ทำไมท้องฟ้าจึงมองเห็นเป็นสีฟ้า และบางเวลาก็เปลี่ยนเป็นสีอื่น?

ท้องฟ้าสีฟ้าครามสดใสเป็นธรรมชาติที่สวยงามชวนหลงใหล แต่ท้องฟ้ายังมีการเปลี่ยนสีไปตามช่วงเวลาของวัน ยามรุ่งอรุณฟ้าด้านทิศตะวันออกกลายเป็นสีส้มแดงระเรื่อตั้งแต่ก่อนดวงอาทิตย์ขึ้น และหลังจากดาวอาทิตย์โผล่พ้นขอบฟ้าสักพักท้องฟ้าสีส้มแดงก็หายไป เหลือแต่ท้องฟ้าสีฟ้าไปตลอดช่วงกลางวัน ถึงยามสายัณห์ท้องฟ้าด้านตะวันตกก็เปลี่ยนเป็นสีส้มแดงจนกระทั่งดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้าไปสักพักจึงหายไป แล้วท้องฟ้าก็ค่อยๆมืดลงจนกลายเป็นสีดำตลอดช่วงเวลากลางคืน

เคยสงสัยกันไหมว่าทำไมท้องฟ้าจึงมีสีฟ้าและเปลี่ยนสีไปตามช่วงเวลาแบบนี้ ทั้งๆที่บนท้องฟ้าก็มีแต่ชั้นบรรยากาศซึ่งไม่มีสีและมองไม่เห็นด้วยซ้ำไป ส่วนแสงอาทิตย์ก็เห็นอยู่ว่าเป็นสีขาว ปริศนาเรื่องนี้คาใจผู้คนมานานแสนนานตั้งแต่มนุษย์แหงนหน้ามองท้องฟ้าเป็นครั้งแรก จนถึงปี 1859 John Tyndall นักฟิสิกส์ชาวไอริชได้อธิบายเรื่องนี้ด้วยทฤษฎีการกระเจิงของแสง (Scattering of Light) และยังมีปัจจัยอย่างอื่นเกี่ยวข้องอีกหลายอย่าง
 
 
แสงอาทิตย์ ชั้นบรรยากาศ และการกระเจิงของแสง

แสงอาทิตย์ที่มองเห็นเป็นสีขาวนั้นจริงๆแล้วประกอบด้วยแสงที่มองเห็นรวม 7 สี ได้แก่ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง ซึ่งก็คือสีรุ้งกินน้ำนั่นเอง เราสามารถเห็นแถบสีเหล่านี้ได้โดยการให้แสงอาทิตย์ส่องผ่านแท่งปริซึม

why-is-the-sky-blue-2

แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นไม่เท่ากัน แสงสีน้ำเงินมีความยาวคลื่นสั้นกว่า แสงสีแดงมีความยาวคลื่นยาวกว่า ส่วนสีอื่นๆก็มีความยาวคลื่นลดหลั่นกันไปตามรูปข้างล่าง ปกติแล้วแสงเดินทางเป็นเส้นตรง (ในสูญญากาศ) แต่ถ้ามีสิ่งกีดขวางมันก็อาจจะเกิดการสะท้อนเปลี่ยนทิศทาง (เช่น กระจกเงา) หรือเกิดการหักเห (เช่น แท่งปริซึม) หรือเกิดการกระเจิงซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่แสงกระจัดกระจายไปโดยรอบทุกทิศทาง

why-is-the-sky-blue-3

ชั้นบรรยากาศของโลกประกอบด้วยแก๊สหลายชนิดมีไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นหลัก นอกจากนี้ยังมีไอน้ำและอนุภาคของแข็งพวกฝุ่นต่างๆ เมื่อแสงอาทิตย์เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศจะชนกับโมเลกุลของแก๊สเกิดการกระเจิงของแสง แสงสีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าเกิดการกระเจิงได้มากกว่าแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า (กระเจิงมากกว่าเกือบ 10 เท่า) และนี่คือเหตุผลสำคัญที่ทำให้เรามองเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้า
 
 
ต่างช่วงเวลาแสงเดินทางต่างมุมและระยะทาง

ระยะทางที่แสงเดินทางผ่านบรรยากาศมายังตัวเราซึ่งเป็นผู้สังเกตจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของดวงอาทิตย์ เวลาเช้าและเวลาเย็นดวงอาทิตย์อยู่ต่ำทำมุมลาดกับพื้นโลกทำให้ระยะทางที่แสงเดินทางผ่านบรรยากาศมายังตัวเรายาวกว่า ขณะที่ตอนกลางวันดวงอาทิตย์อยู่สูงทำมุมชันกับพื้นโลกทำให้ระยะทางที่แสงเดินทางผ่านบรรยากาศมายังตัวเราสั้นกว่า (ดังรูปข้างล่าง) ระยะทางที่แสงเดินทางผ่านบรรยากาศสั้นหรือยาวมีผลต่อการกระเจิงของแสงและสิ่งที่ตาเรามองเห็น และเป็นเหตุผลสำคัญอีกอย่างหนึ่งที่ทำให้เราเห็นท้องฟ้ามีสีเปลี่ยนไป

why-is-the-sky-blue-4
 
 
ท้องฟ้าเวลากลางวัน

ตอนกลางวันดวงอาทิตย์ทำมุมชันกับพื้นโลก แสงเดินทางผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางสั้น อุปสรรคที่กีดขวางมีน้อย แสงสีม่วง คราม และน้ำเงินที่กระเจิงได้ดีจึงมีการกระเจิงในทุกทิศทุกทางทั่วท้องฟ้า แสงที่สะท้อนกลับมาที่ตาของเราส่วนใหญ่จึงเป็นสีน้ำเงิน ขณะที่แสงสีเหลือง ส้ม แดง มีการกระเจิงน้อยกว่ามากไม่ค่อยมีผลต่อการเห็นสีท้องฟ้าโดยรวม จึงทำให้เราเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้าคราม ขณะเดียวกันฝุ่นและอนุภาคสารแขวนลอยในอากาศก็มีผลต่อสีของท้องฟ้าด้วยเพราะหากมีมากแสงสีเขียว สีเหลืองก็จะเกิดการกระเจิงมากขึ้น ดังนั้นในบริเวณที่มีมลภาวะทางอากาศสูง หรือในฤดูร้อนซึ่งอากาศร้อนยกตัวพาให้สารแขวนลอยขึ้นไปลอยอยู่ในอากาศมาก เราจะเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้าอ่อน แต่ที่บริเวณเกาะ ริมทะเล และตามชนบทที่ไม่ค่อยมีฝุ่นละอองในอากาศ หรือในฤดูหนาวที่มีความกดอากาศสูงซึ่งทำให้ฝุ่นลอยขึ้นไปได้ยาก เราจะเห็นท้องฟ้าเป็นสีน้ำเงินเข้ม

why-is-the-sky-blue-5

ถึงตรงนี้อาจมีบางคนสงสัยว่าแสงสีม่วงที่มีความยาวคลื่นสั้นที่สุดน่าจะกระเจิงได้มากที่สุด แล้วทำไมเราไม่เห็นท้องฟ้าเป็นสีม่วงล่ะ? ที่เราไม่เห็นท้องฟ้าเป็นสีม่วงเพราะเหตุผล 2 อย่าง อย่างแรกเซลล์รับแสงที่จอตาของคนจะทำงานได้ดีหรือไวกับสีแดง สีน้ำเงิน และสีเขียวเท่านั้น อีกอย่างคือในแสงอาทิตย์มีแสงสีม่วงน้อยกว่าแสงสีอื่นและยังถูกดูดกลืนในบรรยากาศชั้นบนอีกด้วย แสงสีม่วงจึงไม่ค่อยมีผลต่อการเห็นสีของท้องฟ้า
 
 
ท้องฟ้าเวลาเช้าและเวลาเย็น

เวลาเช้าและเวลาเย็นดวงอาทิตย์ทำมุมลาดกับพื้นโลก แสงเดินทางผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางยาว อุปสรรคที่ขวางกั้นมีมาก แสงสีม่วง คราม และน้ำเงินปะทะกับโมเลกุลของอากาศเกิดการกระเจิงที่บรรยากาศรอบนอกจนหมด เหลือแต่แสงสีเหลือง ส้ม และแดงที่กระเจิงได้ไม่ค่อยดีหลุดรอดมาถึงบรรยากาศชั้นล่าง ดังนั้นในตอนเช้าเราจึงเห็นท้องฟ้าบริเวณทิศตะวันออกมีสีส้มแดง ส่วนตอนเย็นท้องฟ้าด้านทิศตะวันตกก็จะมองเห็นเป็นสีส้มแดงด้วยเหตุผลเดียวกัน เพียงแต่ท้องฟ้าเวลาเย็นจะมีสีแดงมากกว่าตอนเช้า เนื่องจากอุณหภูมิในตอนบ่ายสูงทำให้มีฝุ่นละอองลอยขึ้นไปในอากาศมากกว่า ประกอบกับตอนเช้ามืดฝุ่นละอองในอากาศถูกชะล้างด้วยน้ำค้าง ดังนั้นตอนเย็นจึงมีการกระเจิงของแสงสีแดงมากกว่าตอนเช้า

why-is-the-sky-blue-6
 
 
ท้องฟ้าเวลากลางคืน

ในตอนกลางคืนมีแสงอาทิตย์ผ่านเข้ามาน้อยมากแทบจะไม่มีแสงเลย และที่ผ่านเข้ามาเพียงเล็กน้อยก็ถูกบรรยากาศดูดกลืนจนหมด เมื่อไม่มีแสง ไม่มีการกระเจิง ก็ไม่มีสี หรือก็คือความมืดนั่นเอง เราจึงเห็นท้องฟ้าตอนกลางคืนเป็นสีดำ
 
 
ท้องฟ้าไม่ว่าจะเป็นยามไหนก็สวยงามทั้งนั้น อยู่ที่ว่าใครจะชอบสีสันและบรรยากาศแบบไหนมากกว่า แต่หากเป็นผู้ที่ชื่นชอบในผลงานของวินเซนต์ แวนโก๊ะ หนึ่งในศิลปินเอกของโลก คงจะชอบท้องฟ้ายามราตรีประดับดาว (Starry Night) มากเป็นพิเศษ จึงขอส่งท้ายด้วยเพลงที่เกี่ยวข้องกับท้องฟ้าที่มีคนชื่นชอบมากที่สุดเพลงหนึ่ง คือเพลง Vincent ของ Don McLean ที่ขึ้นต้นเพลงว่า Starry Starry Night …

 

 

ข้อมูลและภาพจาก math.ucr.edu, nasa.gov

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *