پدیده‌ی پراکندگی رایلی (Rayleigh Scattering)
راز رنگ آسمان، غروب سرخ و آبی دریاها
مقدمه: نوری که رنگ‌هایش را پنهان کرده است
ما نور خورشید را سفید می‌بینیم، اما در واقع این نور ترکیبی از همه‌ی رنگ‌های رنگین‌کمان است.
وقتی این نور وارد جو زمین می‌شود، با مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن برخورد می‌کند و در همه جهت‌ها پخش می‌شود.
این پخش‌شدن یا به زبان علمی‌تر، پراکندگی، همان پدیده‌ای است که رنگ آبی آسمان و سرخی غروب را به وجود می‌آورد.
نام این پدیده از دانشمند انگلیسی، جان ویلیام استرات، لُرد رایلی (Lord Rayleigh) گرفته شده است.
تعریف ساده و دقیق
پراکندگی رایلی نوعی پراکندگی نور است که زمانی رخ می‌دهد که ذراتی بسیار کوچک‌تر از طول موج نور (حدود ۱/۱۰ یا کمتر از آن) در مسیر نور قرار گیرند.
این ذرات معمولاً مولکول‌های گاز در جو زمین‌اند.
در نتیجه‌ی این برخوردها، نور در جهات مختلف پخش می‌شود، اما رنگ‌هایی که طول موج کوتاه‌تری دارند (مثل آبی و بنفش) بیشتر پراکنده می‌شوند،
در حالی که رنگ‌های با طول موج بلندتر (مثل قرمز و نارنجی) کمتر پراکنده می‌شوند.
فرمول فیزیکی پراکندگی رایلی
شدت پراکندگی (I) به طور مستقیم با معکوسِ توان چهارم طول موج (λ⁴) رابطه دارد:
یعنی اگر طول موج دو برابر شود، شدت پراکندگی ۱۶ برابر کاهش می‌یابد!
به همین دلیل است که نور آبی (با طول موج کوتاه) بسیار بیشتر از نور قرمز پراکنده می‌شود.
چرا این پدیده مهم است؟
پراکندگی رایلی فقط توضیحی برای آبی بودن آسمان نیست —
بلکه پایه‌ی بسیاری از پدیده‌های نوری طبیعی و حتی فناوری‌های علمی است.
بیایید نگاهی بیندازیم:
۱. آبی بودن آسمان
نور خورشید در جو زمین با مولکول‌های هوا برخورد می‌کند.
در میان رنگ‌های گوناگون، نور آبی و بنفش بیشتر پراکنده می‌شوند.
اما چون چشم انسان به آبی حساس‌تر است و بنفش توسط لایه‌های بالایی جو جذب می‌شود،
آسمان برای ما آبی به نظر می‌رسد.
۲. سرخی غروب و طلوع خورشید
وقتی خورشید نزدیک افق قرار می‌گیرد، نور آن باید از لایه‌ی ضخیم‌تری از جو عبور کند.
در این مسیر، نور آبی تقریباً به‌طور کامل پراکنده می‌شود و به چشم ما نمی‌رسد،
در حالی که نور قرمز و نارنجی (با طول موج بلندتر) از جو عبور می‌کنند و غالب می‌شوند.
نتیجه؟ طلوع و غروبی سرخ‌فام و رؤیایی.
۳. آبی بودن دود، یخ، و حتی عنبیه‌ی چشم
پراکندگی رایلی فقط در آسمان رخ نمی‌دهد.
وقتی ذرات ریز در هر محیطی نور را پخش کنند، همین پدیده رخ می‌دهد:
رنگ آبی دود یا مه به دلیل پراکندگی نور آبی است.
رنگ آبی یخ و برف نیز نتیجه‌ی جذب ضعیف نور قرمز و پراکندگی نور آبی است.
حتی رنگ چشم آبی در انسان، به‌دلیل نبود رنگدانه‌ی آبی نیست، بلکه حاصل پراکندگی رایلی در بافت عنبیه است!
۴. تأثیر در جو سیارات دیگر
در مریخ که جو آن از دی‌اکسیدکربن و گرد و غبار آهن‌دار تشکیل شده، پراکندگی به گونه‌ای متفاوت رخ می‌دهد،
و آسمان آن نارنجی یا قرمز دیده می‌شود.در تیتان، قمر زحل، مولکول‌های بزرگ هیدروکربنی، آسمانی قهوه‌ای تیره می‌سازند.
پس رنگ آسمان هر سیاره، به نوع و اندازه‌ی ذرات موجود در جو آن بستگی دارد.
تفاوت پراکندگی رایلی با می (Mie Scattering)
| ویژگی | پراکندگی رایلی | پراکندگی می |
|---|---|---|
| اندازه‌ی ذرات | بسیار کوچک‌تر از طول موج | هم‌اندازه یا بزرگ‌تر از طول موج |
| وابستگی به طول موج | شدید (∝ 1/λ⁴) | ضعیف یا بدون وابستگی |
| نمونه | مولکول‌های هوا | ذرات غبار یا قطرات مه |
| رنگ حاصل | آبی (در آسمان) | سفید یا خاکستری (در ابرها یا مه) |
به همین دلیل است که ابرها سفید به نظر می‌رسند — چون در آن‌ها پراکندگی از نوع می است، نه رایلی.
اثرات علمی و کاربردی
پراکندگی رایلی در زمینه‌های مختلف علمی نیز اهمیت دارد:
اخترفیزیک: در بررسی جو سیارات و ستارگان.
اقلیم‌شناسی: برای مدل‌سازی تابش خورشیدی و انرژی دریافتی زمین.
زیست‌شناسی بینایی: در درک عملکرد شبکیه و رنگ چشم.
فیزیک لیزر و اپتیک: برای طراحی حسگرها و ابزارهای نوری حساس.
نگاهی فراتر از فیزیک
پراکندگی رایلی تنها یک قانون علمی نیست، بلکه نمادی از زیبایی در سادگی طبیعت است.
همان پدیده‌ای که از دید فیزیکدانان، رابطه‌ای میان نور و مولکول‌هاست،
از نگاه شاعر، بازیِ رنگ‌ها میان خورشید و هواست.
همه‌ی آنچه ما در آسمان می‌بینیم — از سپیدی ابر تا آبی آسمان و سرخی غروب —
نتیجه‌ی همین برخوردهای کوچک و بی‌صداست.
جمع‌بندی
پدیده‌ی پراکندگی رایلی زمانی رخ می‌دهد که نور با ذراتی بسیار کوچک‌تر از طول موج خود برخورد کند.
نورهای کوتاه‌موج (آبی و بنفش) بیشتر پراکنده می‌شوند.
این پراکندگی باعث آبی بودن آسمان و سرخی غروب است.
پدیده‌ی مشابه در محیط‌های دیگر، رنگ‌های آشنا و طبیعی بسیاری را پدید می‌آورد.
📘 نوشته‌ای از: کتاب بهرام
🌐 ketabebahram.ir