الفيزياء

عملية “تشتت الضوء” وأثرها على مجموعة من الظواهر الجوية

2011 الضوء واللون

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

عملية تشتت الضوء الظواهر الجوبة الفيزياء

ما الشيء الذي يجعل السماء زرقاء والغروب أحمر والغيوم بيضاء؟

الإجابة عن ذلك تكمن في عملية تسمى "التشتت"، والتي يمكنك دراستها ببساطة بواسطة مصباح جيب كهربائي وكوب من الماء الممزوج بقليل من الحليب.

نعلم جميعاً أن ضوء الشمس أبيض اللون. حاول أن تسلط بعض ضوء الشمس على قطعة من الورق، وستلاحظ أن الضوء الساطع سيبهر عينيك.

 

كما أن ضوء الشمس يبدو أبيض عندما يتدفق في الهواء المُغبرّ على الرغم من أن الهواء بحد ذاته غير مرئي.

ولكن إذا كان الهواء غير مرئي وضوء الشمس أبيض، فما السبب وراء زرقة السماء؟ ولماذا يبدو الضوء منبعثاً من السماء بأكملها، وليس من الشمس فقط؟

 

سماء لا متناهية

الحقيقة هي أن الهواء ليس غير مرئي بالكامل، فالهواء عبارة عن غاز، والجزيئات (الجسيمات الدقيقة) المكوّنة للغاز تنتشر على نحوٍ رقيق جداً على عكس السوائل أو الأجسام الصلبة.

كما أن معظم الضوء الذي يقع على الغاز يمر خلاله بصورة مستقيمة، لكن كمية قليلة من الضوء تتشتت وتغيّر مسارها عندما تصطدم بجزيئات الغاز.

وهناك ما يقارب من مئة ميل من الهواء بين سطح الأرض والفضاء الخارجي.

 

وبوجود كل هذه الكميات من الغاز في السماء فإن الضوء الذي يتشتت بفعل جزيئات الهواء يتكاثر إلى أن نراه على شكل سماءٍ زرقاء.

تتشتت الألوان المختلفة التي تكوّن اللون الأبيض بمقادير مختلفة في الهواء، وكلما كان الطول الموجي للضوء أقصر تشتت الضوء بسهولة أكثر، فاللون الأزرق له طول موجي قصير، ما يسمح بتشتته بسهولة.

بينما اللونان الأحمر والأصفر لهما طول موجي أكثر طولاً، وبالتالي فهما لا يتشتتان بسهولة وإنما ينتقلان على خط مستقيم إلى الأرض على هيئة أشعة شمسية مباشرة.

 

وعندما تنظر إلى السماء بعيداً عن الشمس في يومٍ صافٍ، فإنك في الحقيقة ترى الضوء المشتت، وهذا يفسر سبب زرقة السماء.

وقد تتساءل لماذا لا تبدو السماء بنفسجية، طالما أن اللون البنفسجي هو الأقصر من حيث طول الموجة، وبالتالي سيكون تشتته أكثر سهولة؟

والجواب عن هذا هو أن ضوء الشمس يحتوي على كمية أكبر من اللون الأزرق مقارنة باللون البنفسجي.

 

وعلى كل حال، فإن عيوننا ترى مزيجاً بين الأزرق والبنفسجي على أنه لونٌ أزرق.

إن أول من اكتشف سبب زرقة السماء هما العالمان الفيزيائيان الإنكليزيان (جون تندال) (1820 – 1893) و(لورد رايلي) (1842 – 1919).

وقد اعتقد هذان العالمان أن الجزء الأزرق من ضوء الشمس يتشتت بسبب الغبار وبخار الماء، لكنهما كان مخطئين في رأيهما، فلو كان الغبار هو السبب، لغيّرت السماء لونها على قدرٍ أكبر عندما يكون الهواء ضبابياً.

 

لكننا الآن نعرف أن جزيئات الهواء ذاتها هي المسؤولة عن تشتت الضوء، ومع هذا لا نزال نطلق على هذا الشكل من أشكال التشتت بـ"أثر تندال" أو "تشتت رايلي" نسبة الى هذين العالمين.

ويظهر"أثر تندال" فقط عندما تكون الجسيمات المسؤولة عن التشتت دقيقة جداً، مقارنة بطول الموجة الضوئية، كما أن الجسيمات الأكبر حجماً كالغيوم أو قطرات الضباب تقوم بتشتيت الضوء بمختلف أطواله الموجية وليس اللون الأزرق وحسب.

وتسمى هذه الظاهرة "تشتت ماي" ومن خلالها نفسر اللون الأبيض للغيوم.

غير أن أكبر غيوم العواصف قد تزداد سماكتها بحيث لا تسمح سوى للقليل من الضوء بالمرور ما يجعل لون الغيوم رمادياً بل وأسود أيضاً إذا نظرنا إليها من الأسفل.

 

لماذا يكون الغروب أحمر؟

عندما تغيب الشمس تصبح السماء تدريجياً برتقالية ثم حمراء. يحدث ذلك لأن على الضوء الانتقال عبر كميات أكبر فأكبر من الهواء عندما تقترب الشمس من خط الأفق.

وبمثل تلك الكمية الكبيرة من الهواء التي يحتاج الضوء للانتقال عبرها، يتشتت الضوء الأزرق، بينما يبقى اللون الأحمر والبرتقالي والأصفر، ما يفسّر سبب تغير لون الشمس.

كما أن هذه الألوان أيضاً تتشتت بفعل الغبار الموجود في الهواء، ما يولّد أشكالاً مذهلة في السماء في فترة غروب الشمس.

 

الضوء فوق البنفسجي

إن أقصر الأطوال الموجية (للضوء المرئي) هو اللون البنفسجي، كما أن ضوء الشمس يحتوي على نوع من الأشعة يُعرف باسم الأشعة فوق البنفسجية، والتي لها طول موجي أقصر قليلاً من اللون البنفسجي، لكن هذه الأشعة فوق البنفسجية غير مرئية بالنسبة لعين الإنسان.

ومع أننا لا نستطيع رؤية الأشعة فوق البنفسجية، إلا أن العديد من الحشرات تستطيع ذلك.

 

وتعكس بعض الأزهار الأشعة فوق البنفسجية على هيئة خطوط، منتجة أشكالاً ملونة تكون مرئية فقط للحشرات (إلى الأسفل).

تسبب الأشعة فوق البنفسجية حروقاً إذا مكثنا لفترات طويلة تحت أشعة الشمس، حيث تتحول بشرتنا إلى اللون الداكن كي تقينا من خطر هذه الأشعة.

 

ومَثَلُها مَثَلُ الضوء الأزرق والبنفسجي، تتشتت الأشعة فوق البنفسجية بسهولة بواسطة الهواء.

ونتيجة لهذا، تستطيع أن تحصل على بشرة سمراء في يوم تكون فيه الشمس ساطعة، ولو كنت جالساً في الظل.

مجلة العلوم
‫‪عناقيد الحالات: لغز رئيسي من ألغاز جائحة كورونا
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لكوفيد-19 بدعم من مركز بوليتزر Pulitzer Centre
في 10 مارس، عندما التقى 61 شخصًا للتدريب على التراتيل بكنيسة  في ماونت فيرنون بواشنطن، بدا كل شيء طبيعيًا. ولمدة ساعتين ونصف الساعة أنشد المنشدون، وتناولوا الكعك والبرتقال، وأنشدوا مرة أخرى. ولكن أحدهم كان يعاني منذ ثلاثة أيام ما يبدو كأنه زكام، والذي تبين فيما بعد أنه كوفيد-19 COVID-19. وفي 12 مايو نشرت ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪هل أنت سجين "غرف الصّدى"؟
. عمّار العاني باحث في المعلوماتية وتأثير وسائل التواصل الاجتماعي، سورية
في الوقت الذي تظهر فيه معظم الأبحاث العلمية أن ظاهرة الاحترار العالمي والتغير المناخي حقيقة مؤكدة، فإن نحو 15% من الجمهور لا يصدق هذه النظرية ويعتبرها خدعة من قبل الحكومات. وتظهر الإحصاءات أن نحو 5% من الأهالي يمتنعون عن تقديم اللقاحات الأساسية لأطفالهم إيماناً منهم بأخطارها، على الرغم من التوافق شبه الكامل في الأوساط الطبية على أن هذه المخاوف لا أساس لها.
   ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪"سرعة خاطفة": جهود أمريكية لإنتاج اللقاح تخرجإلى العلن
قلم:       جون كوهين
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
الحكمة المتعارف عليها هي أن إنتاج لقاح لكوفيد-COVID-19 19 لن يكون ممكنا قبل سنة على الأقل من الآن، ولكن جهود الجهات التنظيمية في حكومة الولايات المتحدة، والتي تعرف بعملية السرعة الخاطفة  Operation Warp Speed أو أسرع من الضوء، لا تنطبق عليها هذه الحكمة التقليدية. وهذا المشروع،  المبهم حتى الآن، والذي من المرجح أن يُعلِن عنه البيت الأبيض رسميًا في الأيام القادمة، سيختار مجموعة متباينة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪الإشكاليات الطبية لمرض كوفيد 19
. جمال المطر اختصاصي في أمراض الأذن والأنف والحنجرة، الكويت
تعد الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات من العوامل الممرضة الشائعة للإنسان، ويتميز بعضها عن بعض بعدد من الخصائص والسمات. فبعض الفيروسات يصيب النباتات وبعضها يصيب الحيوانات، وهناك أنواع تصيب الإنسان مسببة له أمراضاً متنوعة مثل متلازمة عوز نقص المناعة المكتسبة الإيدز، والتهاب الكبد الفيروسي، والحصبة. ويشهد العالم حاليا أول جائحة يسببها فيروس كورونا الذي ينتمي إلى فصيلة فيروسات واسعة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪أصبح العدو القديم حليفًا .. استخدام الفيروسات في علاج السرطان
. خالد صنبر، د. معتصم البارودي، د. نبيل أحمد باحثون في مجال الأمراض والفيروسات بكلية الطب في هيوستن، الولايات المتحدة
على الرغم من كونها أكثر الكائنات بساطًة فإن الفيروسات أتقنت عملية التطور بصورة مذهلة؛ فقد أتاح استغلال تلك المخلوقات الدقيقة لمخلوقات أكثر تعقيدًا، لحاجتها إلى التكوينات الخلوية، قدرة كبيرة لها على اجتياز العقبات التطورية. ففي جينومنا الخاص، اتخذت الفيروسات مخبئًا لإحدى أكثر الرحلات نجاحًا عبر الزمن، إذ يعتقد أن نحو %10 من ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪قصة الفيروسات .. 3 رواد أسهموا في اكتشافاتها المذهلة
. إسلام حسين باحث في مجال الفيروسات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الوريات المتحدة
يعتبر أواخر القرن التاسع عشر العصر الذهبي لعلم الميكروبيولوجيا علم الأحياء المجهرية، إذ شهد اكتشافات كثيرة عن بعض أنواع المكروبات، وتحديدا البكتيريا والفطريات. وأدت هذه الاكتشافات إلى تكوين نظرية شمولية عن الميكروبات، تعرف بنظرية الجراثيم germ theory، التي بنيت على معلومات توفرت لدى العلماء في ذلك الوقت. افترضت هذه النظرية توفر بعض الخصائص في أي مسبب ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪عناقيد الحالات: لغز رئيسي من ألغاز جائحة كورونا
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لكوفيد-19 بدعم من مركز بوليتزر Pulitzer Centre
في 10 مارس، عندما التقى 61 شخصًا للتدريب على التراتيل بكنيسة  في ماونت فيرنون بواشنطن، بدا كل شيء طبيعيًا. ولمدة ساعتين ونصف الساعة أنشد المنشدون، وتناولوا الكعك والبرتقال، وأنشدوا مرة أخرى. ولكن أحدهم كان يعاني منذ ثلاثة أيام ما يبدو كأنه زكام، والذي تبين فيما بعد أنه كوفيد-19 COVID-19. وفي 12 مايو نشرت ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪المادة السلبية.. أسرع من إيقاع الضوء والزمن
.أحمد مغربي طبيب ومترجم وكاتب متخصص بالموضوعات العلمية، لبنان
هل يمكن السفر بأسرع من الضوء؟ إذا كان إيقاع الزمن يسير بسرعة الضوء، وفق نظرية آينشتاين عن النسبية، ألا يكون التحرك بسرعة الضوء أو أكثر سفراً في الزمن أيضاً؟ أليس بموجب معادلة آينشتاين الشهيرة عن المادة والطاقة E=a.mc2 تتبدد المادة وتتحوّل إلى طاقة صرفة عندما تصل إلى التحرّك بسرعة الضوء، فكيف يمكن التنقل أسرع من الضوء من دون حدوث ذلك؟
 يألف عُشاق السينما أفلاماً عن آلة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪جسور مدينة كونيجسبيرغ: لغز أثمر ولادة فرع رياضياتي جديد
أحمد محمد جواد الحكيم باحث وأكاديمي في علم الرياضيات
تتسم معظم الألغاز التي يتناقلها الناس عادة بالبساطة، وتسعى إلى تحقيق المتعة والتسلية والترفيه واختبار القدرات العقلية للفرد، من خلال التحدي والإثارة. لكن مع بساطة هذه الألغاز فقد استحوذ قسم منها على اهتمام بعض علماء الرياضيات، الذين احتاجوا من أجل حلها إلى نهج جديد من التفكير العقلي يعتمد كثيراً على الحدس وقوة التمثيل البياني لهذه الألغاز، بدلا من الطريقة الاستنتاجية المنطقية.
ومن ... (قراءة المقال)