ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าเพราะแสงอาทิตย์ซึ่งประกอบด้วยแสงทุกสีถูกโมเลกุลของแก๊สในอากาศกระเจิงออกไปทุกทิศทาง และแสงสีฟ้าซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นถูกกระเจิงได้มากกว่าแสงสีแดงหลายเท่า เมื่อเรามองขึ้นไปในทิศใดก็ตาม จึงเห็นแสงสีฟ้าที่ถูกกระเจิงมาจากทั่วท้องฟ้า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการกระเจิงแบบเรย์ลี (Rayleigh scattering)
แสงอาทิตย์มีสีอะไรบ้าง?
แสงอาทิตย์ที่เราเห็นเป็นสีขาวแท้จริงแล้วประกอบด้วยแสงหลายสีผสมกัน ตั้งแต่ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด ไปจนถึงแดง เหมือนสีของรุ้งกินน้ำ แต่ละสีมีความยาวคลื่นต่างกัน โดยแสงสีม่วงและน้ำเงินมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด ส่วนแสงสีแดงมีความยาวคลื่นยาวที่สุด
ความยาวคลื่น (wavelength) คือระยะห่างระหว่างยอดคลื่นหนึ่งไปยังยอดคลื่นถัดไป แสงที่ตามองเห็นมีความยาวคลื่นประมาณ 380–700 นาโนเมตร (1 นาโนเมตรเท่ากับหนึ่งในพันล้านของเมตร) ความยาวคลื่นที่ต่างกันนี้เองที่ทำให้แต่ละสีมีพฤติกรรมต่างกันเมื่อเดินทางผ่านอากาศ
การกระเจิงแบบเรย์ลีคืออะไร?
การกระเจิงแบบเรย์ลีคือการที่แสงกระทบอนุภาคที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงมาก เช่น โมเลกุลของไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศ แล้วถูกเบี่ยงออกไปหลายทิศทาง หลักการนี้ตั้งชื่อตามลอร์ดเรย์ลี (Lord Rayleigh) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่อธิบายปรากฏการณ์นี้ในศตวรรษที่ 19
จุดสำคัญคือ ความเข้มของการกระเจิงแบบเรย์ลีแปรผกผันกับความยาวคลื่นยกกำลังสี่ หมายความว่าถ้าความยาวคลื่นสั้นลงครึ่งหนึ่ง แสงจะถูกกระเจิงมากขึ้นถึง 16 เท่า แสงสีฟ้าซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นจึงถูกกระเจิงมากกว่าแสงสีแดงหลายเท่า
| สีของแสง | ความยาวคลื่นโดยประมาณ | การกระเจิงในอากาศ |
|---|---|---|
| ม่วง | 380–450 นาโนเมตร | มากที่สุด |
| น้ำเงิน–ฟ้า | 450–495 นาโนเมตร | มาก |
| เขียว | 495–570 นาโนเมตร | ปานกลาง |
| เหลือง–แสด | 570–620 นาโนเมตร | น้อย |
| แดง | 620–700 นาโนเมตร | น้อยที่สุด |
ทำไมท้องฟ้าเป็นสีฟ้า ไม่ใช่สีม่วง?
แม้แสงสีม่วงจะถูกกระเจิงมากกว่าแสงสีฟ้า แต่ท้องฟ้ากลับดูเป็นสีฟ้า เพราะมีเหตุผลสามข้อรวมกัน คือแสงอาทิตย์มีแสงสีม่วงน้อยกว่าสีฟ้า บรรยากาศชั้นบนดูดกลืนแสงสีม่วงไปบางส่วน และดวงตามนุษย์ไวต่อแสงสีฟ้ามากกว่าสีม่วง
- แสงอาทิตย์ที่มาถึงโลกมีพลังงานในช่วงสีม่วงน้อยกว่าช่วงสีฟ้า
- บรรยากาศชั้นบนดูดกลืนแสงสีม่วงและรังสีอัลตราไวโอเลตไปส่วนหนึ่ง
- เซลล์รับแสงสีในดวงตาของมนุษย์ไวต่อสีม่วงน้อย เมื่อสมองรวมสัญญาณจากทุกสี ผลลัพธ์ที่เรารับรู้จึงเป็นสีฟ้า
ทำไมท้องฟ้าตอนพระอาทิตย์ตกจึงเป็นสีส้มแดง?
ตอนเช้าตรู่และตอนเย็น ดวงอาทิตย์อยู่ต่ำใกล้ขอบฟ้า แสงจึงต้องเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศเป็นระยะทางไกลกว่าตอนเที่ยงมาก ระหว่างทาง แสงสีฟ้าถูกกระเจิงออกไปเกือบหมด เหลือแสงสีเหลือง ส้ม และแดงที่มีความยาวคลื่นยาวเดินทางมาถึงตาเรา
ถ้าในอากาศมีฝุ่น ควัน หรือละอองต่าง ๆ มาก ท้องฟ้ายามพระอาทิตย์ตกอาจดูแดงจัดยิ่งขึ้น ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ ท้องฟ้าใกล้ขอบฟ้าในเวลากลางวันจึงมักดูซีดกว่าท้องฟ้าเหนือศีรษะ เพราะแสงสีฟ้าถูกกระเจิงซ้ำหลายรอบจนมาถึงตาเราน้อยลง
ทำไมเมฆจึงเป็นสีขาวทั้งที่ท้องฟ้าเป็นสีฟ้า?
เมฆเป็นสีขาวเพราะหยดน้ำและผลึกน้ำแข็งในเมฆมีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลของแก๊สมาก จึงกระเจิงแสงทุกสีในปริมาณใกล้เคียงกัน เมื่อแสงทุกสีผสมกันเราจึงเห็นเป็นสีขาว การกระเจิงลักษณะนี้เรียกว่าการกระเจิงแบบมี (Mie scattering)
ส่วนเมฆฝนที่ดูเป็นสีเทาหรือเกือบดำ เกิดจากเมฆหนามากจนแสงผ่านลงมาด้านล่างได้น้อย ไม่ได้แปลว่าเมฆเปลี่ยนสีจริง ๆ
ท้องฟ้าบนดาวดวงอื่นเป็นสีฟ้าเหมือนโลกหรือไม่?
ไม่เสมอไป สีของท้องฟ้าขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและความหนาแน่นของบรรยากาศแต่ละดาว ตัวอย่างที่ชัดเจนคือดาวอังคาร ซึ่งมีบรรยากาศเบาบางและมีฝุ่นละเอียดลอยอยู่มาก ท้องฟ้าในเวลากลางวันจึงออกสีส้มอมแดง
ที่น่าสนใจคือ ตอนพระอาทิตย์ตกบนดาวอังคาร บริเวณรอบดวงอาทิตย์จะเป็นสีฟ้าอมเทา ซึ่งกลับด้านกับสิ่งที่เราเห็นบนโลก ส่วนบนดวงจันทร์ซึ่งแทบไม่มีบรรยากาศ ท้องฟ้าจะเป็นสีดำแม้ในเวลากลางวัน เพราะไม่มีอากาศให้แสงกระเจิง
ทำไมท้องฟ้าหลังฝนตกจึงดูฟ้าสดใสกว่าปกติ?
หลังฝนตก ท้องฟ้ามักดูเป็นสีฟ้าเข้มและใสกว่าวันปกติ เพราะเม็ดฝนช่วยชะล้างฝุ่นละอองและอนุภาคขนาดใหญ่ออกจากอากาศ เมื่ออนุภาคที่กระเจิงแสงทุกสีปนกันลดลง การกระเจิงแบบเรย์ลีจากโมเลกุลอากาศจึงเด่นชัดขึ้น
ในทางกลับกัน วันที่มีฝุ่นมากหรือความชื้นสูง ท้องฟ้ามักดูขาวซีดหรือขุ่นมัว เพราะอนุภาคขนาดใหญ่และละอองน้ำกระเจิงแสงทุกสีใกล้เคียงกัน ทำให้สีฟ้าถูกเจือจางด้วยแสงสีขาว ในประเทศไทย ช่วงที่มีปัญหาฝุ่นละอองขนาดเล็กจึงมักเห็นท้องฟ้าเป็นสีหม่น
ทดลองเรื่องสีของท้องฟ้าเองที่บ้านได้อย่างไร?
เราจำลองการกระเจิงของแสงได้ง่าย ๆ ด้วยแก้วน้ำใส นม และไฟฉาย การทดลองนี้ช่วยให้เห็นภาพว่าทำไมท้องฟ้าเป็นสีฟ้าตอนกลางวันและเป็นสีส้มตอนพระอาทิตย์ตก
- เติมน้ำลงในแก้วใสหรือขวดใสทรงสูงให้เกือบเต็ม
- หยดนมลงไปเล็กน้อยแล้วคนให้เข้ากัน น้ำควรขุ่นเพียงเล็กน้อย
- ปิดไฟในห้องให้มืด แล้วส่องไฟฉายผ่านด้านข้างของแก้ว
- มองแก้วจากด้านข้าง จะเห็นน้ำออกสีฟ้าอ่อน เพราะแสงสีฟ้าถูกกระเจิงออกมาด้านข้าง
- มองจากอีกฝั่งของแก้วตรงข้ามกับไฟฉาย จะเห็นแสงออกสีเหลืองส้ม คล้ายดวงอาทิตย์ยามเย็น
อนุภาคไขมันและโปรตีนในนมทำหน้าที่คล้ายอนุภาคในอากาศ แม้กลไกจะไม่เหมือนการกระเจิงแบบเรย์ลีทุกประการ แต่ก็แสดงหลักการเดียวกันได้ชัดเจน
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับสีของท้องฟ้า
ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าเพราะสะท้อนสีของทะเลใช่หรือไม่?
ไม่ใช่ ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าเพราะการกระเจิงของแสงในอากาศ ในทางกลับกัน ทะเลที่ดูเป็นสีฟ้าส่วนหนึ่งมาจากการสะท้อนท้องฟ้าและการที่น้ำดูดกลืนแสงสีแดง
ทำไมท้องฟ้าเวลากลางคืนจึงมืด?
เพราะดวงอาทิตย์อยู่อีกด้านของโลก ไม่มีแสงอาทิตย์ส่องผ่านบรรยากาศเหนือศีรษะเรามากพอที่จะกระเจิงให้เห็นเป็นสีฟ้า
มลพิษทางอากาศทำให้สีท้องฟ้าเปลี่ยนไปหรือไม่?
ได้ ฝุ่นละอองและควันกระเจิงแสงหลายสีปนกัน ทำให้ท้องฟ้าดูขาวขุ่นหรือหม่นลง และอาจทำให้ท้องฟ้ายามเย็นมีสีส้มแดงเข้มกว่าปกติ
แหล่งอ้างอิง: NASA Space Place: Why Is the Sky Blue? · NOAA NESDIS: Why Is the Sky Blue?
ภาพหน้าปกโดย Rivan riyadi จาก Unsplash
