האם יצא לכם להביט אל השמיים ולתהות מהו מקור צבעם הכחול? ומדוע צבעם משתנה לגוונים ססגוניים של אדום בזמן השקיעה או הזריחה?
ההסבר לשאלות הללו טמון בתופעה מרתקת שמתרחשת סביבנו מדי יום ביומו. היא נובעת מיחסי הגומלין בין אור לחומר, שגורמים לאור להתפזר. אך על מנת להבין איך, מדוע ומתי אור מתפזר, עלינו להבין תחילה מהו בכלל אור.
הכירו: אור
האור הוא למעשה קרינה אלקטרומגנטית שאת תנועתה אפשר לתאר כתנועת גל, בדומה לגלים במים או לגלי קול. האור שנפלט מהשמש לכיוון כדור הארץ מורכב מכל הצבעים שאנחנו רואים וממשיך הלאה מהם אל סוגי קרינה שהעין האנושית אינה מסוגלת לקלוט: קרינה תת-אדומה (אינפרה-אדומה) ועל-סגולה (אולטרה-סגולה). לכל צבע (קרינה אלקטרומגנטית) שאנו רואים יש אנרגיה שאופיינית רק להם (המחשה ראו באיור למטה).
באופן קצת יותר פשוט, ניתן גם לתאר את הקרינה האלקטרומגנטית כחלקיקים בעלי אנרגיה מסוימת שנקראים פוטונים. האנרגיה שיש לכל פוטון מייצגת צבע שונה. לדוגמה, פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה יחסית יזוהו על ידי המוח האנושי בתור הצבע הכחול ואילו פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה יותר יזוהו למשל כירוק, צהוב או אדום. האור הלבן שאנו רואים מהשמש מכיל את כל הצבעים ביחד, כלומר פוטונים בכל רמות האנרגיה, כך שאם נפזר אותו למרכיביו (למשל באמצעות מנסרה) נוכל לראות את כל סקלת הצבעים. את סקלת הצבעים המלאה ניתן לתאר על פי האנרגיה המתאימה להם באופן הבא:
סקלת הצבעים לפי אנרגיית הקרינה האלקטרומגנטית | איור: מאת המחבר
פיזור האור (פיזור ריילי)
עכשיו, אחרי שהבנו מהו האור, נוכל להתקדם אל העיקר ולתאר מדוע הוא מתפזר. בזמן שהשמש מאירה מעלינו היא משחררת פוטונים בעלי אנרגיה שונה שנעים במהירות האור לעבר כדור הארץ. כשהפוטונים האלה נכנסים לאטמוספירה של כדור הארץ הם נתקלים במגוון רב של מולקולות, ביניהן מים (H2O), חמצן (O2), חנקן (N2), פחמן דו-חמצני (CO2) וגזים נוספים. בעת המפגש ביניהם אנרגיית הפוטון מועברת למולקולת הגז, או שהמולקולה בולעת את אנרגית הפוטון ולוקחת אותה אליה. בליעת האנרגיה במולקולות הגז גורמת לקיטוב המטען במולקולה.
רגע אחד. קיטוב? במולקולה? מה זאת אומרת?
קיטוב הינו הפרדה או הרחקה של מטענים חיוביים ממטענים שליליים. מכיוון שבאופן טבעי מטענים אלה נמשכים זה לזה, ההפרדה ביניהם דורשת השקעה של אנרגיה. תופעת הקיטוב במולקולה מתרחשת באמצעות האנרגיה שמועברת מן הפוטון.
כדי להמחיש כיצד האנרגיה נבלעת במולקולת הגז, דמיינו לרגע את המולקולה ככדור המכיל אוסף של מטענים חיוביים ושליליים. כשהמולקולה נמצאת "במנוחה", המטענים מפוזרים באופן בו הכי נוח למולקולה. אך כשפוטון פוגע במולקולה ומעביר לה את האנרגיה שלו, המטענים מתחילים להתרחק זה מזה בדומה למתיחה של קפיץ. תהליך "מתיחת הקפיץ" הינו בעצם תהליך שבו המולקולה הופכת למקוטבת. כלומר, הקיטוב נגרם בשל תנועת מטענים שליליים (אלקטרונים) לכיוון אחד ומטענים חיוביים (פרוטונים) לכיוון הנגדי.
מכיוון שהמצב ה"דרוך" הזה אינו המצב המועדף על המולקולה, היא תבקש להיפטר מהאנרגיה העודפת שצברה ולהתכווץ בחזרה למצב שבו הייתה לפני הקיטוב (מצב המנוחה). בעת החזרה למצב זה המולקולה פולטת בחזרה את האנרגיה (פוטון) שבלעה.
המולקולה "במנוחה", מתוארת באיור כעיגול עם אוסף של מטענים חיוביים ושליליים. הקרינה דורמת לה "להימתח" ולהתקטב, וכשהמולקולה חוזרת למצב מנוחה הפוטון נפלט בחזרה | איור: מאת המחבר
בדרך זו, אוסף הפוטונים (צבעים) שמגיע מהשמש נבלע במולקולות הגז באטמוספירה ומתפזר בחזרה לסביבה, אך לאו דווקא באותו כיוון שבו הוא נע קודם. לכן אפשר בהפשטה לתאר כל מולקולה כזו כמעין זרקור זעיר שפולט אור בצבעים שונים לכל הכיוונים. פיזור האור על ידי מולקולות הגז באוויר נקרא גם פיזור ריילי, על שם הפיסיקאי הבריטי לורד ג'ון ויליאם סטראט ריילי שגילה את התופעה זו.
אז מדוע השמיים כחולים?
לפי תגליתו של ריילי, פיזור הפוטונים על ידי מולקולות הגז איננו זהה עבור כל פוטון. ככל שהאנרגיה של הפוטונים גבוהה יותר, כך הם יתפזרו יותר – ולכן הצבע הכחול (בעל האנרגיה הגבוהה ביותר) יתפזר יותר מכל שאר הצבעים.
בנוסף, כל צבע מתפזר באופן שונה. הצבע הכחול, למשל, מתפזר באופן שווה לכל הכיוונים, ואילו האדום מתפזר רק בזווית קטנה ביחס לכיוון הפגיעה שלו. כלומר, הצבע האדום כמעט שאינו מתפזר, אלא פשוט חודר מבעד למולקולות וממשיך הלאה, בעוד שהצבע הכחול מתפזר חזק לכל הכיוונים.
כעת דמיינו אלומת אור לבן שמגיעה מן השמש לעבר לאטמוספרת כדור הארץ (ראו באיור למטה). כשהשמש נמצאת גבוה בשמיים, רוב אלומת האור הלבן חולפת גבוה מעלינו ולכן הצבע שנראה יהיה הצבע שמתפזר בצורה החזקה ביותר ולכל הכיוונים. זו הסיבה שבגללה הצבע שאנו רואים בשמיים במהלך היום הוא הצבע הכחול.
לעומת זאת, בזמן השקיעה או הזריחה השמש נמצאת נמוך בשמיים כך שאלומת האור הלבן המגיעה מהשמש נמצאת ממש מולנו. מכיוון שהאור האדום מתפזר בעיקר בזוויות חדות מאוד ביחס לכיוון הפגיעה שלו (קרוב לאפס מעלות), אם נביט לכיוון האופק בעת שקיעת השמש או זריחתה, נראה גוונים חמים של אדום. אך אם נרים את ראשינו קצת יותר גבוה, כלומר בזווית גבוהה יותר, שוב נראה שמיים כחולים, משום שבזוויות אלו הצבע האדום כבר כמעט ואיננו מתפזר.
פיזור ריילי של אור השמש פוגע במולקולות אוויר. צבע השמיים שאנו רואים נקבע על פי זווית השמש ביחס אלינו | איור: מאת המחבר
פיזור האור בשמיים הוא תופעה מרתקת ומופלאה, שאינה מוגבלת רק לצבע השמיים, אלא מעורבת גם ביצירת צבעים במקרים רבים אחרים. חשבתם פעם, למשל, מהי התופעה אשר גורמת לעיניים להיראות כחולות אצל אנשים רבים?
רן טבעוני
דוקטורנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
