לוגו של תכנית גפ"ן

למה השמים כחולים, השקיעה אדומה והעננים לבנים-אפורים?

בפוסט זה אסביר ואדגים מדוע השמים כחולים, השקיעה אדומה, העננים לבנים ועוד כמה דברים ממש מגניבים!

תוכן עניינים

אמלק: בגלל האינטראקציה של אור השמש עם האטמוספרה: תווך דליל בעל חלקיקים מאוד קטנים (פיזור ריילי) ובגלל האינטראקציה של האור עם העננים- חלקיקים גדולים יותר (פיזור מי).

הקדמה בנימה אישית

תמיד מאוד אהבתי שקיעות וזריחות. תקופות רבות וארוכות בחיי הקפדתי לראות כל יום שקיעה. תמיד זה משחק נחמד לחשוב איזו שקיעה תהיה היום? האם העננים ישרדו עד השקיעה? האם יהיה הדרן לשקיעה?

אפילו הלוגו של פיזיקטבע וכל סט הצבעים הוא צבעי השקיעה:

הלוגו של פיזיקטבע בצבעי השקיעה

איך ניתן לחזות שקיעה יפה?

ניתן לנסות אך בטבע אין הבטחות.

  1. עננים: צריך עננים שיפזרו את האור האדמדמם המגיע מהשמש בשעת שקיעה אבל גם שהשמש השוקעת לא מוסתרת על ידי עננים. ללא עננים כמעט ולא יהיה את הצבע האדום. הכי טוב זה עננים בגובה בינוני- גבוה. אחוז כיסוי עננים בין 30 ל-70 אחוז. הכי טוב לבדוק את העננים אחר הצהרים אבל צריך לקחת בחשבון שאולי העננים ייעלמו (במיוחד אם יש רוח) עד השקיעה או שהם דקים מדי ובאור החלש של השקיעה הם ידהו. סוגי עננים טובים לשקיעה הם
    • צירוסקומולוס: נקרא לפעמים ענן נוצה או ענן כבשה. ענן ערמתי דק יחסית עם בסיס גבוה ומכיל גבישי קרח. מופיעים בתצורה המזכירה סריג ואינם משרים צל תחתם. מופיעים לרוב כגלים או בשורות עם אזורים בהירים ביניהם.
    • אלטוקומולוס: עננים בינוניים המאופיינים בכדורים או גלילים בשכבות או בכתמים
    • קומולוס: עננים גדולים, לבנים וצמריריים, לעיתים קרובות עם בסיס שטוח.
    • צירוס: רצועות דקות ואווריריות.
  2. אוויר נקי. ככל שהאוויר יהיה נקי יותר השמים יהיו כחולים יותר ולכן הניגודיות של האדום בשקיעה יהיה בולט יותר.
  3. לחות. אם האוויר יבש הצבעים יהיו יותר חיים ואילו לחות גבוהה יכולה לעמעם את הצבעים.
  4. רוח. אם יש רוח חזקה אולי העננים שנמצאים כעת כבר ייעלמו עד השקיעה. מצד שני הרוח יכולה לגרום לגלים בעננים שיכולים לגרום לאפקטים יפים.

לפעמים 15- 20 דק' אחרי השקיעה אז נהיה הכי יפה. אני קוראת לזה "הדרן" של השקיעה. זה מתרחש כאשר יש עננים מאוד גבוהים שעדיין "רואים" את השמש ששקעה.

מה זה אור וצבע

ראשית צריך להבין שהאור שמגיע מהשמש הוא אור לבן ואור לבן הוא ערבוב של כל הצבעים.

קשת בים המלח. צבעי הקשת: הצבעים המרכיבים את האור הלבן מהשמש. אין את הצבע הלבן או השחור.

איך יודעים שהשמש לבנה? בצורה פשוטה- הירח. אנחנו יודעים שהאור שמגיע מהירח הוא למעשה אור השמש, והירח לבן, כלומר השמש גם לבנה. הסיבה שהיא נראית צהובה, זו אותה הסיבה שהשמים כחולים ונסביר בהמשך. בנוסף, תמונות של השמש מהחלל או על הירח, במיקום שאין אטמוספרה מראים שהשמש לבנה. בנוסף השמים בחלל ובירח הם שחורים משחור ולא כחולים, בגלל שאין שם אטמוספרה.

השמש מתחנת החלל הבינלאומית. כאשר אין אטמוספרה שמסננת חלק מהאור, השמש נראית לבנה. (שימו לב שאפילו שיש שמש השמים שחורים בתמונה… זה בגלל שאין אטמוספרה)

האם אנחנו רואים אור?

התשובה הפשוטה היא לא. אנחנו לא רואים אור. אנחנו חשים רק באור שנכנס לתוך חיישני האור שלנו- הקולטנים על רשתית העין.

אם אנחנו רואים אור, סימן שהאור נכנס לתוך העין שלנו. אבל אנחנו לא נראה אור אשר עובר בתווך ולא נכנס לעין. לכן השמים בחלל הם שחורים. ניתן לראות בתמונה שכן יש שמש, והאור מגיע מהשמש אל כדור הארץ אבל ב"שמים" לא רואים אותו כי אין אטמוספרה שתפזר את האור לעיניים שלנו.

הדגמה: האם רואים אור

כאשר אנו מאירים עם ציין לייזר, רואים רק את הנקודה האדומה שפוגעת בחומר כלשהו. אם נרסס בחומר כלשהו (מים/ טלק) באזור שבין הציין לנקודה, נבחין פתאום ב"אלומה" של הלייזר. זה קורה כי החומר שמרססים מפזר את האור אל העין שלנו.

קדם בן הארבע מרסס מים משפריצר על אלומת אור הלייזר.

אור השמש

האמת שבצהרים השמש נראית לבנה גם בשמים שלנו עם האטמוספרה אבל בדרך כלל אנו מביטים בשמש רק בשעות מוקדמות יותר או מאוחרות יותר כאשר היא צהובה יותר או אדמדמה ועל כך בהמשך הפוסט.

לבן זה לא צבע. אין אותו בקשת. גם שחור אינו צבע. לבן זה הצבע שהמוח שלנו מפרש כאשר שלושת קולטני הצבע ברשתית של העין שלנו מגיבים בצורה זהה וחזקה. כלומר כאשר אור אדום, ירוק וכחול נכנסים לנו לעין במידה זהה וחזקה.

ברשתית של העין יש שלושה סוגים של קולטני צבע: L- אורכי הגל הארוכים (אדום), M- אורכי הגל הבינוניים (ירוק) ו-S- אורכי הגל הקצרים (כחול). כאשר כל הקולטנים קולטים אור במידה זהה וחזקה, המוח יפרש את הצבע של האור כלבן.

אור השמש מורכב מכל הצבעים של הקשת.

פיזור

כאשר אור פוגע בחומר כלשהו הוא

  1. יכול לעבור דרך החומר מבלי ליצור אינטראקציה בכלל. לחומרים שקופים יש אינטראקציה חלשה עם האור ורוב האור עובר דרכם.
  2. יכול "להתנגש" בחומר. ואז לחזור אחורה או לכל מיני כיוונים. זה דומה קצת לסנוקר: כאשר כדור אחד פוגע בכדור אחר יכולים לקרות כל מיני דברים וזה תלוי איפה הכדור האחד פוגע בשני ותלוי בעוצמת הפגיעה.
  3. יכול להיבלע בתוך החומר

אור כידוע הוא אינו חומר. הוא חסר מסה. ולכן בניגוד למשחק הסנוקר האור יכול לעבור לפעמים דרך החומר או להיבלע בתוך החומר. סוג האינטראקציה נקבע לפי

  1. צבע האור (כמות האנרגיה שנושא האור). בגדול ככל שהאור יותר אנרגטי (באור הנראה ככל שהוא יותר כחול) אז יש לו יותר סיכוי ליצור אינטראקציה עם החומר.
  2. לפי החומר שיוצר אינטראקציה עם האור. מה שחשוב הוא בעיקר הגודל של החומר המפזר.

פיזור ריילי: למה השמים כחולים והשמש צהובה

פיזור ריילי (Rayleigh scattering על שם המדען הבריטי הלורד ריילי) הוא פיזור שמתרחש כאשר החומר המפזר את האור מורכב מחלקיקים מאוד קטנים, קטנים הרבה מאורך הגל של האור. החלקיקים באטמוספרה עשויים מאטומים (חנקן, חמצן ועוד) שסדר הגודל שלהם הוא עשרות פיקומטרים כלומר סדר גודל של \displaystyle {{10}^{{-11}}} מטרים ואילו אורכי הגל של האור הם בסדר גודל של מאות ננומטרים כלומר בסדר גודל \displaystyle {{10}^{{-7}}} מטרים. כלומר אורך הגל של האור גדול פי 10,000 מגודל החלקיקים באטמוספרה.

פיזור מסוג כזה מתאפיין בכך שההסתברות לכך שהאור ייצור אינטראקציה עם החלקיקים תלויה ביחס מאוד חזק באורך הגל של האור. ליתר דיוק:

\displaystyle \sigma \propto \frac{1}{{{{\lambda }^{4}}}}

האות היוונית \displaystyle \sigma (סיגמה) מייצגת את "חתך הפעולה לפיזור" שזה מעין מדד להסתברות לפיזור האור ע"י החלקיק. תרגום הסימן \displaystyle \propto הוא פרופורציוני או בעברית "מתכונתי" ואילו האות היוונית \displaystyle \lambda (למבדה, כן זה מבלבל זה נשמע כמו האות "ל") מייצגת את אורך הגל של האור. התרגום המילולי של הנוסחה הזו אומר שאם נגדיל את אורך הגל פי x אז הסיכוי לפיזור האור ע"י החלקיק יקטן פי \displaystyle {{x}^{4}} . לדוגמה, אם נקטין את אורך הגל פי 2, הסיכוי לפיזור יגדל פי \displaystyle {{2}^{4}}=16. כלומר אורך הגל מאוד מאוד משמעותי, וככל שהוא קצר יותר כך הפיזור הוא בהרבה יותר עוצמתי.

באור הנראה, הצבע הכחול הוא בעל אורך הגל הקצר ביותר, ולכן הוא מתפזר הכי הרבה וכך יוצא שהשמים הם כחולים. גם צבעים אחרים מתפזרים אבל הם זניחים לעומת הכחול.

איור פשטני המתאר את פיזור ריילי. האור הכחול מתפזר באטמוספירה ואילו האור הירוק והאדום עוברים דרך האטמוספרה מבלי להתפזר ומגיעים לקרקע. החיבור של האור האדום עם הירוק נותן אור צהוב ולכן השמש נראית צהובה.

האור שמגיע מהשמש כולל גם אורכי גל הקצרים כמו העל סגול שגם מתפזר באטמוספרה אך העין האנושית לא רגישה אליו. ישנם בע"ח שכן רואים אור על סגול. כמובן שגם חלק מהאור הכחול מגיע לקרקע וכמובן שגם חלק מהאור האדום והירוק מתפזרים באטמוספרה והצבע של השמים הוא לא כחול "טהור".

למה השקיעה אדומה

את התצלום בראש הפוסט, צילמה דבורה שרקי, צלמת מקיבוץ אלמוג. באותה שעה אני הייתי במדבר מחוץ לקיבוץ, בחווארים, וראיתי את אחת השקיעות היפות שראיתי בחיי. השמש בערה, העננים היו ורודים שקופים ומעליהם היו עוד שמים כחולים. הייתי עדה לשקיעה הזו ולא היה בידי מצלמה לצלם אותה… כמה שמחתי שאחר כך ראיתי שדבורה העלתה את התמונה לפייסבוק שלה את אותה השקיעה ממש ועכשיו יש לי תיעוד שלה.

אז בואו נדבר עליה- למה השקיעות (והזריחות) אדומות?

בשעות בהן השמש נמוכה בשמים, האור עובר דרך הרבה יותר ארוכה בתוך האטמוספרה. וכך גם האור הירוק "מספיק" להתפזר ולא רק הכחול, וכך נשאר לנו רק הצבע האדום. האור האדום הוא האור הנראה הכי פחות אנרגטי ולכן הסיכוי שלו ליצור אינטראקציה עם החומר הוא הכי קטן. האטמוספרה היא די שקופה עבורו והוא היחיד שלא מסונן דרך האטמוספרה.

באמצע היום השמש לבנה כי הקרניים עוברות את הדרך הכי קצרה באטמוספרה וכמעט ולא מתפזרות. ככל שמתקדם היום היא צהובה יותר ואז אדומה יותר. צבע צהוב= צבע ירוק ואדום ביחד.

לעיתים בשקיעה, כמו בתמונה הראשית של הפוסט ניתן לראות מלמעלה שהשמים מעל עוד כחולים. זה מכיוון שהקרנים שמגיעות מעל העננים עוברות דרך קצרה יותר באטומספרה ולכן הם עדיין כחולים. לכן השקיעות הכי יפות הן כשיש עננים קצת שקופים וניתן לראות את השמים הכחולים מעליהם.

הדגמת פיזור ריילי עם מים וחלב

מים = חלל ריק

ניתן בקלות להדגים את פיזור ריילי בכיתה ובבית וכל אחד אוהב את ההדגמה הזו. לוקחים כלי שקוף ושמים בו מים. המים מייצגים את הריק או את החלל מכיוון שהאור כמעט ולא מתפזר במים אלא עובר דרך המים. מעבירים אור פנס לבן דרך המים והוא מייצג את השמש הלבנה.

אור מפנס לבן עובר דרך המים. האור אינו מתפזר ונשאר לבן.
כך נראה אור הפנס דרך המים: לבן.

מים עם חלב= פיזור ריילי

כעת מטפטים קצת חלב. החלב מייצג את האטמוספרה. מטפטפים קצת כך שהתווך יהיה דליל כמו באטמוספרה. חלקיקי החלב הם בסדר גודל של מיקרונים בודדים ולכן הם קטנים בסדר גודל אחד מאורכי הגל האופייניים של האור והפיזור של האור במים עם קצת חלב הוא פיזור ריילי.

מים עם מעט מאוד חלב נראים כחלחלים.
מים עם מעט יותר חלב. ככך שהאור עובר יותר דרך יותר צבע כחול מתפזר עד שבסוף הכלי הצבע צהבהב
כך נראה אור הפנס (הלבן) דרך התמיסה. האור הכחול מתפזר ונשאר רק אור צהוב (שילוב של ירוק ואדום).
ובוידאו

וכל ההדגמה בווידאו:

זוהי הדגמה שקשה לצלם בוידאו. לפי כמות החלב או האורך הכלי כך הצבע יהפוך יותר ויותר אדום.

שקיעות בים המלח ומזרח בכלל

אני ממליצה תמיד, ללכת לראות שקיעות בים המלח או באילת ואנשים תמיד שואלים: אבל השקיעה היא בצד ההפוך! הסיבה היא שההרים בירדן שנמצאים מול השמש נצבעים באדום וזה מאוד יפה, במיוחד מעל הים הכחול.

הירח

אותן תופעות מתרחשות עבור הירח אבל בחלש יותר. כשהירח גבוה הוא לבן וכאשר הוא זורח/ שוקע הוא צהוב- אדום.

ירח לא זורח/ שוקע הוא בצבע לבן. צילום: אריה מלמד- כץ
ירח צהבהב זורח. צילום: אריה מלמד- כץ
ירח כתום. צילום: אריה מלמד כץ

פיזור ריילי עם לייזר ופנס UV

רציתי לבדוק באמת כמה כל צבע דועך מהר במים עם החלב.

הלייזר הירוק שברשותי הוא הרבה יותר עוצמתי מהאדום. עדיין ניתן לראות (בקושי) שהאדום דועך יותר לאט.
פנס UV. ניתן לראות שהאור הסגול מתפזר מהר מאוד (אורך הגל שלו קצר יותר מהאור הכחול)

עוד דוגמאות לפיזור ריילי

אופל

פיזור ריילי באבן אופל. מקור: optickCC BY-SA 2.0, via Wikimedia Common

אבן האופל שבתמונה היא שקופה אבל בתווך שלה משובצים חלקיקים קטנים מאוד ודלילים ומהסיבה הזו הצבע של נראה כחול כמו השמים. ניתן לראות שהאור שעבר דרך האבן הוא צהוב- אדום, מכיוון שהאור הכחול התפזר באבן ונשאר הצבע הירוק והאדום שהחיבור שלהם נותן צהוב.

עיניים כחולות

עיניים כחולות הן חסרות את פיגמנט המלנין (חום). אם הן חסרות פיגמנט למה הן לא שקופות? או חסרות צבע בדרך כלשהי?

העיניים הכחולות של קדם הן חסרות פיגמנט

בתוך התווך השקוף שבקשתית יש הרבה חלקיקים קטנים בגודל של פחות ממיקרון. החלקיקים האלו מפזרים את האור הלבן בפיזור ריילי, כלומר האור הכחול מתפזר הרבה ואילו הירוק והאדום פחות ולכן העין נראית בצבע כחול.

פיזור מי או למה העננים לבנים?

כאשר התווך המפזר את האור מורכב מחלקיקים גדולים, הפיזור של האור נקרא פיזור מי (על שם המדען Mie). בפיזור מי, ההסתברות לפיזור כבר לא תלויה באורך הגל וכל צבע מתפזר בצורה זהה. כבר למדנו, שאם כל הצבעים מופיעים בעוצמה זהה המוח מפרש את האור כצבע לבן ולכן העננים לבנים!

עננים לבנים- אפורים

לפעמים העננים הם אפורים וזה נותן לנו הזדמנות ללמוד מהו הצבע האפור: הצבע האפור מתקבל כאשר כל הצבעים עדיין ביחד, אבל בעוצמה פחותה. כל הסקלאה של שחור- לבן מתקבלת כאשר כל הצבעים בעוצמה זהה.

פיזור מי הוא גם ההסבר ל"אלומות אור" שרואים לפעמים כאשר יש אבק באוויר:

SureshkholeCC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
חלקיקי האבק הם גדולים ולכן הפיזור הוא פיזור מי, האור המתפזר לבן.

פיזור ריילי ומי בעשן סיגריות

אפשר ללמוד על פיזור ריילי ומי אפילו מעשן הסיגריות בהדגמה המופרעת הזו: (אל תנסו בבית וגם לא בכיתה!!)

העשן היוצא מהסיגריה מורכב מחלקיקים קטנטנים ולכן הוא כחלחל. לאחר שהעשן נספג בריאות, הוא יוצא מהפה בנשיפה עם חלקיקי מים שהם חלקיקים גדולים ולכן הוא יוצא לבן!

ועוד דבר אחרון- מיקום השקיעה

כבר בלימודי התואר ראשון שלי הקפדתי לראות שקיעות בכל יום. לפעמים אני לא מבינה אפילו איך אפשר בזמן שקיעה להיות סגור ומסוגר בתוך מבנה ופשוט לעצום עיניים… תמיד הייתי לבד על גגות האוניברסיטה וזה בהחלט היה זמן קסום בחיי.

צילמתי את שקיעות ועכשיו תזכו לראות, איך מיקום השקיעה משתנה במשך השנה! בישראל, בשיא הקיץ, השמש זורחת בצפון מזרח ושוקעת בצפון מערב. בסתיו ובאביב, היא זורחת במזרח ושוקעת קצת דרומה למערב. ואילו בחורף, השמש זורחת בדרום מזרח ושוקעת בדרום מערב.

ומקרוב:

אז באיזו עונה צולמו התמונות?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *