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.

27 תגובות

  • ע.י.י.

    כיוון קיטוב השמש

    אם הייתי רוצה לקטב את קרינת השמש כדי לחסום סנוור, לאיזה כיוון הייתי צריך לקטב? תודה.

  • יוסף

    שמים כחולים

    לפי זה כל אור לבן היה צריך להראות כחול, למה רק אור השמש?

  • דן לרמן

    מדוע אור אדום יותר חם מאור כחול למרות שהוא בעל אנרגיה פחותה מאו

    מדוע אור אדום יותר חם מאור כחול למרות שהוא בעל אנרגיה פחותה מאור כחול

  • אסיף

    עירור

    לא הבנתי איך נוצר פיזור ריילי, הרי אותי לימדו שכאשר פוטונים פוגעים באלקטרון (במולקולה יש אלקטרונים) אז נוצר פלורסנציה מה שיתן רק לצבע אחד לעבור בהתאם לרמת האנרגיה, איך זה הגיוני שפה כל הצבעים נפלטים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    תשובה

    אסיף שלום,
    כאשר אור (או פוטונים) פוגעים בחומר יכולות להתרחש מספר תופעות ביניהן גם בליעה ופליטה. פיזור ריילי מתרחש כאשר הפוטונים אינם בעלי אנרגיה גבוהה מספיק בכדי לגרום למעברים אלקטרוניים (בליעה) אלא רק למעברים וויברציוניים (קיטוב) ולכן לא מתרחשת פליטה (פלואורסנציה) אלא פיזור. כמו כן, ישנן תופעות אחרות שיכולות להתרחש כמו החזרה של האור, פיזור מסוגים פוספורסנציה וכו'.
    במידה והאור הנראה היה מספיק אנרגטי להיבלע על ידי מולקולות הגז הייתה מתרחשת גם פלואורסנציה.
    מקווה שעזרתי,
    רן.

  • אסף

    כיוון הקיטוב

    זה לא ממש קשור ישירות אבל מדוע אור מוחזר מקוטב בצורה בררנית, למשל האור המוחזר מהקרקע מקוטב באופן אופקי

  • רון

    שאלה

    שלום ותודה רבה על ההסבר המעניין.
    בקשר לתופעת הקיטוב רציתי לשאול למה חומרים במצב מוצק ונוזלי לא מפזרים את האור כמו מולקולות הגז באוויר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    תשובה

    רון שלום,
    שאלתך טובה. פיזור ריילי מתרחש גם בנוזל וגם במוצק. כך למשל פיזור ריילי מתרחש כשאור פוגע במים מה שבזוויות מסוימות מעניק להם גם את הגוון הכחול. כמו כן, פיזור ריילי מתרחש בתרחיפים שבהם ישנם ננו-חלקיקים ולכן לעיתים תרחיפים אלו נראים כחולים.
    בקישור הבא מוצגת תמונה של פיזור ריילי מתרחיף של ננו חלקיקי סיליקה (זכוכית)- http://www.tradeindia.com/fp1481012/Sio2-Nanoparticles-Dispersion.html
    שים לב לגוון הכחול הנוצר כתוצאה מפיזור ריילי. מקווה שעזרתי,
    רן.

  • ניצן המרמן

    הרים כחולים במרחק

    מדוע אם כן, הרים רחוקים בנוף הופכים כחולים יותר למראה ככול שהם רחוקים יותר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    הרים כחולים במרחק

    שאלה מעניינת. הנה תשובתי המוצעת. כמובן שצבעם של ההרים איננו באמת כחול. ככל שאנו מתרחקים מאובייקט מסוים כך האור או הצבע הנפלט ממנו נראה לנו חלש יותר מכיוון שפחות אור מגיע מהאובייקט אלינו לעין. בנוסף, המרחק הגדול מוביל לכך שההרים בקו האופק מעין מתמזגים עם השמיים ולכן הצבע שמגיע אלינו לעין הוא צבעם החלש של ההרים בנוסף למעט צבע כחול מהשמיים. הדבר נותן תחושה שהאובייקט הנמצא הרחק בקו האופק נראה לנו כחול. מקווה שתשובתי מספקת.

  • ים

    למה לא כחולים?

    אם האור הכחול מתפזר הכי טוב מכיוון שהוא בעל אנרגיה גבוהה, מדוע השמיים לא סגולים? הרי סגול הוא האור הנראה בעל האנרגיה הגבוהה ביותר

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    למה לא סגול.

    שאלה טובה (שנשאלה כבר למטה....)

    סגול הינו הצבע הנראה האנרגטי ביותר ולכן עליו להתפזר חזק יותר מהכחול. הסיבה שהשמיים לא סגולים היא מכיוון שהאור הנראה המגיע מן השמש מכיל בתוכו מעט מאוד צבע סגול ביחס לצבע כחול. לכן, הפיזור של הסגול זניח ביחס לכחול ומהסיבה הזו הצבע שאנו רואים בשמיים הינו כחול ולא סגול.

  • נדב ע

    למה השמיים כחולים

    כשלמדתי לתואר (כימיה) אני זוכר שלימדו אותנו שהשמיים כחולים כי חמצן מפזר בעיקר אורך גל כחול, וכמעט שלא מפזר אורכי גל אחרים.
    אתה אומר שכל המולקולות מפזרות בכל אורכי הגל, פשוט לא תמיד בכל הזוויות.
    אז.. מה נכון?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    למה השמיים כחולים

    האויר מכיל בעיקר את הגזים חמצן, חנקן ופחמן דו חמצני. הצבע הכחול מתפזר הכי חזק על ידי מולקולות אלו ולכל הכיוונים. מה שנאמר בכתבה הוא שככל שהצבע פחות אנרגטי כך הוא מתפזר פחות. לכן, צבע אדום (הנמוך ביותר אנרגטית בתחום הנראה) כמעט ואיננו מתפזר אלא "חודר" דרך המולקולה ולכן ניתן להבחין בו רק כשהשמש נמצאת מולנו בזריחה או בשקיעה. כלומר חפי דיאגרמת פיזור ריילי האדום מתפזר בזווית 180 או בזוויות הקרובות ל-180.
    מקווה שעזרתי....

  • נדב ע

    לא לגמרי

    אני שואל בעצם אם זה קורה בעיקר על ידי החמצן, או שגם לחנקן יש תרומה לענין.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    תשובה

    לא רק חמצן מפזר את האור בשמיים אלא גם החנקן באותה המידה. צריך לזכור שיש יותר חנקן מאשר חמצן באויר.

  • נדב ע

    רק עוד שאלה אחת

    יש הבדל באורך הגל המפוזר בין חמצן וחנקן?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    תשובה

    שאלה טובה.
    כל אורכי הגל הנראה מפוזרים על ידי החנקן והחמצן. לכן, ההבדל איננו באורך הגל המפוזר אלא יותר בעוצמה שכל אורך גל מפוזר.
    אם תסתכל על המשוואה שפיתח ריילי עבור עוצמת הפיזור תוכל לראות כי ההבדל בעוצמת הפיזור של כל מולקולה תלוי בין היתר בגודלה ובכמה היא ניתנת לקיטוב. מכיוון ששני פרמטרים אלו דומים מאוד עבור חנקן וחמצן ההבדל בעוצמת הפיזור עבור אורכי הגל השונים תהיה די זהה.

  • אריאל

    שאלה לגבי הצבעים והאור

    ראיתי באיור של ספקטרום של האור הנראה שאין צבעים כמו חום,אפור וורוד. למה הם אינם נמצאים בספקטרום? מה מייחד אותם שהם לא נמצאים בספקטרום??

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    שאלה לגבי הצבעים והאור

    שאלה טובה!
    לא כל הצבעים שאנו רואים נמצאים בספקטרום. ניתן באופן כללי לחלק את הצבעים לצבעי היסוד שהם כחול, אדום וירוק ולצבעים משניים המתקבלים מערבוב של 2 צבעים או יותר. צבעים כמו חום, ורוד ואפור אינם צבעי יסוד שמופיעים בספקטרום אלא מתקבלים מערבוב של צבעי היסוד. כך למשל צבע חום יתקבל מערבוב של צהוב אדום ושחור.

  • עמנואל

    אני רק שאלה

    תודה רבה על ההסבר.
    שאלה בה נתקלתי ולא מצאתי תשובה - הרי כחול אינו הצבע האנרגטי ביותר הנראה לעין - ישנו הסגול. מכאן מגיעה השאלה: למה השמיים כחולים ולא סגולים?

    בברכה,
    עמנואל.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    אני רק שאלה

    שאלה מצוינת!
    סגול הינו הצבע הנראה האנרגטי ביותר ולכן עליו להתפזר חזק יותר מהכחול. הסיבה שהשמיים לא סגולים היא מכיוון שהאור הנראה המגיע מן השמש מכיל בתוכו מעט מאוד צבע סגול ביחס לצבע כחול. לכן, הפיזור של הסגול זניח ביחס לכחול ומהסיבה הזו הצבע שאנו רואים בשמיים הינו כחול ולא סגול.

  • עמנואל

    אם כבר סגול

    אם למרות הפיזור הגדול של הסגול, עוצמתו כ"כ נמוכה עד שלא רואים אותו, ובהנחה שהתפלגות האור מהשמש ממשיכה לרדת עם הגידול בתדירות, האם עוצמת קרינת העל-סגול בכלל מסוכנת?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    אם כבר סגול

    כמות קרינת ה-UV אכן קטנה ביחס לאור הנראה ובנוסף שכבת האוזון מסננת את רוב קרינת ה-UV שנכנסת לאטמוספירה. אך למרות זאת, קרינת ה-UV בעלת אנרגיה גבוהה ולכן גם כמות קטנה יכולה להזיק לנו, לאחר חשיפה ממושכת, באמצעות פגיעה ב-DNA שלנו וגרימת מחלות עור כמו סרטן. אם כמות ה-UV הייתה גבוהה יותר (למשל אם לא הייתה קיימת שכבת האוזון) אז הקרינה הייתה מסוכנת לנו הרבה יותר גם בחשיפות קצרות.

  • עמנואל

  • מיכל

    מרתק!

    תודה...

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    מרתק!

    תודה...