في بعض الأحيان تتاح لنا الفرصة في الليل لمراقبة ظاهرة لا تبدو فيها السماء مظلمة بدرجة كافية. واليوم سننظر في أسئلة حول سبب سطوع السماء في الليل.
لماذا يكون الضوء ليلاً في الشتاء؟
في فصل الشتاء، اعتدنا ليس فقط على حقيقة أن الظلام يبدأ في وقت أبكر بكثير مما كان عليه في الصيف، ولكن أيضًا على حقيقة أن الطقس عادة ما يكون بحيث تبدو ساعات النهار أقل سطوعًا حتى في النهار. على الرغم من ذلك، في بعض الأحيان تتاح لنا الفرصة لمراقبة ليالي مشرقة إلى حد ما، لذلك نحتاج إلى التفكير في مسألة سبب سطوع السماء ليلاً في الشتاء.
قد يكون هناك سببان لسماء أفتح في الليل:
- إذا لاحظت أن الليل ليس مظلمًا كما هو الحال دائمًا، وهناك هطول على شكل ثلوج في الخارج، فيمكنك التأكد من أن الثلج هو السبب وراء هذه السماء الساطعة. تعكس رقاقات الثلج ضوء الفوانيس، وكذلك ضوء القمر، وبالتالي تخلق الوهم بسماء ليلية أكثر إضاءة؛
- إذا كانت السماء مشرقة بما فيه الكفاية ولا يوجد هطول للأمطار، فيمكن اعتبار الغيوم القوية والمنخفضة سببا لهذه الظاهرة. انتبه إلى السحب - فهي أقل من المعتاد. ولهذا السبب تعمل السحب كعاكسات للضوء من الأرض، مما يؤدي إلى وهم السماء الساطعة.
لماذا يكون مشرقا مثل النهار في الليل؟
إذا كنت تتساءل عن الإضاءة الليلية لسطح الأرض، كنت مهتمًا بشكل مباشر بمعلومات حول ما يسمى بـ "الليالي البيضاء"، والتي يتم ملاحظتها، على سبيل المثال، في سانت بطرسبرغ، ففي هذه الحالة ستكون الإجابة كاملة مختلف.
بادئ ذي بدء، تجدر الإشارة إلى أن مثل هذه الليالي البيضاء يتم ملاحظتها ليس فقط في سانت بطرسبرغ، ولكن أيضًا في أجزاء أخرى كثيرة من كوكبنا. على سبيل المثال، من الممكن أن يكون شخص ما مهتما بمسألة سبب الضوء في الليل في غرينلاند، حيث توجد ظاهرة مماثلة هناك أيضا.
تعتبر الأحداث على نطاق الكوكب هي المسؤولة عن حدوث مثل هذه الظاهرة. الحقيقة هي أنه في وقت معين، نظرًا لحقيقة أن الأرض تدور حول الشمس في مسار معين، وتدور أيضًا حول محورها، فإن كوكبنا يكون على مثل هذا المسار حتى في الليل تكون الشمس في وضع المنطقة، على سبيل المثال، سانت بطرسبرغ أو جرينلاند، لا تقع تحت الأفق كثيرًا. وبناء على ذلك، حتى في الليل، ينتشر ضوء الشمس على سطح الأرض وفي المناطق المذكورة أعلاه، يلاحظ نوع من الشفق بدلا من الليل المعتاد.
من الصعب الإجابة على سؤال لماذا السماء زرقاء وغروب الشمس أحمر.
لماذا يحدث هذا؟
لم يتمكن العلماء لعدة قرون من تفسير اللون الأزرق للسماء.
من دورة الفيزياء المدرسية، يعلم الجميع أنه يمكن فصل الضوء الأبيض إلى الألوان المكونة له باستخدام المنشور.
حتى أن هناك عبارة بسيطة لتذكرها:
تساعدك الحروف الأولية للكلمات في هذه العبارة على تذكر ترتيب الألوان في الطيف: الأحمر، البرتقالي، الأصفر، الأخضر، الأزرق، النيلي، البنفسجي.
ورجح العلماء أن اللون الأزرق للسماء يرجع إلى أن المكون الأزرق للطيف الشمسي يصل بشكل أفضل إلى سطح الأرض، بينما يتم امتصاص الألوان الأخرى بواسطة الأوزون أو الغبار المتناثر في الغلاف الجوي. وكانت التفسيرات مثيرة للاهتمام للغاية، ولكن لم يتم تأكيدها من خلال التجارب والحسابات.
استمرت المحاولات لتفسير اللون الأزرق للسماء، وفي عام 1899 طرح اللورد رايلي نظرية أجابت أخيرًا على هذا السؤال.
اتضح أن اللون الأزرق للسماء ناتج عن خصائص جزيئات الهواء. تصل كمية معينة من الأشعة القادمة من الشمس إلى سطح الأرض دون تدخل، ولكن معظمها تمتصه جزيئات الهواء. ومن خلال امتصاص الفوتونات، تصبح جزيئات الهواء مشحونة (مثارة) ثم تنبعث منها الفوتونات نفسها. لكن هذه الفوتونات لها طول موجي مختلف، والفوتونات التي تنتج اللون الأزرق هي السائدة بينها. هذا هو السبب في أن السماء تبدو زرقاء: كلما كان اليوم مشمسًا وأقل غائمًا، كلما أصبح هذا اللون الأزرق للسماء أكثر تشبعًا.
ولكن إذا كانت السماء زرقاء، فلماذا تتحول إلى اللون القرمزي أثناء غروب الشمس؟والسبب في ذلك بسيط جدا. يتم امتصاص المكون الأحمر من الطيف الشمسي بواسطة جزيئات الهواء بشكل أسوأ بكثير من الألوان الأخرى. خلال النهار، تدخل أشعة الشمس إلى الغلاف الجوي للأرض بزاوية تعتمد بشكل مباشر على خط العرض الذي يقع فيه الراصد. عند خط الاستواء ستكون هذه الزاوية قريبة من الزاوية القائمة، وأقرب إلى القطبين ستنخفض. مع تحرك الشمس، تزداد طبقة الهواء التي يجب أن تمر عبرها أشعة الضوء قبل أن تصل إلى عين الراصد. ففي نهاية المطاف، لم تعد الشمس في السماء، ولكنها تميل نحو الأفق. وتمتص طبقة سميكة من الهواء معظم أشعة الطيف الشمسي، لكن الأشعة الحمراء تصل إلى الراصد دون خسارة تقريبًا. ولهذا السبب يبدو غروب الشمس باللون الأحمر.
اقرا هذا:
6 نوفمبر 2011 كان غروب الشمس فوق لوس أنجلوس أحمر اللون تقريبًا وكانت الشمس ضخمة. وكانت السماء المحيطة بالشمس أيضًا ذات لون برتقالي-أحمر ساطع. كان مشهدا مذهلا. توقف الناس على الطريق لمشاهدته. أعتقد أن هذا هو الكوكب العاشر يقترب؟ والاحمرار كان بسبب الذيل وزيادة الشمس أيضا بسبب اللون الأحمر للغبار؟ [ومن آخر] 5 نوفمبر 2011 التقطت هذه الصورة قبل شروق الشمس مباشرة بالقرب من كوكومو بولاية إنديانا. منذ أواخر الصيف الماضي، كثيرًا ما رأيت سحبًا وردية مثل هذه وسماء حمراء دموية بشكل متزايد قبل الفجر في الأيام الصافية. 3 نوفمبر 2011 تم التقاط هذه الصورة في يوم غائم بعد حوالي ساعة من شروق الشمس، لاحظ أن الشمس تطل من بين السحب وأن السحب القريبة من الأفق لونها وردي. بعد حوالي ساعتين ونصف من شروق الشمس، لا يزال من الممكن رؤية السحب الوردية قليلاً بالقرب من الأفق، كما في هذه الصورة، على الرغم من أنني في تلك اللحظة لم ألتقط صورة واحدة بعد. وعادة ما يختفي اللون الوردي بعد وقت قصير من الفجر. كان الجو غائما بعد ظهر هذا اليوم ولاحظت أن السحب تتحول إلى اللون الوردي قبل غروب الشمس بساعتين. إذا بدأ ذيل الكوكب X بالوصول إلى الأرض، فهل ستصبح السحب أكثر وردية خلال النهار أو السماء أكثر حمراء عندما تكون ضبابية وملبدة بالغيوم قليلاً؟
اعتادت البشرية على حقيقة أن شروق الشمس وغروبها أكبر من شمس منتصف النهار، والشمس عند شروق الشمس وغروبها، وكذلك السحب المحيطة بها، برتقالية اللون. وأوضحنا أن ذلك يرجع إلى سهولة انحناء الضوء في المنطقة الحمراء من الطيف، لذا تنحني أشعة الضوء الأحمر بشكل أساسي فوق الأفق بسبب جاذبية الأرض، في حين أن الضوء الصادر من أجزاء أخرى من الطيف لا ينحني كثيرًا. الضوء الصادر من هذا الجزء من الطيف، والذي يأتي من الشمس في كل الاتجاهات، ينحني بفعل جاذبية الأرض بحيث ينحني الضوء الذي يمر عادة من جانبي المراقب على الأرض نحو مركزه. ولذلك، فإنها تصل إلى عين الراصد أو الكاميرا سواء من الجانبين أو مباشرة في خط مستقيم من الشمس، لترسم صورة أوسع.
كيف سيتغير هذا مع زيادة كمية الغبار الأحمر المنبعث من ذيل الكوكب X في الغلاف الجوي؟ من الواضح أن أي ضوء يخترق الغلاف الجوي سوف يتحول بشكل متزايد نحو المنطقة الحمراء من طيف الضوء. ويظهر الغبار باللون الأحمر لأنه يعكس في المقام الأول الضوء من المنطقة الحمراء من الطيف، بينما يمتص الضوء من مناطق أخرى من الطيف. إذن، ما هو التأثير، بالنظر إلى أن ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض سيقع بشكل متزايد في المنطقة الحمراء من طيف الضوء؟ بالطبع، تمت ملاحظة الشفق الأحمر في أمريكا الشمالية مؤخرًا، ويرجع ذلك جزئيًا إلى رقصة الجاذبية بين الأرض والكوكب X. فهل ستحدث تشوهات أخرى؟
وكما لاحظ أحد المراقبين اليقظين، عند غروب الشمس تبدو الشمس أكبر من المعتاد. إذا انحرف ضوء الطيف الأحمر بعد خروجه من الشمس نحو الأرض، فماذا ستفعل كمية الغبار الأحمر المتزايدة في الغلاف الجوي للأرض بهذه الأشعة الضوئية القادمة من الشمس إلى الأرض؟ يمكننا أن نتوقع انحرافًا إضافيًا نحو مركز جاذبية الأرض، مع حجم ظاهري أكبر للشمس عند شروق الشمس وغروبها. قد تكون مشوهة أحجام جميع الأجسام الكوكبية. قد يبدو القمر أكبر وبالتالي أقرب، مما يزعج المراقبين في بعض الأحيان. ولن يكون لدى السلطات أي تفسير لذلك، وكعادتها ستلتزم الصمت دون أن تقدم أي شيء. وستشعر وكالة ناسا والخبراء بمزيد من الإحراج، وسيبدأ الأشخاص الأكثر قلقًا في البحث في الإنترنت للحصول على إجابات، حيث تم ذكر الغبار الأحمر في نبوءات يوم القيامة ولا يمكن إخفاء مظهره.
العالم من حولنا مليء بالعجائب المذهلة، لكننا في كثير من الأحيان لا ننتبه إليها. عند الإعجاب باللون الأزرق الصافي لسماء الربيع أو الألوان الزاهية لغروب الشمس، فإننا لا نفكر حتى في سبب تغير لون السماء مع تغير الوقت من اليوم.
لقد اعتدنا على اللون الأزرق الساطع في يوم مشمس جميل، وعلى حقيقة أن السماء تصبح رمادية ضبابية في الخريف، وتفقد ألوانها الزاهية. ولكن إذا سألت شخصًا عصريًا عن سبب حدوث ذلك، فإن الغالبية العظمى منا، بمجرد تسليحها بالمعرفة المدرسية بالفيزياء، من غير المرجح أن تكون قادرة على الإجابة على هذا السؤال البسيط. وفي الوقت نفسه، لا يوجد شيء معقد في التفسير.
ما هو اللون؟
يجب أن نعرف من مقرر الفيزياء المدرسي أن الاختلافات في إدراك الألوان للأشياء تعتمد على الطول الموجي للضوء. أعيننا قادرة على تمييز نطاق ضيق إلى حد ما من الإشعاع الموجي، حيث تكون أقصر الموجات باللون الأزرق وأطولها باللون الأحمر. بين هذين اللونين الأساسيين تقع لوحة إدراك الألوان بأكملها، والتي يتم التعبير عنها بواسطة الإشعاع الموجي في نطاقات مختلفة.
يتكون شعاع ضوء الشمس الأبيض في الواقع من موجات من جميع نطاقات الألوان، والتي يسهل رؤيتها من خلال تمريرها عبر منشور زجاجي - ربما تتذكر هذه التجربة المدرسية. لكي نتذكر تسلسل التغيرات في الأطوال الموجية، أي. تسلسل ألوان طيف ضوء النهار، تم اختراع عبارة مضحكة عن الصياد، والتي تعلمها كل واحد منا في المدرسة: كل صياد يريد أن يعرف، إلخ. 
نظرًا لأن موجات الضوء الأحمر هي الأطول، فهي أقل عرضة للتشتت عند المرور. لذلك، عندما تحتاج إلى تسليط الضوء بصريا على كائن ما، فإنهم يستخدمون اللون الأحمر في الغالب، والذي يمكن رؤيته بوضوح من بعيد في أي طقس.
ولذلك فإن إشارة المرور المحظورة أو أي ضوء تحذيري آخر من الخطر يكون باللون الأحمر، وليس الأخضر أو الأزرق.
لماذا تتحول السماء إلى اللون الأحمر عند غروب الشمس؟
وفي ساعات المساء قبل غروب الشمس، تسقط أشعة الشمس على سطح الأرض بزاوية، وليس بشكل مباشر. يتعين عليهم التغلب على طبقة الغلاف الجوي الأكثر سمكًا مما كانت عليه في النهار، عندما يضيء سطح الأرض بأشعة الشمس المباشرة.
في هذا الوقت، يعمل الغلاف الجوي كمرشح للألوان، والذي ينثر الأشعة من النطاق المرئي بأكمله تقريبًا، باستثناء الأشعة الحمراء - الأطول وبالتالي الأكثر مقاومة للتداخل. أما جميع موجات الضوء الأخرى فهي إما متناثرة أو ممتصة بواسطة جزيئات بخار الماء والغبار الموجودة في الغلاف الجوي.
كلما انخفضت الشمس بالنسبة للأفق، كلما زادت سماكة طبقة الغلاف الجوي التي يتعين على أشعة الضوء التغلب عليها. ولذلك، فإن لونها يتحول بشكل متزايد نحو الجزء الأحمر من الطيف. وترتبط هذه الظاهرة بخرافة شعبية تقول إن غروب الشمس الأحمر ينبئ بوجود رياح قوية في اليوم التالي. 
تنشأ الرياح في طبقات عالية من الغلاف الجوي وعلى مسافة كبيرة من الراصد. تسلط أشعة الشمس المائلة الضوء على المنطقة الناشئة من الإشعاع الجوي، حيث يوجد غبار وأبخرة أكثر بكثير من الجو الهادئ. لذلك، قبل يوم عاصف، نرى غروب الشمس الأحمر المشرق بشكل خاص.
لماذا السماء زرقاء خلال النهار؟
تفسر الاختلافات في أطوال موجات الضوء أيضًا اللون الأزرق الصافي للسماء أثناء النهار. عندما تسقط أشعة الشمس مباشرة على سطح الأرض، فإن طبقة الغلاف الجوي التي تتغلب عليها تكون ذات سمك أصغر.
يحدث تشتت موجات الضوء عندما تصطدم بجزيئات الغازات التي يتكون منها الهواء، وفي هذه الحالة يتبين أن نطاق الضوء ذو الطول الموجي القصير هو الأكثر استقرارًا، أي. موجات الضوء الأزرق والبنفسجي. في يوم جميل خالٍ من الرياح، تكتسب السماء عمقًا وزرقة مذهلين. ولكن لماذا إذن نرى اللون الأزرق وليس البنفسجي في السماء؟
والحقيقة هي أن الخلايا الموجودة في عين الإنسان المسؤولة عن إدراك اللون ترى اللون الأزرق بشكل أفضل بكثير من اللون البنفسجي. ومع ذلك، فإن اللون البنفسجي قريب جدًا من حدود نطاق الإدراك.
ولهذا نرى السماء زرقاء لامعة إذا لم تكن هناك مكونات متناثرة في الغلاف الجوي غير جزيئات الهواء. عندما تظهر كمية كبيرة بما فيه الكفاية من الغبار في الغلاف الجوي - على سبيل المثال، في صيف حار في المدينة - تبدو السماء وكأنها تتلاشى وتفقد لونها الأزرق الساطع.
السماء الرمادية من سوء الاحوال الجوية
أصبح من الواضح الآن لماذا يجعل الطقس السيئ في الخريف والشتاء الطيني السماء رمادية اللون بشكل ميؤوس منه. تؤدي كمية كبيرة من بخار الماء في الغلاف الجوي إلى تشتت جميع مكونات شعاع الضوء الأبيض دون استثناء. يتم سحق أشعة الضوء إلى قطرات صغيرة وجزيئات ماء، مما يفقد اتجاهها ويختلط في كامل نطاق الطيف. 
ولذلك، تصل أشعة الضوء إلى السطح كما لو أنها مرت عبر مصباح نثر عملاق. نحن ندرك هذه الظاهرة على أنها لون السماء الأبيض الرمادي. وبمجرد إزالة الرطوبة من الغلاف الجوي، تصبح السماء زرقاء زاهية مرة أخرى.
على الرغم من التقدم العلمي والوصول المجاني إلى العديد من مصادر المعلومات، فمن النادر أن يتمكن الشخص من الإجابة بشكل صحيح على سؤال لماذا السماء زرقاء.
لماذا السماء زرقاء أو زرقاء خلال النهار؟
ويتكون الضوء الأبيض - وهو ما تبعثه الشمس - من سبعة أجزاء من طيف الألوان: الأحمر، والبرتقالي، والأصفر، والأخضر، والأزرق، والنيلي، والبنفسجي. القافية الصغيرة المعروفة في المدرسة - "كل صياد يريد أن يعرف أين يجلس الدراج" - تحدد بدقة ألوان هذا الطيف من خلال الأحرف الأولى من كل كلمة. كل لون له طوله الموجي للضوء: الأحمر هو الأطول، والبنفسجي هو الأقصر.
تتكون السماء (الغلاف الجوي) المألوفة لدينا من جزيئات دقيقة صلبة وقطرات صغيرة من جزيئات الماء والغاز. لفترة طويلة، كانت هناك العديد من الافتراضات الخاطئة التي تحاول تفسير سبب لون السماء باللون الأزرق:
- الغلاف الجوي، الذي يتكون من جزيئات صغيرة من الماء وجزيئات الغازات المختلفة، يسمح لأشعة الطيف الأزرق بالمرور بشكل جيد ولا يسمح لأشعة الطيف الأحمر بلمس الأرض؛
- الجسيمات الصلبة الصغيرة - مثل الغبار - العالقة في الهواء هي الأقل تبعثرًا للأطوال الموجية الزرقاء والبنفسجية، ولهذا السبب فإنها تتمكن من الوصول إلى سطح الأرض، على عكس ألوان الطيف الأخرى.
وقد أيد العديد من العلماء المشهورين هذه الفرضيات، لكن الأبحاث التي أجراها عالم الفيزياء الإنجليزي جون رايلي أظهرت أن الجسيمات الصلبة ليست السبب الرئيسي لتشتت الضوء. إن جزيئات الغازات الموجودة في الغلاف الجوي هي التي تفصل الضوء إلى مكونات ملونة. شعاع أبيض من ضوء الشمس، يصطدم بجسيم غازي في السماء، وينثر (ينثر) في اتجاهات مختلفة.
وعندما يصطدم بجزيء غاز، فإن كل مكون من الألوان السبعة للضوء الأبيض يتناثر. وفي الوقت نفسه، فإن الضوء ذو الموجات الأطول (المكون الأحمر من الطيف، والذي يتضمن أيضًا البرتقالي والأصفر) يتشتت بشكل أقل من الضوء ذو الموجات القصيرة (المكون الأزرق من الطيف). ولهذا السبب، بعد التشتت، يبقى في الهواء ثمانية أضعاف ألوان الطيف الأزرق مقارنة باللون الأحمر.
على الرغم من أن اللون البنفسجي لديه أقصر طول موجي، إلا أن السماء لا تزال تبدو زرقاء بسبب خليط الموجات البنفسجي والأخضر. بالإضافة إلى ذلك، ترى أعيننا اللون الأزرق بشكل أفضل من اللون البنفسجي، بالنظر إلى نفس السطوع لكليهما. هذه الحقائق هي التي تحدد نظام ألوان السماء: الغلاف الجوي مليء حرفيًا بأشعة اللون الأزرق والأزرق.
لماذا إذن يكون لون غروب الشمس أحمر؟
ومع ذلك، السماء ليست دائما زرقاء. السؤال الذي يطرح نفسه بطبيعة الحال: إذا كنا نرى السماء زرقاء طوال اليوم، فلماذا يكون غروب الشمس أحمر؟ لقد اكتشفنا أعلاه أن اللون الأحمر هو الأقل تناثرًا بواسطة جزيئات الغاز. أثناء غروب الشمس، تقترب الشمس من الأفق ويتجه شعاع الشمس نحو سطح الأرض ليس بشكل عمودي، كما هو الحال في النهار، ولكن بزاوية.
ولذلك فإن المسار الذي يسلكه عبر الغلاف الجوي أطول بكثير مما يقطعه خلال النهار عندما تكون الشمس مرتفعة. ولهذا السبب، يتم امتصاص الطيف الأزرق والأزرق في طبقة سميكة من الغلاف الجوي، ولا يصل إلى الأرض. وتصل موجات الضوء الأطول من الطيف الأحمر والأصفر إلى سطح الأرض، وتلوين السماء والسحب باللونين الأحمر والأصفر المميزين لغروب الشمس.
لماذا الغيوم بيضاء؟
دعونا نتطرق إلى موضوع السحب. لماذا توجد سحب بيضاء في السماء الزرقاء؟ أولا، دعونا نتذكر كيف يتم تشكيلها. الهواء الرطب المحتوي على بخار غير مرئي، يسخن على سطح الأرض، يرتفع ويتمدد لأن ضغط الهواء أقل في الأعلى. ومع توسع الهواء، فإنه يبرد. عندما يصل بخار الماء إلى درجة حرارة معينة، فإنه يتكثف حول الغبار الجوي والمواد الصلبة العالقة الأخرى، مما يؤدي إلى تتجمع قطرات صغيرة من الماء لتشكل سحابة.
على الرغم من صغر حجمها نسبيًا، إلا أن جزيئات الماء أكبر بكثير من جزيئات الغاز. وإذا تفرقت أشعة الشمس عند التقاء جزيئات الهواء، فعند التقاء قطرات الماء ينعكس الضوء عنها. في هذه الحالة، لا يغير شعاع ضوء الشمس الأبيض في البداية لونه وفي نفس الوقت "يلون" جزيئات السحب باللون الأبيض.