معمای رنگ اتمسفر؛ چرا آسمان همه جا به یک اندازه آبی نیست؟

پایگاه خبری تحلیلی افق میهن (ofoghmihan.ir):

زومیت: علم می گوید تفاوت آسمان آبی خالص و غبارآلود، داستان رویارویی آلاینده های انسانی با پدیده های فیزیکی است که می تواند سرنوشت آب و هوایی سیاره را تغییر دهد.

تصور کنید در یک روز معمولی روی یک صفحه یخی در قطب جنوب ایستاده اید. چشمانت به آسمان می افتد و با رنگ آبی، پاک و درخشان روبرو می شوی. اکنون، در مقابل، طوفان گرد و غبار را بر فراز رشته کوه هیمالیا تجسم کنید. همانطور که به آسمان برای یافتن ردی از آبی نگاه می کنید، تنها با یک توده سفید کسل کننده مواجه می شوید. در اینجا، یک سوال کلیدی مطرح می شود: چرا آسمان در برخی از نقاط زمین آبی تر از نقاط دیگر به نظر می رسد؟

شاید بارها این بیت آشنا از مهدی اخوان الطلیحی را شنیده باشید که می پرسد: آسمان همه جا یک رنگ است؟ و اکنون فیزیک پاسخ روشن و تکان دهنده ای برای این سوال دارد: نه، آسمان همه جا یک رنگ نیست. از آبی شفاف قطب جنوب تا سفید ابری غبار هیمالیا، رنگ جو زمین در واقع شناسه نوری ذراتی است که در آن لحظه تنفس می کنیم.

رنگ جو زمین شناسه نوری ذراتی است که ما تنفس می کنیم

در یک مطالعه جدید که هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است، گروهی از دانشمندان به یافته های جدیدی دست یافته اند که نشان می دهد پدیده تفاوت رنگ در جو زمین بسیار بیشتر از یک جلوه بصری ساده است. در واقع، رنگ آسمان ثبت دقیقی است که محتویات معلق در هوای اطراف ما را آشکار می کند.

رنگ آبی آسمان نتیجه مستقیم یک پدیده فیزیکی به نام پراکندگی ریلی است. در این فرآیند، جو زمین مانند یک فیلتر عمل می کند. هنگامی که نور خورشید وارد جو می شود، میدان الکتریکی نوسانی نور باعث می شود که الکترون های موجود در مولکول های هوا (عمدتاً نیتروژن و اکسیژن) به ارتعاش درآیند.

الکترون های نوسانی خود منبع تابش می شوند و نور را در همه جهات منعکس می کنند. هر چه این الکترون ها توسط نور خورشید شتاب بیشتری داشته باشند، نور بیشتری ساطع می کنند. از آنجایی که طول موج های کوتاه تر (مانند آبی و بنفش) با فرکانس بالاتری در نوسان هستند، باعث شتاب بیشتر الکترون ها می شوند و در نتیجه این رنگ ها با قدرت بسیار بیشتری در آسمان پخش می شوند و به چشم ما می رسند.

ممکن است بپرسید، اگر طول موج‌های کوتاه‌تر بیشتر پراکنده می‌شوند، پس چرا آسمان بنفش نیست؟ از دیدگاه فیزیک محض، آسمان واقعاً بنفش است. زیرا طول موج بنفش حتی کوتاهتر از آبی است و پراکندگی بیشتری دارد. اما دو دلیل اصلی باعث می شود آن را آبی ببینیم. اولاً بخش زیادی از نور بنفش در لایه های بالایی جو جذب می شود و ثانیاً ساختار چشم انسان نسبت به رنگ آبی بسیار حساس تر است.

ترکیب گرد و غبار صحرا با آلاینده های انسانی با پراکندگی نور به طیف وسیع تری از طول موج ها، آسمان را به رنگ سفید ابری تبدیل می کند.

برخلاف مولکول‌های ریز هوا، ذرات بزرگ‌تر به عنوان نقاط منفرد با نور برخورد نمی‌کنند. در این شرایط، بخش‌های مختلف یک ذره به نقاط مختلف موج ورودی واکنش نشان می‌دهند و الگوی پیچیده‌ای از نور پراکنده ایجاد می‌کنند. در این حالت تمام طول موج های نور خورشید تقریباً به یک اندازه پراکنده می شوند و ترکیب آنها باعث می شود آسمان سفید و غبارآلود به نظر برسد. دقیقاً به همین دلیل است که ابرها سفید دیده می شوند، زیرا از قطرات ریز آب تشکیل شده اند.

تیم دانشمندان در تحقیقات خود موفق شدند پدیده مذکور را به صورت زنده و در ابعاد واقعی رصد کنند. آنها با مطالعه یک طوفان گرد و غبار بر فراز هیمالیا، خواص نوری آن را هنگام عبور از منطقه به دقت تجزیه و تحلیل کردند.

یافته ها نشان داد که طوفان گرد و غبار با ذرات آلوده کننده در مسیر خود ترکیب می شود. تیم تحقیقاتی «ضریب شکست مختلط» این ذرات را با اندازه‌گیری میزان پراکندگی و جذب نور محاسبه کردند. عددی که نحوه تعامل ماده با نور را نشان می دهد. نتایج نشان می دهد که ترکیب گرد و غبار صحرا با آلاینده های انسانی باعث پراکندگی نور در طیف وسیع تری از طول موج ها شده و آسمان را به رنگ سفید کدر تبدیل می کند.

آمیت سینگ چندل، نویسنده ارشد این مطالعه، در گفتگو با رسانه علمی Refractor توضیح داد: در هیمالیاهای غربی، ما به ندرت با گرد و غبار معدنی خالص مواجه می شویم. در عوض، گرد و غبار آلوده را می بینیم که مخلوط پیچیده ای است. ذرات معدنی در اینجا به عنوان بستری برای رسوب آلاینده های انسانی مانند کربن سیاه و سولفات ها عمل می کنند. این وضعیت ترکیبی، سطح مقطع جذب و پراکندگی ذرات را کاملاً تغییر می‌دهد».

آمیت سینگ چندل می افزاید: هنگامی که آلاینده ها به ذرات گرد و غبار می چسبند، مخلوط حاصل، نور خورشید را بسیار بیشتر از غبار خالص جذب می کند، که شفافیت جو را کاهش می دهد و آسمان را ابری می کند.

تغییر رنگ آسمان ممکن است در ظاهر ساده به نظر برسد، اما پیامدهای زیست محیطی آن عمیق است. فرانک رابینسون، دانشیار فیزیک در دانشگاه قلب مقدس گفت: ذرات آئروسل به عنوان هسته های تشکیل دهنده ابر عمل می کنند و توانایی تغییر الگوهای آب و هوا را دارند.

فرانک رابینسون توضیح می دهد که تأثیر ذرات معلق در هوا بر تشکیل ابرها یکی از بزرگترین چالش ها و عدم قطعیت در مدل سازی آب و هوای جهانی است. ابرهای کم ارتفاع (کومولوس) که تحت تأثیر این آلاینده‌ها تشکیل می‌شوند، نور خورشید را به فضا بازتاب می‌کنند و زمین را خنک می‌کنند، در حالی که ابرهای ارتفاع بالا (سیروس) دقیقاً اثر معکوس دارند.

فرآیند فوق به عنوان خنک کننده ماسک شناخته می شود. پدیده ای که به طور موقت بخشی از اثرات گرمایش زمین را از دید ما پنهان می کند و تسکین کوتاه مدتی را فراهم می کند. اما چالش اصلی در اینجا این است که اگر روزی تصمیم بگیریم هوا را به طور کامل تمیز کنیم، سپر خنک کننده ظرف چند دهه ناپدید می شود، در حالی که دی اکسید کربن انباشته شده برای قرن ها در جو باقی می ماند. نتیجه این رویداد می تواند یک شتاب ناگهانی و شدید در گرم شدن سیاره باشد.

در نهایت، رنگ آبی آسمان نه تنها یک جلوه بصری برای لذت بردن است، بلکه پیامی واضح از خلوص هوا و شرایطی است که ذرات نامرئی معلق در جو برای سیاره ما ایجاد می کنند.