Σε όλη την ιστορία, τα ανθρώπινα όντα ένιωσαν έναν βαθύ θαυμασμό για τον ουρανό, όχι μόνο κατά τις στοχαστικές νύχτες που προκαλούν υπαρξιακούς προβληματισμούς, αλλά και κατά τη διάρκεια της ημέρας, όταν παρουσιάζει ένα ζωντανό φάσμα χρωμάτων. Κάποια στιγμή στη ζωή μας, όλοι έχουμε αναρωτηθεί γιατί ο ουρανός φαίνεται μπλε ή γιατί παίρνει πορτοκαλί και κόκκινους τόνους κατά τη δύση του ηλίου. Αυτή η ερώτηση επιλύθηκε αρχικά από τον Λόρδο Rayleigh, επίσης γνωστό ως John William Strutt, έναν μαθηματικό που έκανε αυτή την ανακάλυψη στα τέλη του 19ου αιώνα.
Σε αυτό το άρθρο πρόκειται να σας εξηγήσουμε το Φαινόμενο Rayleigh, τα χαρακτηριστικά του και γιατί ο ουρανός είναι μπλε.
Φαινόμενο Rayleigh
Ο Ήλιος εκπέμπει ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένου του ορατού φωτός, κοινώς γνωστό ως λευκό φως. Είναι ενδιαφέρον ότι το λευκό φως είναι στην πραγματικότητα ένας συνδυασμός όλων των χρωμάτων του ουράνιου τόξου, με το βιολετί να είναι το μικρότερο μήκος κύματος και το κόκκινο να είναι το μεγαλύτερο. Οπως και Το ηλιακό φως ταξιδεύει στην ατμόσφαιρα, αλληλεπιδρώντας με διάφορες ουσίες όπως αέρια, στερεά σωματίδια και μόρια νερού. Όταν αυτά τα σωματίδια είναι μικρότερα από το ένα δέκατο του μικρομέτρου, προκαλούν τη σκέδαση του λευκού φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις, με μεγαλύτερη έμφαση στο μπλε φως.
Αυτή η προτίμηση για το μπλε φως μπορεί να εξηγηθεί από τον συντελεστή διασποράς, ο οποίος υπολογίζεται από τον τύπο 1/λ4, όπου το λ αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος. Δεδομένου ότι το ιώδες και το μπλε φως έχουν τα μικρότερα μήκη κύματος στο ορατό φάσμα, παράγουν την υψηλότερη αναλογία όταν αντικαθίστανται στον τύπο, ο οποίος οδηγεί σε μεγαλύτερη πιθανότητα διασποράς. Αυτό το φαινόμενο είναι κοινώς γνωστό ως σκέδαση Rayleigh.
Ως αποτέλεσμα, οι σκεδασμένες ακτίνες τέμνονται με τα σωματίδια αερίου που λειτουργούν ως ανακλαστική επιφάνεια, με αποτέλεσμα να κάμπτονται για άλλη μια φορά και να ενισχύουν τη δύναμή τους.
Γιατί ο ουρανός είναι μπλε;
Λαμβάνοντας υπόψη τις πληροφορίες που αναφέρθηκαν παραπάνω, θα περίμενε κανείς ότι ο ουρανός θα φαίνεται μωβ αντί για μπλε λόγω του μικρότερου μήκους κύματός του. Ωστόσο, αυτό δεν συμβαίνει γιατί το ανθρώπινο μάτι δεν είναι πολύ ευαίσθητο στο βιολετί χρώμα. Εκτός, Το ορατό φως στην πραγματικότητα περιέχει υψηλότερη αναλογία ακτινοβολίας μπλε μήκους κύματος από το ιώδες.
Σε περιπτώσεις όπου τα σωματίδια υπερβαίνουν το μήκος κύματος σε μέγεθος, δεν συμβαίνει διαφορική σκέδαση. Αντίθετα, όλα τα συστατικά του λευκού φωτός είναι εξίσου διασκορπισμένα. Αυτό το φαινόμενο εξηγεί τη λευκή εμφάνιση των νεφών, αφού οι σταγόνες νερού που τα αποτελούν ξεπερνούν σε διάμετρο το ένα δέκατο του μικρομέτρου. Ωστόσο, όταν αυτά τα σταγονίδια νερού συμπιέζονται πυκνά, το φως δεν μπορεί να περάσει μέσα από αυτά, με αποτέλεσμα μια γκριζωπή εμφάνιση που σχετίζεται με εκτεταμένη νεφοκάλυψη.
Ωστόσο, πρέπει να αναγνωριστεί ότι ο ουρανός δεν διατηρεί μια σταθερή μπλε απόχρωση. Ως αποτέλεσμα, το φαινόμενο της σκέδασης Rayleigh δεν εξηγεί πλήρως την παρουσία διαφόρων αποχρώσεων του κόκκινου κατά την ανατολή και τη δύση του ηλίου. Ωστόσο, υπάρχει μια εξήγηση για αυτό το γεγονός.
Καθώς ο Ήλιος δύει και εισέρχεται στη φάση του λυκόφωτος, η θέση του στον ορίζοντα κάνει το φως να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση για να φτάσει σε εμάς, χωρίς να είναι πλέον κάθετο. Αυτή η αλλαγή στη γωνία έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερη συχνότητα εμφάνισης, με αποτέλεσμα το μπλε φως να διασκορπιστεί πριν φτάσει στα μάτια μας. Αντι αυτου, Κυριαρχούν μεγαλύτερα μήκη κύματος, που εκδηλώνονται ως κοκκινωποί τόνοι. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η σκέδαση Rayleigh συνεχίζει να συμβαίνει, αλλά σε διαφορετική θέση στην ατμόσφαιρα όπου ο Ήλιος βρίσκεται στο ζενίθ του.
Ιστορία
Σε όλη τη διάρκεια της ιστορίας, ο ουρανός έχει αιχμαλωτίσει την προσοχή μας τόσο κατά τη διάρκεια της ημέρας όσο και τη νύχτα. Έχει χρησιμεύσει ως καμβάς για να περιπλανηθεί η φαντασία μας. Φυσικά, η περιέργεια και η επιστημονική έρευνα δεν εξαιρούνται από αυτή τη γοητεία. Όπως και με άλλα καθημερινά φαινόμενα, όπως η αλλαγή χρώματος των φύλλων ή η προέλευση της βροχής, οι ερευνητές προσπάθησαν να ανακαλύψουν τα μυστήρια του ουρανού. Αντί να μειώνουν τη μυστικιστική του απήχηση, οι ανακαλύψεις του έχουν απλώς βαθύνει την κατανόηση και τον θαυμασμό μας.
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων του στο υπέρυθρο το 1869, ο Rayleigh έπεσε πάνω σε ένα απροσδόκητο εύρημα: το φως που διασκορπίστηκε από μικροσκοπικά σωματίδια είχε μια λεπτή μπλε απόχρωση. Αυτό τον οδήγησε να υποθέσει ότι μια παρόμοια διασπορά του ηλιακού φωτός ήταν υπεύθυνη για το μπλε χρώμα του ουρανού. Ωστόσο, δεν μπορούσε να εξηγήσει πλήρως γιατί προτιμήθηκε το μπλε φως ή γιατί το χρώμα του ουρανού ήταν τόσο έντονο, αποκλείοντας την ατμοσφαιρική σκόνη ως τη μόνη εξήγηση.
Το καινοτόμο έργο του Ο Λόρδος Rayleigh σχετικά με το χρώμα και την πόλωση του φωτός από τον ουρανό δημοσιεύτηκε το 1871. Ο στόχος τους ήταν να μετρήσουν το φαινόμενο Tyndall στα σταγονίδια νερού ποσοτικοποιώντας την παρουσία μικρών σωματιδίων και τους δείκτες διάθλασης. Βασιζόμενος στην προηγούμενη απόδειξη του James Clerk Maxwell για την ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός, ο Rayleigh έδειξε το 1881 ότι οι εξισώσεις του προήλθαν από τον ηλεκτρομαγνητισμό. Επεκτείνοντας τα ευρήματά του το 1899, επέκτεινε την εφαρμογή σε μεμονωμένα μόρια, αντικαθιστώντας όρους που σχετίζονται με όγκους σωματιδίων και δείκτες διάθλασης με όρους μοριακής πόλωσης.
Διασπορά σε πορώδη υλικά
Τα πορώδη υλικά έχουν την ικανότητα να παρουσιάζουν σκέδαση τύπου Rayleigh, η οποία ακολουθεί ένα μοτίβο σκέδασης λ-4. Αυτό το φαινόμενο είναι ιδιαίτερα εμφανές στα νανοπορώδη υλικά, όπου υπάρχει σημαντική αντίθεση στον δείκτη διάθλασης μεταξύ των πόρων και των στερεών τμημάτων της πυροσυσσωματωμένης αλουμίνας. Ως αποτέλεσμα, το Η σκέδαση φωτός γίνεται απίστευτα έντονη, με αποτέλεσμα να αλλάζει κατεύθυνση περίπου κάθε πέντε μικρόμετρα.
Αυτή η αξιοσημείωτη συμπεριφορά διασποράς αποδίδεται στη μοναδική νανοπορώδη δομή που επιτυγχάνεται μέσω της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης, η οποία περιλαμβάνει τη χρήση σκόνης μονοδιασποράς αλουμίνας για τη δημιουργία μιας στενής κατανομής μεγεθών πόρων, συνήθως περίπου 70 nm.
Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για το φαινόμενο Rayleigh και τα χαρακτηριστικά του.