าโลกไม่มีชั้นบรรยากาศ ท้องฟ้าในตอนกลางวันจะเป็นสีดำเหมือนตอนกลางคืน
ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าสำหรับวันนี้และเป็นสีดำสำหรับกลางคืน สิ่งที่ทำให้กลางวันแตกต่างจากกลางคืนคือแสงแดดที่ขาดหายไปในตอนกลางคืน เพราะตอนนั้นเราอยู่ในส่วนของโลกที่หันหน้าออกห่างจากดวงอาทิตย์ สิ่งนี้ให้คำใบ้แรกแก่เราว่าเรากำลังพูดถึงอะไร – แสงแดดส่งผลต่อสีของท้องฟ้า
แสงแดดและสีสัน
ดวงอาทิตย์เป็นสีขาว เช่นเดียวกับรังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งต้องเดินทางจากเราไปยังดวงอาทิตย์มากที่สุด (ประมาณ) 150 ล้านกิโลเมตร การพูดว่าดวงอาทิตย์เป็นสีขาวอาจทำให้เข้าใจผิดเล็กน้อย เพราะจริงๆ แล้วสีขาวไม่ใช่สี ซึ่งหมายความว่าไม่ใช่แค่สีเดียว ประกอบด้วยหลายสี (อย่างมืออาชีพสามารถพูดได้ดังนี้: สีขาวเป็นสีหลายสีซึ่งประกอบด้วยช่วงสีที่ต่อเนื่องกัน) นี่คือสิ่งที่มันหมายถึงจริงๆ
ลำแสงสีขาวสามารถแยกออกเป็นสเปกตรัมสีสันสวยงามได้โดยใช้อุปกรณ์คล้ายปริซึม นี่เป็นปรากฏการณ์ระยะยาวที่แสงแดดสีขาวส่องลงมาเป็นสเปกตรัมสีที่มีสีสันผ่านเม็ดฝน
เราสามารถมองแสงเป็นคลื่นได้ และเพื่อให้เข้าใจว่าทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า เราต้องทำเช่นนั้น ดังนั้น โดยทั่วไปแล้ว แสงคือคลื่น (อย่างเป็นทางการกว่า: การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า) ที่มีความยาว (หรือความถี่) ที่แน่นอน
คลื่นของแสงที่มองเห็นได้ (นั่นคือสิ่งที่ตาของเราสามารถตรวจจับและเปลี่ยนสมองให้เป็นภาพ) มีความยาวคลื่นประมาณ 400 ถึง 700 นาโนเมตร และในบริบทนี้ สีเป็นเพียงความยาวคลื่นบางช่วงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น แสงสีแดงมีความยาวคลื่นประมาณ 625 ถึง 740 นาโนเมตร แสงสีเขียวมีความยาวคลื่น 500 ถึง 565 นาโนเมตร สีน้ำเงินมีความยาวคลื่น 380 ถึง 440 นาโนเมตร และสีม่วงมีความยาวคลื่น 380 ถึง 440 นาโนเมตร
สำหรับคำถามที่เรากำลังตอบอยู่นี้ สิ่งสำคัญคือต้องจำสิ่งต่อไปนี้:
- แสงสีน้ำเงินและสีม่วงมีความยาวคลื่นต่ำสุดเมื่อเทียบกับแสงสีอื่นๆ ที่มองเห็นได้
- ดวงอาทิตย์เคลื่อนผ่านพื้นที่ว่างไปยังดวงตาของเราจนมาถึงชั้นบรรยากาศของโลก และเมื่อคุณผ่านมันไป สิ่งที่น่าสนใจก็เกิดขึ้นซึ่งทำให้ท้องฟ้ากลายเป็นสีฟ้า
บรรยากาศของโลก
ชั้นบรรยากาศของโลกโดยทั่วไปคืออะไร? นี่คือเสื้อคลุมของโลกที่ประกอบด้วยก๊าซหลายชนิด (และมีอยู่เพราะแรงโน้มถ่วงของโลกนั้นแรงพอที่จะ “โยง” พวกมันไว้กับตัวมันเอง) เราทุกคนทราบดีว่าหนึ่งในก๊าซเหล่านี้คือออกซิเจน ซึ่งมนุษย์ต้องการในการดำรงชีวิต
แต่หลายคนแปลกใจที่รู้ว่าส่วนใหญ่ใช้ไนโตรเจน สัดส่วนของออกซิเจนในบรรยากาศประมาณ 21% และไนโตรเจนมากถึง 78% ปฏิสัมพันธ์ของแสงแดดกับโมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศทำให้ท้องฟ้าเป็นสีฟ้า
การกระเจิงของแสงแดดในชั้นบรรยากาศ
เมื่อรังสีของดวงอาทิตย์เข้าสู่ชั้นบรรยากาศโดยผ่านน่านฟ้าไปโดยไม่ถูกขัดขวาง พวกมันจะเริ่ม “ชน” กับโมเลกุลของไนโตรเจนและออกซิเจน มีปรากฏการณ์ที่เราเรียกว่าการกระเจิงหรือการกระเจิงของเรย์ลี (ตามที่ลอร์ดเรย์ลีห์อธิบายไว้ในปรากฏการณ์นี้ในปี 2414) การกระเจิงดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อขนาดอนุภาคที่แสงกระจัดกระจายมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงนั้น (และสิ่งนี้เป็นความจริงสำหรับโมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศ ซึ่งเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงแดดที่มองเห็นได้มาก)
สิ่งสำคัญเกี่ยวกับการกระเจิงของ Rayleigh คือมันขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นหรือสีของแสง: แสงความยาวคลื่นสั้นจะกระเจิงมากที่สุด และแสงความยาวคลื่นยาวจะกระเจิงน้อยที่สุด (หากบังเอิญไปถึงกำลังที่สี่ของความยาวคลื่น) ตัวอย่างเช่น แสงสีน้ำเงินทั่วไปกระจายอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าแสงสีแดงประมาณ 5 เท่า
เมื่อรังสีของดวงอาทิตย์ผ่านชั้นบรรยากาศ รังสีสีม่วงจะกระจายมากที่สุด รองลงมาคือรังสีสีน้ำเงิน เรื่องนี้ถือได้ว่าเป็นสีม่วงและสีน้ำเงินที่ “วิ่งหนี” จากแสงแดดสีขาวและจัดเรียงใหม่ นั่นคือ กระจายไปทั่วท้องฟ้าและไปถึงดวงตาในที่สุด ทำให้เกิดภาพสีบนท้องฟ้า แต่ถ้าสีม่วงกระจายมากกว่าสีฟ้า แล้วทำไมท้องฟ้าถึงไม่เป็นสีม่วง แต่เป็นสีฟ้า?
มีสองเหตุผลสำหรับเรื่องนี้ ประการแรก เราทราบว่ามีสีม่วงในสเปกตรัมแสงอาทิตย์น้อยกว่าสีน้ำเงิน ประการที่สอง ดวงตาของมนุษย์มีความไวต่อสีน้ำเงินมากกว่าสีม่วง นี่คือสาเหตุที่ท้องฟ้ากลายเป็นสีฟ้าสำหรับเรา และถ้าไม่มีชั้นบรรยากาศ มันก็จะมืด เพราะจะไม่มีโมเลกุลมากระจายแสงแดดไปทั่วท้องฟ้า
ทำไมท้องฟ้าเป็นสีแดงตอนพระอาทิตย์ขึ้นและพระอาทิตย์ตก
เวลาพระอาทิตย์ขึ้นและตก แสงแดดต้องเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศเป็นระยะทางไกลกว่าเวลาที่ดวงอาทิตย์อยู่สูงบนท้องฟ้าถึงตาเรา ในกรณีนี้ รังสีสีม่วงและสีน้ำเงินจะกระจัดกระจายไปหลายครั้งในทิศทางแบบสุ่ม และสุดท้ายไปไม่ถึงดวงตาของเรา และหากมีฝุ่นละอองและหมอกควันจำนวนมากในชั้นบรรยากาศนั้น การกระเจิงบนอนุภาคเหล่านั้นจะยิ่งทำให้มีสีแดงมากขึ้นไปอีก ทำให้เกิดพระอาทิตย์ตกที่สวยงาม
