למה האוויר נראה לנו שקוף?

אנחנו חיים בקרקעיתו של אוקיינוס של אוויר, הלוא הוא האטמוספרה. האוויר הזה עשיר ומורכב – יש בו חומרים שאנחנו נושמים ופולטים, והוא רובץ עלינו כל רגע ורגע בחיינו – מסת האוויר שלוחצת על אדם ממוצע שווה בערך לטון. למרות זאת, האוויר נראה לנו שקוף לחלוטין. אנחנו מרגישים אותו ורואים אותו מפעיל כוח על עצמים אחרים, אך איננו מסוגלים לראות אותו ישירות בדרך כלל.

מדוע זה כך? כדי להבין את זה עלינו להסביר תחילה מדוע עצמים מסוימים נראים לנו שקופים. התשובה טמונה בהתנהגותו של האור הנראה. כשאור פוגע בחומר הוא יכול לעבור דרכו, לחזור ממנו או להיבלע בו. אם הוא חוזר או נבלע, נראה את החומר. לעומת זאת, אם האור יעבור ללא הפרעה, החומר יהיה שקוף עבורנו. חומרים רבים אינם אטומים או שקופים לחלוטין, אלא משלבים בין השניים – למשל זכוכית צבעונית, שאנו רואים דרכה אך גם מבחינים בקיומה.

אבולוציה של אור

הסיבה הראשונה לכך שהאוויר נראה לנו שקוף היא מצב הצבירה שלו – גז. זהו מצב צבירה שבו חלקיקי החומר – המולקולות – לא מקיימים כמעט קשרים זו עם זו. בשל כך, מולקולות הגז נוטות להיות רחוקות מאוד זו מזו בהשוואה לנוזלים ולמוצקים, והאור עובר דרכו כמעט בלי הפרעה.

אבל זהו רק חלק מההסבר, שכן לא כל הגזים שקופים ואנו מסוגלים לראות אדי מים או תחמוצות חנקן – אחד המרכיבים של הערפיח. הסיבה השנייה והמרכזית יותר לשקיפות האוויר היא שתחום הקרינה האלקטרומגנטית שאנו מסוגלים לראות נכלל בטווח לא גדול במיוחד של גלים שמצליחים לחדור את האטמוספרה של כדור הארץ.

השמש פולטת טווח רחב מאוד של קרינה אלקטרומגנטית, החל בקרינת גאמה וקרינת רנטגן רבת עוצמה, שאורכי הגל שלה קצרים במיוחד וכלה בגלי רדיו ארוכים ואיטיים שאורך הגל שלהם מגיע לקילומטרים רבים. עם זאת, טווח אורכי הגל של האור הנראה הרבה יותר מצומצם: הוא מתחיל ב-350 ננומטר (מיליארדיות המטר) – האור שאנחנו מזהים כצבע הסגול, ונמשך עד 750 ננומטר – אור אדום. זהו חלק זעיר ביותר מכלל האור המגיע לכדור הארץ.

הטווחים של אורכי הגל שהאטמוספרה מסננת (בחוּם) ושעוברים דרכה ומגיעים אל פני כדור הארץ | איור: (ESA/Hubble (F. Granato 

האטמוספרה של כדור הארץ חוסמת את מרבית אורכי הגל ולא מאפשרת להם להגיע אל פני האדמה. גלים קצרים מאוד (כמו קרני גאמה, קרני רנטגן ורוב התחום העל-סגול) וארוכים מאוד (למשל קרינה תת-אדומה) נחסמים כבר במרומי האטמוספרה על ידי שכבת האוזון ואדי המים שבאוויר. בשל כך, כמעט כל הקרינה המגיעה לאדמה נמצאת בתחום הנראה, או בתחום של גלי רדיו ארוכים מאוד.

אבל למה אנחנו רואים דווקא את תחום הגלים הזה, ולא את כל תדרי האור המגיעים אל פני האדמה?. הסיבה לכך טמונה באבולוציה של מערכת הראייה שלנו. ברשתית העין קיים חלבון בשם רודופסין שאחראי על קליטת האור והמרתו לאותות חשמליים שנקלטים במוח, והוא זה שמאפשר לנו להבדיל בין אורכי גל של האור ולראות צבעים. בעין האדם קיימות שלוש תצורות של רודופסין הרגישות לצבעים אדום, ירוק וכחול, ואחת שמשמשת לראיית לילה.

חלבוני הרודופסין האנושיים זהים כמעט לגמרי לאלה שיש ליצורים רואים בכל ממלכת החי, כגון דגי זהב, תרנגולות וזבובים. בנוסף קיים רודופסין גם אצל חיידקים מסוימים, שנעזרים בו כדי לנוע לעבר מקורות אור או להימנע מהם. בשל כך קיימת הסברה כי החיידקים הללו הם המקור לכל חלבוני הרודופסין בממלכת החי. המשמעות האבולוציונית היא שהרודופסין התפתח כנראה פעם אחת ויחידה באב קדמון המשותף לכל היצורים הרב-תאיים, ולא השתנה רבות במרוצת השנים. למרות סוגיו השונים, מבנה הרודופסין מגביל אותו לקליטת האור הנראה בלבד, ועל כן איננו מסוגלים לראות אורכי גל אחרים.

לראות את הבלתי נראה

למרות זאת, יש בטבע תופעות שמאפשרות לנו לזהות את נוכחותו של האוויר. הן מבוססות על כך שאוויר הנמצא בדרגות שונות של לחץ או צפיפות יכול להתנהג כשכבות נפרדות. בשל כך, כשאור חולף בין שכבה אחת לחברתה הוא עשוי להתעקם או להישבר.

דוגמה לכך היא התופעה המכונה פטה מורגנה, או חזיון תעתועים. היא מתרחשת בימים חמים במיוחד, שבהם אוויר חם נמצא מתחת לאוויר קר יותר – לדוגמה, שכבת האוויר מעל כביש לוהט תהיה חמה יותר מהאוויר מעליה. צפיפות האוויר בשכבה החמה נמוכה מזו של האוויר הקר שמעליה. מאחר שאור נע מהר יותר באוויר דליל וחם, ולאט באוויר סמיך וקר, הוא נשבר או מוחזר כשהוא עובר בין השכבות כאשר האור יעבור בתווך שבין האוויר החם והקר הוא יישבר או יוחזר, והמוח שלנו מפרש את השבירה הזאת כ"מים בלב המדבר".

אשליה שנובעת מהבדלי הטמפרטורות בין שכבות האוויר. פאטה מורגנה (מיראז') במדבר בלוב | צילום: DAVID PARKER / SCIENCE PHOTO LIBRARY

תופעה דומה אחרת היא אפקט שלירה (Schlieren effect). בדומה לפטה מורגנה, גם כאן מדובר בשבירת אור שמתרחשת עקב שינוי בתכונות הפיזיקליות של שכבות באוויר – במקרה הזה לחץ האוויר. אפקט שליר הוא הרבה יותר רגיש מהפטה מורגנה, שכן הוא מאפשר להבחין בהפרשי לחצים קטנים מאוד, הנובעים מתנועה של עצמים או מהבדלים בהרכבי גזים שונים. כשאוויר זורם סביב חפץ בתנועה, למשל קליע במעופו, נוצרים הפרשי לחצים וצפיפויות שמשנים מעט את הנתיב שהאור עובר בו. לכן אנו יכולים לפעמים להבחין בתנועת האוויר מסביב לחפצים נעים.

מאפשר לראות זרימה של אוויר. צילום של אפקט שלירה בתנועה על קולית של אוויר סביב גליל במנהרת רוח | צילום: DR. GARY SETTLES / SCIENCE PHOTO LIBRARY

תופעת כאלה מאפשרות לנו לראות את האוויר השקוף, ולו לרגע קל. אך כאמור בשאר הזמן אנו מוגבלים בידי אורכי הגל שהסתגלנו לראות במשך דורות רבים של אבולוציה, ולאלה שמצליחים לחדור בכלל מבעד לאטמוספרה של עולמנו. את הנותרים אנו יכולים לראות רק באמצעות מכשירים מיוחדים, כמו טלסקופי רדיו וגלאים מיוחדים.