מדוע השמים והים כחולים?

הרבה תוהים למה השמים כחולים וצבע האוקיאנוס כחול ולעיתים ירוק. זו שאלה נהדרת שנוגעת לפיזיקה בסיסית של אור. הסיבה לכך שהשמים והאוקיינוס נראים כחולים ולעיתים האוקיינוס נראה גם ירוק, נובעת מתופעות פיזיקליות שונות, אך שתיהן קשורות לאופן שבו אור השמש מקיים אינטראקציה עם החומר. צבע השמים נובע מתופעה שנקראת פיזור ריילי (Rayleigh Scattering). 

אור השמש הנראה לעין מורכב מצברים רבים באורכי גל שונים, אותם אנו רואים כקשת בענן (אדום, כתום, צהוב ירוק, כחול, אינדיגו, סגול). אור כחול וסגול הם בעלי אורכי הגל הקצרים ביותר. אטמוספרת כדור הארץ שלנו מורכבת  בעיקר ממולקולות קטנות של חנקן (N2) וחמצן (O2). כאשר אור השמש עובר דרך האטמוספירה, מולקולות הגז הקטנות הללו מפזרות את האור. פיזור ריילי קובע, שאורכי גל קצרים (כחול וסגול) מפוזרים בצורה יעילה הרבה יותר מאורכי גל ארוכים (אדום וצהוב). מכיוון שהאור הכחול והסגול מפוזרים לכל הכיוונים, הם מגיעים לעינינו מכל חלקי השמיים ולכן השמים נראים לנו כחולים-תכלת. מדוע לא סגול? 

כי העניין שלנו רגישות יותר לאור כחול מאשר לסגול וגם השמש פולטת יותר אור כחול מאשר סגול. בשעות השקיעה והזריחה, אור המש עובר מרחק גדול יותר דרך האטמוספירה. בגלל המרחק הרב, רוב האור הכחול כבר התפזר והתרחק מקו הראייה שלנו ומה שנותר ומגיע לעינינו הם אורכי הגל הארוכים יותר – אדום, כתום וצהוב ולכן אנו רואים שמיים בצבעים אלו. שקיעה וזריחה: בשעות השקיעה והזריחה, אור השמש עובר מרחק גדול יותר דרך האטמוספירה. בגלל המרחק הרב, רוב האור הכחול כבר התפזר והתרחק מקו הראייה שלנו, ומה שנותר ומגיע לעינינו הם אורכי הגל הארוכים יותר – אדום, כתום וצהוב – ולכן אנו רואים שמיים בצבעים אלו. 

למה האוקיינוס נראה כחול? הסיבה לכך שהאוקיאנוס נראה כחול שונה מהסיבה לצבע השמים והיא קשורה לבליעה סלקטיבית של אור על ידי מולקולות מים. מים, למרות שבכמות קטנה (כמו בכוס) הם נראים חסרי צבע, למעשה בולעים אור בצורה סלקטיבית. מולקולות מים בולעות אור באורכי גל ארוכים. אורכי גל ארוכים הינם אדום, כתום, צהוב. המים בולעים את אורכי הגל הארוכים  בצורה חזקה יותר מאשר אורכי גל קצרים (כחול, סגול). כאשר אור השמש חודר למי האוקיינוס, אורכי הגל הארוכים (אדומים) נבלעים ראשונים ונעלמים תוך מטרים ספורים. ככל שהמים עמוקים יותר, כך יותר ויותר אורכי גל נבלעים, עד שלעומקים גדולים מאוד כמעט ואין אור כלל. האור הכחול, בעל אורך הגל הקצר ביותר, הוא זה שמצליח לחדור לעומק רב יותר ולהיות מפוזר בחזרה לעינינו ולכן אנו רואים את המים כחולים. הצבע הכחול של הים אינו השתקפות של השמיים. גם אם מצלמים את האוקיינוס מהחלל, שם אין שמים כחולים להשתקף בהם, הוא עדיין יראה כחול. למה האוקיינוס נראה לפעמים ירוק? 

צבע האוקיינוס יכול להשתנות מכחול לירוק (ואפילו לחום או אדום) כתוצאה מחומרים המצויים במים. הגורם העיקרי למים ירוקים הוא נוכחות גבוהה של פיטופלנקטון (אצות מיקרוסקופיות) במים. פיטופלנקטון מכיל כלורופיל, אותו פיגמנט ירוק, שנמצא גם בצמחי יבשה. כלורופיל בולע אור כחול ואדום ומחזיר או מפזר אור ירוק. לכן, כשיש כמות גדולה של פיטופלנקטון, המים ייראו ירוקים. 

זה נפוץ במיוחד באזורי חוף פכי נהרות ובאזורים עשירים בחומרי הזנה. חומרים אורגניים מומסים (כמו שרידי צמחים) יכולים גם הם לספוג אור כחול ולגרום למים להיראות יותר ירוקים או צהבהבים. חלקיקי חול, סחף, או חומרים אחרים המרחפים במים יכולים אור בצורה שונה ולתת למים גוון ירוק, חום ואפילו אדום. צבע השמים נובע מפיזור אור כחול על ידי מולקולות האוויר, בעוד שצבע האוקיינוס נובע מבליעה סלקטיבית של אור אדום על ידי מולקולות המים ומושפע גם מנוכחות של פיטופלנקטון וחומרים אחרים. 

צבעים אדומים, הכתומים והצהובים בשקיעה נובעים בגלל אורכי גל של האור והאופן שבו הם מפוזרים. הצבעים האדומים הכתומים והצהובים נוצרים בגלל צורת הבליעה של אורכי גל האור באטמוספרה ולא בגלל שהשמש עצמה משנה את צבעה. השמש עצמה פולטת אור לבן (שילוב של כל צבעי הקשת) באופן קבוע. היא לא משנה את צבעה לצהוב, כתום או אדום במהלך השקיעה. מה שמשתנה הוא הדרך שבבו האור מהשמש מגיע לעינינו דרך האטמוספירה. פיזור ריילי גורם לכך, אורכי גל קצרים (כחול וסגול) מפוזרים ביעילות רבה יותר על ידי מולקולות האוויר באטמוספירה מאשר אורכי גל ארוכים (אדום, כתום וצהוב).

 כשהשמש גבוהה בשמיים, אור השמש עובר דרך כמות קטנה יחסית של אטמוספירה. רוב האור הכחול והסגול מפוזר לכל הכיוונים ולכן השמיים נראים כחולים. חלק ניכר מכל הצבעים (כולל האדום והצהוב) מגיע אלינו ישירות מהשמש ולכן השמש נראית לנו צהבהבה (כיוון שהכפול פוזר). בזמן השקיעה המרחק גדול יותר. קרני השמש צריכות לעבור מרחק ארוך הרבה יותר דרך האטמוספירה, כדי להגיע לעינינו, מכיוון שהן מגיעות בזווית נמוכה. לאורך המרחק הארוך הזה, כמעט כל האור הכחול והסגול מתפזר לחלוטין (או מוסט הצידה) עוד לפי שהוא מגיע אלינו. הצבעים שנותרים ומצליחים לעבור את רוב האטמוספירה ולהגיע לעינינו ם אלה עם אורכי הגל הארוכים יותר: אדום, כתום וצהוב.  

לכן, המש עצמה וגם שמים סביבה (שמוארים על ידי האור הלא מפוזר הזה) נראים לנו בגווני אדום, כתום וצהוב. גם חלקיקים גדולים יותר באטמוספירה, כמו אבק, עשן או טיפות מים זעירות (בעיקר אחרי גשם א וכשיש זיהום אוויר), יכולים להגביר את פיזור האור, במיוחד את אורכי הגל הירוקים והצהובים ולהעצים את עוצמת הצבעים האדומים והכתומים בשקיעה. צבעי השקיעה הם עדות מרהיבה לכוחו של פיזור ריילי והאופן שבו האטמוספירה שלנו פועלת כמסנן אור טבעי, שמסיר את הצבעים הכחולים וחושף את הגוונים החמים יותר של אור השמש. 

פיזור ריילי קרוי על שמו של הפיזיקאי הבריטי הנודע ג'ון וילאם סטראט, הברוך השלישי ריילי (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh). אכן, פיזור ריילי קרוי על שמו של הפיזיקאי הבריטי הנודע ג'ון ויליאם סטראט, הברון השלישי ריילי (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh). לורד ריילי (1842-1919) היה אחד הפיזיקאים הבולטים והמשפיעים ביותר בתקופתו. הוא תרם רבות הן לפיזיקה תיאורטית והן לפיזיקה ניסיונית במגוון רחב של תחומים. 

תרומותיו כללו אקוסטיקה (הוא כתב ספר קלאסי על תורת הקול), אופטיקה, תורת הגלים, מכניקת הנוזלים ועוד. אחד מהישגיו המפורסמים ביותר, שבזכותו גם זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1904, הי גילוי גז הארגון (יחד עם ויליאם רמזי). הוא שם לב, שבניסויים על צפיפות גזים, חנקן, שהופק מהאוויר היה כבד יותר מחנקן שהופק מכימיקלים. הוא שיער שיש רכיב נוסף באוויר, יסוד לא ידוע, שהוביל לגילוי הארגון. בתחום האופטיקה ריילי סיפק טיפול תיאורטי ראשון והמדויק לתופעת פיזור אור על ידי חלקיקים קטנים בהרבה מאורך גל אור. הוא פיתח את הנוסחה המתמטית המסבירה את התלות החזקה ל הפיזור באורך הגל (כלומר, שאורכי גל קצרים מפוזרים הרבה יותר). 

זו בדיוק התופעה שמסבירה מדוע השמיים נראים כחולים ומדוע השקיעות והזריחות נראות אדומות/כתומות. התרומה הייתה כל כך מהותית ומשמעותית, עד שהתופעה נקראה על שמו. לורד ריילי היה גם פרופסור לפיזיקה ניסיונית באוניברסיטת קיימברידג' (ירש את ג'ימס קלרק מקסוול בתפקיד) וכיהן כנשיא החברה המלכותית. הוא נחשב למדען מבריק ורב-גוני. לכן, "פיזור ריילי" קרוי על שמו של המדען, שהגה והוכיח באופן תיאורטי וניסויי את העיקרון הפיזיקלי, העומק מאחורי תופעה זו. מהו גל אור? אור הוא גל. 

אור הוא צורה של קרינה אלקטרומגנטית והוא מתנהג כמו גל. כמו גלי ים, גם לגלי אור יש אורך גל. אורך גל זהו המרחק בין שתי נקודות זהות עוקבות בגל (לדוגמה, בין שיא אחד לשיא הבא). מה הקשר בין צבע ואורך גל? הצבעים השונים, אנו רואים באור הנראה קשורים לאורכי גל שונים. אור אדום הינו בעל אור ךגל הארוך ביותר (כ-620 עד 750 ננומטר). אור כחול/סגול - בעל אורך גל קצר ביותר (כ-380 עד 495 ננומטר). (ננומטר=מיליארדית המטר, מספר קטן מאוד). מהם "חלקיקים קטנים בהרבה מאורך גל של האור"? זהו תנאי המפתח לפיזור ריילי. הכוונה היא לכל דבר פיסי (אטום, מולקולה, אבק) שגודלו קטן באופן משמעותי מאורך הגל של קרן האור. הכוונה לקרן אור הפוגעת באותו חלקיק קטן יותר ממנה מבחינת אורך גל. באטמוספירה של כדור הארץ, החלקיקים העיקריים, שמפזרים אור הם מולקולות הגז (חנקן N2 וחמצן O2). הגודל של מולקולות אלה הוא בסדר גודל של כמה עשיריות של ננומטר (פחות מ-1 ננומטר). לעומת זאת, אורכי גל של האור הנראה נעים בין כ- 380 ל – 750 ננומטר. מכיוון ש – 1 ננומטר קטן בהרבה מ – 380 ננומטר, מולקולות הגז באטמוספירה עונות על הקריטריון של "חלקיקים קטנים בהרבה מאורך הגל של האור".

למה התנאי הזה חשוב?  התנאי, שגודל החלקיק הקטן בהרבה מאורך הגל של האור הוא מה שמבדיל את פיזור ריילי מסוגי פיזור אחרים (כמו פיזור מי, Mie scattering, המתרחש כשחלקיקים גדולים יותר, כמו טיפות מים בעננים, מפזרים אור באופן שווה יותר לכל הצבעים ולכן העננים נראים לבנים. כאשר החלקיקים קטנים בהרבה מאורך הגל, נוצרת תלות חקה במיוחד באורך הגל של האור המפוזר. ריילי גילה, שהעוצמה של האור המפוזר פרופורציונלית ל 1/λ4 (אחד חלקי אורך הגל ברביעית). אורך גל קצר ברביעית יהיה מספר קטן מאוד במכנה ולכן הפיזור יהיה גבוהה מאוד. אורך גל אורך ברביעית יהיה מספר גדול במכנה ולכן הפיזור יהי נמוך מאוד. זה מסביר מדוע אור כחול (אורך גל קצר) מפוזר בערך פי 16 יותר מאור אדום (אורך גל ארוך). 

לכן, השמיים נראים כחולים. כאשר מולקולות האוויר באטמוספירה או חלקיקים דומים הן זעירות כל כך ביחס לאורך הגל של האור, יש פיזור. כאשר מולקולות אוויר זעירות ביחס לאורך גל אור הן פועלות באופן שמפזר בצורה דרמטית יותר את הצבעים עם אורכי הגל הקצרים (כחול וסגול ופחות את הצבעים עם אורכי הגל הארוכים. (אדום, כתום) ריילי היה הראשון שפיתח את התיאוריה המתמטית המדויקת שמסבירה בדיוק את התלות הזו.