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
‫‪الهرمونات الجنسية  تفسر سبب إصابة الرجال أكثر بالفيروس
قلم:       ميريديث وادمان
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
في يناير ذكرت إحدى أولى النشرات العلمية عن المصابين بفيروس كورونا المستجد  Novel coronavirus في ووهان بالصين، أن ثلاثة من كل أربعة أدخلوا المستشفى كانوا ذكورًا. ومنذ ذلك الوقت أكدت بيانات من مختلف أنحاء العالم أن الرجال يواجهون خطرًا أكبر للإصابة بمرض شديد أو الوفاة، وأن الأطفال مستَثْنَوْن بشكل كبير. مؤخرًا، توصل العلماء الذين يبحثون في الكيفية التي يؤدي  الفيروس بها إلى الوفاة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪دراسات كبيرة تذوي آمال عقار الهيدروكسي كلوروكوين
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر Pulitzer Center.
عبر ضباب مزاعم الاستغلال، والأمل، والمبالغة في الدعاية، والتسييس الذي يكتنف الدواء هيدروكسي كلوروكوين Hydroxychloroquine، دواء لعلاج الملاريا Malaria الذي أعلن عنه كعلاج لمرض كوفيد-19 COVID-19، تبدأ حاليا الصورة العلمية بالتجلي.
الهيدروكسي كلوروكوين الذي أثنى عليه رؤساء كمعجزة شفائية محتملة ... (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)
‫‪مجرة درب التبانة و جيرانها
لسلام عليكم .. في كثير من حلقات البرنامج السابقة تكلمنا عن اهم عناصر المجموعة الشمسية التي نعيش فيها من كواكب و أقمار و كيوكبات و احزمة .. و انتهينا بشرح عن بلوتو و حدود المجموعة الشمسية .. ولكن هذه المجموعة تقع و تدور ضمن كيان و محيط اكبر .. و هي المجرة التي نعيش فيها و تحوي الملايين و الملايين من النجوم المشابهة لشمسنا و غيرها من الشموس و نطلق عليها درب التبانة .. في هذه الحلقة سنسافر في رحلة كونية بعيدة نتعرف فيها على بنية المجرة و مكوناتها ... (قراءة المقال)
أخبار العلوم
‫‪التعديل الوراثي التخلّقي يصل إلى الحمض النووي الريبي
قلم: كين غاربر، في شيكاغو بولاية إلينوي
ترجمة: صفاء كنج
انتقلت فكرة تأثير الواسمات الكيميائية في الجينات على تعبيرها الخارجي دون تغيير تسلسل الحمض النووي اختصاراً: الحمض DNA من كونها مسألة مفاجئة في الماضي إلى أن صارت مادة مقبولة تُدرس في الكتب.
ظاهرة التعديل الوراثي التخلقي Epigenetics، وصلت إلى الحمض النووي الريبي المرسال اختصاراً: الجزيء mRNA، وهو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى مصانع تصنيع البروتين في ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل تنجح هيئة الخدمات الصحية في مشروع تتبع الاتصالات الذي تعده؟
جرّب الفرع الرقمي لهيئة الخدمات الصحية الوطنية اختصاراً: الفرع NHSX تطبيقا App سيخبرك ما إذا خالطت أي شخص ظهرت عليه أعراض كوفيد -19. ولكن ما هي التكلفة المترتبة على خصوصيتك جراء ذلك؟
إن أحد التحديات الكبيرة التي تطرحها مكافحة فيروس كوفيد-19 COVID-19 هو أنه معدٍ قبل ظهور أي أعراض على الأشخاص المصابين به. ويمكن أن يساعد تتبع الأشخاص الذين اختلطوا بالمصاب على الحد من انتشار الفيروس، من خلال معرفة عدد الأشخاص الذين ربما نقل إليهم المريض ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪العناكب تفكّر بشباكها، متحدّية مفاهيمنا عن الذكاء
قلم:    ديفيد روبسون
ترجمة: آية علي
هناك ذكاء غريب يعيش بيننا. تمتلك هذه المخلوقات نوعًا استثنائيا من الوعي يشمل عقولًا تتجاوز حجم أجسادها. ومع ذلك، وبفضل جهلنا وغرورنا، يكون دافعنا الفوري قتلها.
هذا ليس خيالا. فهذه الأدمغة الغريبة تختبئ بالفعل في ظلال منازلنا وحدائقنا: العناكب. لطالما افترضنا أنها، مثلها مثل العديد من اللافقاريات Invertebrates، تكاد تكون آليّة Automata، وتفتقر إلى حياة داخلية. ولكننا نكتشف الآن أن بعض العناكب ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪كتب صنعتني: أنتوني ديفيد
نتوني ديفيد @ProfTonyDavid رئيس قسم الطب النفسي في معهد الطب النفسي Institute of Psychiatry بجامعة كينغز كوليدج لندن King’s College London. وهو طبيب ممارس في مستشفيات مودسلي وبيثليم. وأحدث مؤلفاته كتاب إلى قعر الهاوية Into The Abyss 14.99 £، Oneworld.
عندما كنت في الثامنة أو التاسعة، كانت هناك سلسلة كاملة من كتب كيف ولماذا How And Why books التي تتضمن مواضيع مختلفة من العلوم والتاريخ. وكان كتاب كيف ولماذا عن روائع الجسم البشري How And Why ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هذه الجينات لا تكذب
دم راذرفورد AdamRutherford@ عالم الوراثيات وكاتب ومذيع. يقدم مجلة BBC Radio 4 الأسبوعية الرائدة داخل العلم Inside Science، ويشارك في عرض الحالات الغريبة لراذرفورد وفراي Curious Cases Of Rutherford & Fry مع الدكتورة هانا فراي Hannah Fry. أجرت المقابلة مساعدة تحرير BBC Science Focus  إيمي باريت Amy Barrett.
ما الذي دفعك إلى كتابة هذا الكتاب؟ تلتقي في هذا الكتاب ثلاثة أمور مهمة في حياتي الشخصية والمهنية. الأول هو أنني اختصاصي بعلم ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل شفرةُ الحلاقةِ المزودة بشفرات أكثر أفضل فعلاً؟
ولين رولي، عبر البريد الإلكتروني Colin Rowley, Via email
عندما تكون شفرة الحلاقة متعددة الشفرات ترفع الشفرة الأولى الشعر قليلاً وهي تقطعه. وقبل أن تتاح للشعر فرصة للعودة إلى داخل الجلد، تصله الشفرة التالية وتقطع مزيداً منه. وينتج من هذا حلاقة ليست في مستوى بشرتك فحسب، لكن في الواقع تحته قليلاً. ومن الطبيعي أن يخضع ذلك لقانون الإنتاجية المتناقصة Law of diminishing returns، لكن شفرة الحلاقة ذا الشفرات الإضافية توزع أيضاً ضغط خرطوشة الشفرة ... (قراءة المقال)